电视信号射频电平测量研究*

2015-06-09叶峻江李春龙何洪波

计量技术 2015年1期

关键词：电视信号量值电平

叶峻江李春龙何洪波

(广东省计量科学研究院东莞计量院，东莞 523000)

电视信号射频电平测量研究*

叶峻江李春龙何洪波

(广东省计量科学研究院东莞计量院，东莞 523000)

本文介绍使用测量接收机和频谱分析仪建立电视信号射频电平测量标准装置，开展相关测量、检定、校准和量值传递。该电视信号射频电平测量标准装置，在频率48～1000MHz内，测量信号电平范围为-60～10dBm；测量不确定度U=(0.34～0.46)dB。满足JJG 1057—2010检定规程中输出电平应有有效的量值溯源要求。

电视信号射频电平；电视场强；量值溯源；量值传递

0 引言

视频信息是现代传媒传播的重要手段。网络、微电子和计算机技术高速发展，令视频信息成为现代信息产业重要的媒体形式，在医学影像、卫星通信、工业监控、交通监控和广播电视等领域得到日益广泛的应用。在无线电视发播和有线电视网络中，电视信号射频电平测量调试非常重要[1]，在电视网络中电平过高或过低将引起放大器工作于非线性区。信号电平过低时，电视图像将出现干扰或噪声增大等现象，容易受到邻频道的干扰。信号过高时将引起放大器或电视接收机过载，导致图像失真[2]。测量电视信号电平的仪器一般为电视电平表或电视场强仪。根据JJG 1057—2010《电视信号场强仪》对该类仪器进行检定和校准，以保证电视信号射频电平测量调试结果可靠。规程要求，检定用的电视测试发射接收机输出电平应依据有效的量值溯源和计量检定校准结果[3]。

本文介绍测量接收机和频谱分析仪建立电视信号射频电平测量标准装置，可为电视信号发生器、电视电平表提供有效的量值溯源结果。测量接收机和频谱分析仪在各省市计量机构普遍使用，提高了原有设备的利用率。

1 电视信号的调制和图像载波电平

1.1 电视信号的调制

电视信号由图像信号和伴音信号组成，处于基带的信号视频带宽为6MHz，伴音信号的带宽为15kHz。基带信号调制到射频载波上进行远距离无线传输和多频道发播，调制后的信号称为射频电视信号[1]。我国电视标准规定使用负极性信号进行调制[4]。

1.2 图像载波电平概念

我国电视制式为逐行倒相正交平衡调幅制(PAL-D)，载波采用残留边带调幅(VSB-AM)。图像内容通过幅度调制来传送，其内容随时间变化，令信道功率不断变化。而模拟电视行/场同步脉冲电平不随图像的变化，故把同步头峰值电平作为判别模拟电视信号电平强弱的标准。PAL-D图像信号采用负极性调制，调制后图像信号的幅度随着亮度的增加而减少，黑电平(或行、场消隐电平)为电平满幅度的75%，行、场同步信号处为电平满幅度的100%，已调模拟信号的峰值出现该处。根据GB/T 6510—1996，将电视信号射频载波电平定义为在75Ω终端上调制包络处(同步头)的图像载波电压的有效值(dBμV)[5]。

2 载波电平的测量

测量电视信号射频电平的仪器一般为电视电平表或电视场强仪。JJG 1057—2010《电视信号场强仪》5.2.3.1中规定电视测试发射接收机输出电平应根据有效的量值朔源和计量检定校准结果。测量电平可以采用以下方法：

1)电视电平表法：电视电平表可以直接选定需要测试的频道读取电平数据。端口阻抗75Ω，与被测信号阻抗匹配。其电平测量准确度低，通常最大允许误差为±3dB，频率响应较差。

2)功率表：电平测量精度高，频率范围宽，频率特性好，溯源方便。端口阻抗50Ω，与被测信号阻抗不匹配。测量低电平时受噪声影响明显，且不能选频道测量。测得的是通带内的功率，不能直接测量同步头电平。

3)示波器法：有较好的测量精度，频率特性较好，1MΩ的输入端口可以方便接入75Ω或50Ω的阻抗进行匹配。示波器可采用行、场同步触发给出信号细节。示波器是时域测量仪器，不能选频道测量。

4)CATV频谱分析仪法：频谱分析仪是频域测量的通用器具，通过选择中心频率进行频道选择，使用零频扫描，配合适当的分辨率带宽，可以解调出视频信号包络，实现选频道测量。但测量精度较低。

5)测量接收机的调制电平表：测量精度高，频率范围很宽，频率特性非常好，电平测量范围+30～-127dBm，动态范围达到150dB。但不能直接测量已调制信号的同步头电平。

根据以上分析，频谱分析仪可直接解调图像的载波信号包络，但其电平测量准确度较低。使用测量接收机测量载波功率可获得较高准确度，但无法直接测量已调制图像载波的同步头信号峰值(包络)电平。可结合两类仪器的优势进行测量，通过测试值比较和传递的办法，将测量接收机功率计的精确功率测量结果传递给接收机调制电平表，保证接收机绝对功率测试值的准确性[]。用该结果对频谱分析仪的结果进行修正，得到准确的结果。在测量过程中，频谱仪的作用类似于指零仪，其短期稳定度成为不确定度的来源之一。测量接收机和频谱分析仪的输入阻抗通常为50Ω，需增加阻抗转换器，使之与电视信号发生器的75Ω阻抗匹配。测量接收机、阻抗转换器和功率分配器均很方便获得量值溯源。

其测量过程为：测量接收机的功率计对调制电平表进行自校准，再用测量接收机和CATV频谱分析仪零频扫描功能同时测量未调制的载波信号电平，测量接收机测得电平Pr，频谱分析仪测得电平Ps。得到频谱仪的测量功率误差ΔP=Ps-Pr。再用频谱分析仪对已调制的射频信号进行解调测量，移动游标读取解调包络处同步头位置的电平PT，减去频谱仪的功率测量误差ΔP，就得到准确的电视信号射频电平。再加上功率分配器和阻抗转换器的插入损耗，计算出电视信号射频图像载波电平PTV，如下式：

PTV=PT-ΔP+PL1+PL2

式中，PT为CATV频谱分析仪解调后的射频信号(包络)同步头处电平；PL1为射频阻抗转换器的插入损耗；PL2为功率分配器的插入损耗。

在该方法中，使用了测量接收机HP8902、CATV频谱分析仪、Agilent的75Ω/50Ω阻抗转换器11852B和功率分配器11667A。

3 测量装置的构成和量值溯源

3.1 测量装置的构成

电视信号射频电平测量标准系统由测量接收机HP8902、CATV频谱分析仪、Agilent的75Ω/50Ω阻抗转换器11852B和功率分配器11667A构成。标准装置既可以校准电视信号发生器、发射机，又可以校准视频电平表、场强仪的电视信号射频电平。连接方式见图1。

图1 标准装置的连接

我国使用的是PAL-D制式电视，最低频道DS1的图像载波频率为49.75MHz，无线发射最高频道DS56的图像载波频率为855.25MHz有线电视最高频率DS68的图像载波频率为951.25MHz。有线电视的前端放大器及干线放大器的射频输出电平通常为94～102dBμV，用户端电平为65～75dBμV。测量接收机和CATV频谱分析仪的频率和电平测量量程远大于该范围，可以满足要求。

3.2 测量装置的量值溯源

该装置主要量值为电平、射频阻抗和射频衰减。这些量值均可溯源到国家基准。量值溯源见图2。

图2 量值溯源图

4 不确定度评定

有线电视的前端放大器及干线放大器的射频输出电平通常为94～102dBμV，用户端电平为65～75dBμV。选取电平值为65dBμV和100dBμV评定该测量装置的不确定度范围。

4.1 A类评定

使用CATV频谱仪在重复测量时和重复连接高频电缆时读数有变化，在重复条件下对电视信号射频电平进行测量，经统计计算得到测量的标准不确定度分量u1=0.083dB。

4.2 B类评定

使用8902测量接收机带来的误差影响：测量接收机的不确定度u2，由技术说明书可知由功率表和附加影响两部分组成(B类评定)。包含以下分量：

1)功率表分辨力引起的不确定度分量u21

2)量程线性度u22

3)零点调节误差u23

4)附加影响(零点漂移)引起的不确定度分量u24

5)噪声造成的分量u25

6)探头零位漂移造成的分量u26

7)校准电平造成的分量，功率计在使用之前先要进行使用内部校准信号进行校准，其校准信号的电平对测量造成影响u27

8)探头校准因子造成的分量u28

9)负载的反射系数造成的分量u29

10)参考振荡器失配造成的分量u210

对上述各不确定度分量进行评定，结果见表1。

标准不确定度u2为0.104dB；同样计算测量65dBμV时的电平，标准不确定度u2为0.184dB。

表1 标准不确定度一览表(测量100dBμV时)

不确定度分量不确定度来源标准不确定度(dB)u21分辨率0.00289u22量程线性度0.0115u23零点调节误差0.00125u24零点漂移0.0000751u25噪声0.00326u26探头零位漂移0.000251u27校准电平0.0300u28探头校准因子0.0497u29负载的反射系数0.0847u210参考振荡器失配0.0104

4.3 插入损耗和平坦度的不确定度分量u3

11852B型75Ω/50Ω阻抗转换器的不确定度分量u31根据校准证书给出的插入损耗的不确定度分量U=0.08dB；k=2，故u31=0.04，功率分配器11667A插入损耗的校准不确定度U=0.1dB；k=2故u32=0.05，在0.05GHz～1GHz平坦度为0.3dB，为矩形分布，其半宽为0.15dB，u33=0.15/1.732=0.087dB，不确定度分量u3为：

4.4 端口反射系数的不确定度分量u4

根据校准证书给出的反射系数，在0.05～1GHz的50Ω端范围内，最大值为Γ1=0.013，该阻抗转换器与功率分配器11667A连接，11667A反射系数为Γ2=0.018。该反射导致信号不能被完全吸收，产生失配引起的不确定度分量。根据功率测量理论分析，功率测量失配误差可以按以下公式计算：

其误差分布为反正弦分布，故u4=0.002dB

4.5 合成不确定度

100dBμV时

65dBμV时：

扩展不确定度:

U=kuc=0.34dB;k=2(100dBμV)

或

U=kuc=0.46dB;k=2(65dBμV)综上所述，在被校准仪表或电视电平表测量重复稳定时，电压驻波比VSWR≤1.5时，使用该电视信号射频电平测量装置进行测量的扩展不确定度为0.34dB，k=2(100dBμV)至0.46dB，k=2(65dBμV)。