建筑弱电系统概述

6建筑弱电系统所谓弱电，是针对建筑物的动力、照明用电而言的。一般把像动力、照明这样输送能量的电力称为强电；而把传播信号、进行信息交换的电能称为弱电。强电系统可以把电能引入建筑物，经过用电设备转换为机械能、热能和光能等；而弱电系统则完成建筑物内部和内部及内部和外部间的信息传递与交换。本章内容6.1电缆电视系统6.2建筑电话通信系统6.3建筑电气消防系统6.4保安系统6.1电缆电视系统电缆电视系统早期被称为共用天线电视系统，其英文缩写为CATV。顾名思义，共用天线电视系统就是允许多台用户电视机共用一组室外天线来接收电视台发射的电视信号，经过信号处理后通过电缆将信号分配给各个用户系统。无论是共用天线电视系统、有线电视系统还是闭路电视系统都是利用电缆进行传送信号的。仅在传输的频道数量上、传送方式上、系统的规模功能上存在一定的差别。6.1.1概述任何一个电缆电视系统无论多么复杂，均可认为是由前端、干线传输、用户分配网络三个部分组成。如图6.1所示，分别简述如下。6.1.2电缆电视系统的组成和分类6.1.2.1系统的组成图6.1电缆电视系统组成框图(1)前端部分前端是由天线、天线放大器、混合器和宽带放大器组成。它的功用是把收到的各种电视信号，经过处理后送入分配网络。而分配网络的作用是使用成串的分支器或成串的串接单元，将信号均匀分给各用户接收机。(2)干线传输部分组成该部分的主要器件包括：干线放大器、电缆或光缆、斜率均衡器、电源供给器、电源插入器等。干线传输部分的任务是把前端输出的高质量信号尽可能保质保量地传送给用户分配系统，若是双向传(3)用户分配系统主要的部件有：线路延长放大器、分配放大器、分支器、分配器、用户终端、机上变换器等，对于双向系统还有调制器、解调器、数据终端等设备。该部分是把干线传输来的信号分配给系统内所有的用户，并保证各个用户的信号质量，对于双向传输还需把上电缆电视系统的基本组成如图6.2所示。图6.2电缆电视系统图6.1.2.2系统的分类1)按工作频率分类(1)全频道系统。该系统工作频率为48.5～958MHz，其中VHF频率段有DS1～DS12频道，UHF频段有DS13～DS68频道，在理论上可以容纳68个标准频道。(2)邻频传输系统。由于国家规定的68个标准频道的频率是不连续的、跳跃的，因此在系统内部可以利用这些不连续的频率来设置增补频道，用Z来表示。750MHz系统最多可以传输79个频道的信号，其中有DS1～DS42标准频道、Z1～Z37增补频道。2)(1)小型系统：传输距离小于1.5km，人口数量为几万人以下，适用于乡、镇、厂矿企业及居民区等。(2)中型系统：传输距离为5～15km，人口数量在50(3)大型系统：传输距离大于15km，人口在100万(4)特大型系统：传输距离大于20km，人口在100万以上，适用于大城市。3)按系统传输方式分类(1)全同轴电缆传输系统。该系统适用于小型系统。(2)光缆和同轴电缆相结合的传输系统。适用于中(3)光缆传输系统。该系统从干线到用户终端均采(4)混合型传输系统。该系统除采用光缆和电缆外，在地形复杂或不易设置电缆的地区采用微波传输信号。在电视技术中常用dB（分贝）的概念以简化电压、电流和功率的增益量或衰减量的计算过程。分贝计算基于对数运算。分贝的定义是例如一个放大器，如果输出功率为Po，输入功率为Pi，则其功率放大倍数为KP=Po/Pi。6.1.3技术术语6.1.3.1分贝的概念210PdB1P数lg用分贝来表示，功率放大倍数的dB为了与功率放大倍数KP相区别，通常将KP（dB）叫做“功率增益”，用GPP=U2/R故当两功率P1、P2的负载相同，同为电阻R时，分贝又可以定义为：i()1010lg()PppKdBKdBoPlg222P211UUR1020lgGUURdB数lg＝【例6.1】有1、2两个放大器串联（图6.3）。放大器１：输入100μV时，输出为200μV；输入为300μV时，输出为600μV。放大器２：输入200μV时，输出为2mV；输入为600μV时，输出为6mV。求其总的增益。【解】对放大器1U2/U1=200/100=600/300=2图6.3放大器的串接GP1=20lg(U2/U1)＝20lg2＝6dB即放大器1的增益为6dB对放大器2：U2/U1=2×1000/200=6×1000/600=10GP2＝20lg(U2/U1)＝20lg10＝20dB即放大器2的增益为20dBGP=GP1+GP2=6+20＝26dB【例6.2】当从天线上输入的信号电压为100μV，天线至放大器的线路损耗为3dB，放大器的增益为24dB，由放大器到用户插座处的线路损耗为9dB，试求用户处所得到的信号电压（图6.4【解】GP=-3+24-9＝12dB求得：电压比=Uo/Ui=4/1故当输入电压为100μV时，其输出电压则为400μV图6.4利用分贝进行计算6.1.3.2标准参考电平如果在电压增益的表示式中，将输入信号Ui设定为一标准电平，那么此时的dB数值便可相对表示出输出信号Uo电平的大小。在电缆电视系统中，其标准电平为1μV（微伏）（在75Ω条件下），当输出电平为1μV时相应分贝数，称为0dBμV。例如，一个相对电平为10μV的信号电压，可视为较标准电平（1μV）增大了10倍，这个10μV即可表示为20dBμV，称为20dB的分贝增益。表6.1给出了几个dBμV值与电平值的对应关系。【例6.3】图6.5中，6dB放大器的输入信号电平为100μV，图6.5分贝的应用【解】当所计算的电路中包含有许多增益量和衰减量时，首先将输入或输出电压变换成相应的dBμV值，然后直接用分贝数相加（增益）、相减（衰减），即可求得结果。放大器输入电平为100μV，它的对应dBμV是40dBμV，见表6.1，所以在放大器输出端的信号电平为40+6=46dBμV。转化为电压则为46dBμV＝200μV。表6.1分贝增益值与电平对照表6.1.3.3插入损耗与分支衰减图6.6是一个一分支器接入主线路的示意图。其中（x-y）dBμV称为插入损耗。它为将分支器插入电路后，在主线输出中所引起的信号电平的衰减量，表示接入分支器后损失能量的多少，因此我们希望分支器的插入损耗越小越好。而图6.6中的（x-z）dB称为分支衰减，它表示信号电平经分支器后，在分支线输出中所引起的衰减量（以分贝计算）。图6.6分支器的插入损耗及分支损耗6.1.3.4反向隔离和分支隔离反向隔离亦称为反向耦合衰减量，它表示从一个分支输出端加入信号时，转移到分支器输出端所出现的损失。这个值越大，表示抗干扰能力越强，分支器的反向隔离一般要求在25dB以上。分支隔离也称为相互隔离，它为分支端间耦合衰减量，表明分支器分支端子间相互产生干扰程度的量。当一个分支器有几个分支输出端时，在其中一个分支输出端加入的信号电平与另一个分支端得到的信号电平之差，即为分支隔离。6.1.3.5长线和短线凡传输线的几何长度等于或大于所传送的交流电的波长时称长传输线，简称长线；几何长度小于所传送的交流电的波长时，称短传输线，简称短线同一根馈线，因传输的电磁波的波长不同可能是在长线上，沿线各点的电流及电压在同一时间是大小不等、相位不同的，因此不服从欧姆定律和基尔霍夫定律。可以把长线看成是由许多分布电感、分布电容、电阻和电导组成的链式网络，其等效电路如图6.7所示图6.7传输线路的等效电路图6.1.3.6馈线与负载的匹配馈线的特性阻抗Z0与负载阻抗ZL相等，称馈线与负载相匹配。此时由馈线始端送出的信号全部被负载所吸收，馈线上只有入射波而不存在反射波，这时馈线上传输的波是沿馈线行进的，称为行波。其合成波是驻定作周期性上下振动的波，这种波的最大值（波腹）与最小值（波节）出现的位置是固定的，不随时间而变，称为驻波。见图6.8。当馈线终端接上不等于特性阻抗的任意负载时，负载不能全部吸收自馈线始端输入来的高频能量，只有一部分被吸收而另一部分则反射回去。于是吸收的部分在馈线上形成行波，反射的部分与入射波叠加后在馈线上形成驻波。见图6.9。令驻波波腹电压（或电流）幅度对波节电压（或电流）幅度之比称为驻波系数。图6.8长线上的驻波图6.9终端不匹配时馈线上的驻波6.1.3.7交扰调制和互扰调制交调一般是由高电平频道的同步信号调制到低电平频道的电视信号上，当采用同一个放大器放大多个信号时，由于放大器的非线性影响而产生的干扰信号。交调在电视机画面上的表现为白而宽的条带，从左向右移动，即所谓“擦窗机现象互调干扰是由于多个频道的相互混频而形成了新的频率成分，而这些新的频率成分又会对某些特定频道的信号产生干扰，这种干扰在电视机画面上呈网状干扰图像。互调与输出电平有关，输出电平越高互调会越坏。天线是接收空间电视信号的元件。前端设备主要包括天线放大器、混合器、主干放大器等。图6.10给出了较为典型的一种前端方案。天线放大器的作用是提高接收天线的输出电平，它的输入电平一般为50～60dB，输出电平一般为90dB。混合器的作用是将不同输入端的信号混合在一起，使用它可以消除因不同天线接收同一信号而互相叠加所产生的重影现象。6.1.4主要器件的功能和电气特性6.1.4.1天线及前端设备主放大器的作用是补偿传输网络中的信号损失，它的输入电平一般为80～90dB，输出电平一般为110dB。主放大器多采用宽带放大器。对1～12频道的信号进行放大者称为VHF全频道放大器，简称V型放大器。对13～68频道的信号放大者称为UHF全频道放大器或简称为U型放大器。图6.10开路电视与闭路电视的混合6.1.4.2传输分配网络分配网络分为有源和无源两类。无源分配网络只有分配器、分支器和传输电缆等无源器件，其可连接的用户较少。有源分配网络增加了线路放大器，因而其所接用户数可以增多。1)分配器分配器的功能是将一路输入信号的能量均等地分配给两个或多个输出的器件。常见的有二分配器、三分配器、四分配器。(1)输入阻抗和输出阻抗：均为75Ω(2)驻波比：表示阻抗匹配的程度。理想匹配情况，驻波比等于1，实际上大于1(3)分配损耗：为输入电平与输出电平之差，分配损耗一部分是等分信号的衰减，另一部分为分配器本(4)隔离度：隔离度越大，相互影响越小，一般要求大于20dB2)分支器是串在干线中，从干线耦合部分信号能量，然后分一路或多路输出的器件。在输入端加入信号时，主路输出端加上反向干扰信号时，对主路输出应无影响。所以分支器又称为定向耦合器。(1)插入损耗：等于输入端与输出端电平之差，它(2)分支损耗：也称耦合损耗或者分支衰减，等于分支器主路输出端电平与分支输出端电平之差，它表(3)反向隔离：(4)分支隔离：亦称相互隔离或分支输出间耦合衰减量。3)图6.11为全部采用分配器的“分配－分配”方式。图6.12为全部采用分支器的分配方式，称为“分支”方式。图6.13为全部采用分支器的“分支－分支”方式。图6.14用于终端不空载、分段平面辐射形的用户分配，称为“分支－分配”方式。图6.15用于用户端垂直位置相同、上下成串的多图6.16示出各种“串联分支”方式。4)在以上各分配系统中各元件之间均用馈线连接，它是提供信号传输的通路，分为主干线、干线、分支线等。主干线接在前端与传输分配网络之间。干线用于传输分配网络中信号的传输，分支线用于分配网络与用户终端的连接。馈线应能以最小的损耗有效地传输馈线一般有两种类型：平行馈线和同轴电缆。(1)平行馈线平行馈线由两根平行导线组成，导线之间用聚氯乙烯或聚乙烯一类绝缘材料固定。平行导线对地电容相等，对于杂散干扰信号所感应的电流会互相抵消，称为平衡式或对称式馈线，特性阻抗为300Ω(2)同轴电缆同轴电缆是由一根导线作芯线和外层屏蔽铜网组成，内外导体间填充以绝缘材料，外包塑料皮，见图6.17。因铜网接地，两导体对地不对称，故称为不对称式或不平衡式馈线对于馈线主要具有以下两个特性参数。①特性阻抗无限长传输线上各点电压与电流的比值称为该传输线的特性阻抗，用符号Z0②衰减量信号在馈线里传输时