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重新认识同轴电缆与同轴视频传输技术

重新认识同轴电缆与同轴视频传输技术
 
 
本文以科学实验研究为依据,给出了监控工程常用同轴电缆的视频传输特性,指出了应用中的一些误解和误区.对干扰产生原理提出了更加切合实际的解释.归纳分析了实用的抗干扰措施,介绍了同轴抗干扰技术新进展——抗干扰同轴电缆原理和应用前景。
   同轴电缆仍然是目前监控系统中应用*广泛的视频传输线。同轴视频传输技术,也是监控系统中的一种*基本传输方式。“同轴电缆到底能传多远”?同轴视频传输技术、抗干扰技术到底现在发展到了什么水平?深入了解同轴电缆的传输特性,掌握同轴视频传输技术的现状与发展,对提高监控系统图像质量,改进系统设计,有效降低系统造价,仍然是有现实意义和积极意义的。
  一、      工程常用同轴电缆类型及性能:
  1)     SYV75-3、5、7、9…,75欧姆,聚乙烯绝缘实心同轴电缆。近些年有人把它称为“视频电缆”;
  2)     SYWV75-3、5、7、9…75欧姆,物理发泡聚乙烯绝缘同轴电缆。有人把它称为“射频电缆”;
  3)      基本性能:
  l      SYV物理结构是100%聚乙烯绝缘;SYWV是发泡率占70-80%的物理发泡聚乙烯绝缘电缆;
  l     由于介电损耗原因,SYV实心电缆衰减明显要大于SYWV物理发泡电缆;在常用工程电缆中,目前物理发泡电缆仍然是传输性能*好价格*低的电缆,在视频、射频、微波各个波段都是这样的。厂家给出的测试数据也说明了这一点;
  l      同轴电缆都可以在直流、射频、微波波段应用。按照“射频”/“视频”来区分电缆,不仅依据不足,还容易产生误导:似乎视频传输必须或只能选择实心电缆(选择衰减大的,价格高的?);从工程应用角度看,还是按“实芯”和“发泡”电缆来区分类型更实用一些;
  l     高编(128)与低编(64)电缆特性的区别:eie实验室实验研究表明,在200KHz以下频段,高编电缆屏蔽层的“低电阻”起主要作用,所以低频传输衰减小于低编电缆。但在200-300KHz以上的视频、射频、微波波段,由于“高频趋肤效应”起主要作用,高编电缆已失去“低电阻”优势,所以高频衰减两种电缆基本是相同的。
  二、      了解同轴电缆的视频传输特性——“衰减频率特性”
  同轴电缆厂家,一般只给出几十到几百兆赫的几个射频点的衰减数据,都还没有提供视频频段的详细数据和特性;eie实验室对典型的SYWV75-5、7/64编电缆进行了研究测试,结果如下图一:

  同轴传输特性基本特点:
  1.     电缆越细,衰减越大:如75-7电缆1000米的衰减,与75-5电缆600多米衰减大致相当,或者说1000米的75-7电缆传输效果与75-5电缆600多米电缆传输效果大致相当;
  2.     电缆越长,衰减越大:如75-5电缆750米,6M频率衰减的“分贝数”,为1000米衰减“分贝数”的75%,即15db;2000米(1000+1000)衰减为20+20=40db,其他各频率点的计算方法一样。依照上面1000米电缆测试数据,计算不同长度电缆衰减时,请记住“分贝数是加碱关系”或“衰减分贝数可以按照长度变化的百分比关系计算”,就可以灵活运用了;
  3.     频率失真特性:低频衰减少,高频衰减大。高/低边频衰减量之差,可叫做“边频差值”,这是一个十分重要参数。电缆越长,“边频差值”越大;充分认识和掌握同轴电缆的这种“频率失真特性”,这在工程上具有十分重要的意义;这是影响图像质量*关键的特性,也是工程中*容易被忽视的问题;
  三、      工程应用设计要点
  网上技术论坛里经常有人问:75-5电缆能传多远?回答有300米,500米,600米,还有说1000多米也可以的。为什么会有这么多答案呢?原因是没有一个统一的标准。既然工程中同轴电缆是用来传输视频信号的,而视频传输*后又体现为图像,所以谈同轴电缆和同轴视频传输技术应用,就离不开图像质量,离不开决定图像质量的“视频传输质量”和标准。
  1.     视频传输标准的参数很多,这里仅举一个十分重要的“频率特性”例子来理解。视频图像信号是由0-6M不同频率分量组成的。低频成分主要影响亮度和对比度,高频分量主要影响色度、清晰度和分辨率。显然,对视频传输的基本要求,不是只恢复摄像机原信号亮度、对比度就行了,而且还必须恢复摄像机原信号中各种频率份量的相对比例关系。“恢复”不可能是100%,而是允许有一个“失真度”范围要求的标准。这个“标准”的“失真度范围”,在图像上用肉眼应该是分辨不出来的。反过来说,如果在图像上已经能够观察出一点“失真”了,那不管你主观认为图像“还行,可以,不错”甚至“双方认可验收”等等,这时的视频传输质量,都是“不合格的”。要把工程图像做好,首先就应该选择合格的传输设备,追求视频传输质量符合标准。这一点,从网站技术论坛讨论的情况看,还远没引起足够认识。宏观来看,我国监控行业发展了20多年,工程图像质量不仅没有提高反而有些下降,这不能不引起我们的关注和思考。
  2.      “视频传输”标准:
       由图二可见,对于视频传输,我国广播级视频失真度标准要求如图a):5M以下幅频特性误差范围为±0.75db,  即91.7—109%;6M频点为70.7—109%;监控行业的要求略低一些,如图b),0—6M全范围为±1.5db,即84—118.8%;这个传输频率特性要求,与一般“3db通频带”的概念一样;这里须强调:要保证图像质量,视频传输系统(产品)的频率失真范围应小于3db;“3db带宽”这个标准,适用于光缆、射频、微波、同轴和双绞线等各种视频传输系统产品;这是为了保证图像质量,对视频传输系统的要求。但还有一个误区:在工程中还是有不少人用主观评价“工程图像质量好坏”,甚至于用双方是否认可验收来说明“传输系统(设备)”是否合格,这就有些本末倒置了。工程商这么做可能是“糊涂”;传输设备厂家如果这么做,那可就是“蒙人”了,如果再利用媒体这么宣传,那就是诚心“误导”了。
  3..摄像机信号不加放大补偿,只用同轴电缆传输时,按照“3db带宽”这个标准要求,并结合上面的电缆衰减特性,75-5电缆,不超过3db失真度的电缆长度计算方法是:1000米20db,20/3=6.67,1000/6.67=150米,75-7电缆为236米。不同厂家不同批次的电缆特性有一定差别,实际工程设计中,参照这个数据设计和施工,图像质量一般会有保证的。(准确计算应按照“边频差值”计算,上面计算忽略了低频衰减——原作注)
  4.实心聚乙烯绝缘电缆,衰减量大于物理发泡电缆。所以3db带宽有效传输距离少于上面计算值,工程上大致可按90%左右估算。如实芯75-5电缆“3db带宽”传输距离大约为150*0.9=135米;
   5.高编电缆:尽管200k以下的衰减小于低编电缆,但200-300k以上的传输衰减与低编电缆一样,所以3db带宽传输距离,反而低于上述计算值,这是由于高编电缆的“边频差值”更大的因素造成的,“边频差值”越大,放大补偿的难度越大;
  6.同轴电缆加放大补偿的视频传输方式:这时系统传输特性是同轴电缆的衰减频率特性和放大补偿的“增益频率特性”之和,放大补偿的“增益频率特性”,应该能有效补偿电缆的频率衰减特性,且二者应该始终保持相反、互补关系,这才可以有效扩展同轴电缆的传输距离。目前这项同轴视频传输技术,产品已经达到的技术水平是:只用上等末端补偿(无前端无中继),75-5电缆在2km,75-7电缆在3km范围以内的任意距离上,都可以实现上述传输标准;传输距离和传输质量已经和多模光端机相当,而在传输成本、施工维护和图像质量可控恢复功能方面,都具有独特的实用优势和竞争优势;这就是说,同轴视频传输技术,以将有效监控范围扩展到了2-3公里,且是我国自有知识产权技术。
  7.工程中确有不少工程是按照“只要图像质量双方认可验收”就是“硬道理”的做法,这实际是无标准可言,不属本文讨论范围。不过这里可以进一言:还是多做些有影响的样板工程才是长远之计;
  四、同轴电缆的抗干扰性能
   [工程经验]:一路本来没有干扰的图像,运行中偶然出现了干扰,经检查是BNC电缆头接地不佳引起的。重新焊好后,干扰消失了,图像恢复正常。
这说明什么问题呢?一是说明周围环境确有外界电磁干扰存在,二是说明在正常情况下,同轴电缆可以把这类干扰屏蔽掉,三是说明BNC电缆头接地不佳,破坏了电缆的屏蔽性能,使原来已经被屏蔽掉的干扰,在新的条件下又显现出来了。这就是我们探讨干扰产生原理的启发点。对于干扰的探讨,eie实验室的研究成果表明:
  1.     同轴干扰形成原理:就像天线接收电磁波原理一样,电缆外部客观存在的交变电磁场,可以在电缆外导体上产生干扰感应电流——干扰感应电流在电缆“纵向电阻(阻抗)”Rd上,会形成干扰感应电动势(电压)Vi——干扰感应电动势刚好串联在视频信号传输回路里,与视频信号一起加到末端负载Rh上,形成了干扰。这就是同轴干扰形成原理,见图三。
     
  2.     显然:当电缆外导体电阻很小,或当外界电磁干扰不是很强,感应电流很小,感应电动势也就很小,而且远远小于视频信号,这时就可以认为“没有干扰”。这就是同轴电缆屏蔽干扰的作用;
  3.     在上面工程经验中,当Q9头没有焊接好、接触不佳、编织层在穿管时被拉断、或在电梯随行电缆中,长时间反复弯曲加上垂直重力作用编织层被逐步拉断时,都会造成外导体电阻增加,导致“干扰感应电压”升高,视频信号传输效率(分压比例)降低,使原来没有显现出来的“干扰”也出现了;
  4.     工程中的“地电位”干扰也是通过同轴电缆外导体电阻才起作用的,所以单端接地可有效排除;
  5.     四屏蔽高编(128)电缆外导体电阻比低编电缆小,所以形成的干扰感应电动势也要低一些,这种“低一些”的效果,只是对低频干扰而言的(欧姆电阻为主)。对于高频干扰,由于趋肤效应,高、低编电缆的表面阻抗基本一样,所以对高频的抗干扰效果区别不大;需要明确的是:与低编电缆比较,四屏蔽高编(128)电缆这种能够“适当减弱”低频干扰的效果,其减弱程度是与两种电缆外导体电阻成反比关系;工程上值得认真考虑的是这点减弱干扰的效果,与高编电缆的高投入成本是否值得?
  五、视频传输中的抗干扰措施
  工程中产生干扰的情况很多很复杂,但可以大致分为两大类:一类是电缆传输线路“外部电磁干扰”的入侵,如地电位干扰、电台干扰、电火花干扰、并行电缆耦合干扰等。这是影响较大、设计和施工中又很难预测的干扰。第二类是两端设备问题和故障引入的干扰,如设备电源故障引来的50/100周电源干扰,或开关电源的高频电源干扰等,不妨把这一类叫着“内部干扰”,这部分比较好解决。我们主要谈一类的外部干扰。工程中比较成熟的经验有:
  1.      防止 “地电位”的单端接地或不接大地;
  2.     电缆穿金属管,或走金属线槽;此法十分有效,但成本较高,施工有一定复杂度;
  3.      埋地;
  4.      “远离”其他动力电缆或信号控制电缆,并尽量避免或减少并行;
  5.      集中供电和控制信号传输采用屏蔽电缆,但屏蔽层不能两端都接视频地;
  6.      施工穿管时,把“布线这种粗活”在当地雇临时工来做,结果多处拉断同轴电缆编织网,使外导体电阻增大,产生干扰,这种情况十分多。但这属于可以避免,发生概率又*高的“人为因素”。
  7.     电缆中间接头连接方法,不是采用F型接头和双通连接,而是采用“焊接”或“扭接”的方法,这就破坏了电缆的同轴性和特性阻抗的连续性,容易引起反射和干扰。这属于经验不足的人为因素;
  8.      采用抗干扰器,用平衡抵销原理抗干扰。但局限性较大,现场调试交麻烦;
  六、同轴抗干扰技术新进展——抗干扰同轴电缆
  在外部强干扰源仍然存在的情况下,为什么电缆穿金属管,或走金属线槽后,就可以有效抗干扰呢?正确的回答也应该是“屏蔽的效果”。那么这种屏蔽和四屏蔽电缆的屏蔽又有什么不同呢?
  eie实验室研究结果表明,两种屏蔽情况的根本区别在于“感应电动势是否串联在视频信号的传输回路中”?从上面“同轴电缆的抗干扰性能”一节分析已经知道,干扰在四屏蔽(铝箔+64编网+铝箔+64编网)电缆上形成的干扰感应电动势,仍然是串联在视频信号的传输回路中,所以它的效果只能是“减弱”干扰,而不是真正意义上的抗干扰;“穿管”的情况就不同了,尽管:外界电磁干扰也会在“金属管”上产生感应电动势,但这个感应电动势与视频信号的传输回路是绝缘隔离的,所以才不会对视频信号形成干扰。这也是彻底解决同轴电缆抗干扰性能的出路所在。
拥有我国自有知识产权的“e电缆”,实际是一种“双绝缘双屏蔽同轴电缆”(详见[url]www.eie-cn.com[/url]网站的技术交流,挑战同轴视频干扰一文),其“芯线——一绝缘层——一屏蔽层”仍然组成标准的SYWV75-5电缆,视频信号传输回路的“地”,仍然是一屏蔽层;外面的第二屏蔽层才是真正的干扰屏蔽层,由于在一、二屏蔽层之间有一个第二绝缘层,这就把第二屏蔽层上的干扰感应电动势,有效排除在视频信号的传输回路之外了。这就是“e电缆”的结构特点和抗干扰原理。
  工程应用和实验测试表明,在视频波段,“e电缆”抗交流电源、交流电机、变频电机和电火花等低频强电磁干扰能力,十分强大,是高编电缆无法比拟的。“e电缆”实际是给同轴电缆设计了一个“随行柔性的屏蔽室”。因此,工程中大都可以免去穿金属管、走金属线槽的麻烦。在普通监控工程中,也可以放宽动力电缆、控制电缆与视频电缆不能近距离并行的要求;对建筑物中超强动力电缆,适当拉开一定距离也可以达到抗干扰目的。
  “e电缆”的开发和成功应用,是同轴抗干扰技术发展的一次技术进步和技术升级,其应用前景是:
  1.      有效提高了同轴电缆的视频传输质量,实现远距离、无干扰视频传输;
  2.     有效扩大了同轴电缆的视频传输范围,配合加权视频放大,传输距离2、3km以上,恢复原图像;
  3.     化简了监控工程的设计和施工难度,降低了抗干扰工程成本。也给无法采用金属管或金属线槽抗干扰措施的电梯监控工程提供了有效的抗干扰技术保障——电梯专用抗干扰同轴电缆。
 
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