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最广泛的视频传输线。同轴视频传输技术,也是监控系统中的一种最基本传输方式。“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;
2、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最好价格最低的电缆,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;
3、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;
4、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;这是影响图像质量最关键的特性,也是工程中最容易被忽视的问题;
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,而视频传输最后又体现为图像,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:只用一级末端补偿(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电缆头接地不良引起的。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电缆头接地不良,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。
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、接触不良、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(1
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