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        技術文章

        重新認識同軸電纜與同軸視頻傳輸技術

        重新認識同軸電纜與同軸視頻傳輸技術
         
         
        本文以科學實驗研究為依據,給出了監控工程常用同軸電纜的視頻傳輸特性,指出了應用中的一些誤解和誤區.對干擾產生原理提出了更加切合實際的解釋.歸納分析了實用的抗干擾措施,介紹了同軸抗干擾技術新進展——抗干擾同軸電纜原理和應用前景。
           同軸電纜仍然是目前監控系統中應用*廣泛的視頻傳輸線。同軸視頻傳輸技術,也是監控系統中的一種*基本傳輸方式?!巴S電纜到底能傳多遠”?同軸視頻傳輸技術、抗干擾技術到底現在發展到了什么水平?深入了解同軸電纜的傳輸特性,掌握同軸視頻傳輸技術的現狀與發展,對提高監控系統圖像質量,改進系統設計,有效降低系統造價,仍然是有現實意義和積極意義的。
          一、      工程常用同軸電纜類型及性能:
          1)     SYV75-3、5、7、9…,75歐姆,聚乙烯絕緣實心同軸電纜。近些年有人把它稱為“視頻電纜”;
          2)     SYWV75-3、5、7、9…75歐姆,物理發泡聚乙烯絕緣同軸電纜。有人把它稱為“射頻電纜”;
          3)      基本性能:
          l      SYV物理結構是100%聚乙烯絕緣;SYWV是發泡率占70-80%的物理發泡聚乙烯絕緣電纜;
          l     由于介電損耗原因,SYV實心電纜衰減明顯要大于SYWV物理發泡電纜;在常用工程電纜中,目前物理發泡電纜仍然是傳輸性能*好價格*低的電纜,在視頻、射頻、微波各個波段都是這樣的。廠家給出的測試數據也說明了這一點;
          l      同軸電纜都可以在直流、射頻、微波波段應用。按照“射頻”/“視頻”來區分電纜,不僅依據不足,還容易產生誤導:似乎視頻傳輸必須或只能選擇實心電纜(選擇衰減大的,價格高的?);從工程應用角度看,還是按“實芯”和“發泡”電纜來區分類型更實用一些;
          l     高編(128)與低編(64)電纜特性的區別:eie實驗室實驗研究表明,在200KHz以下頻段,高編電纜屏蔽層的“低電阻”起主要作用,所以低頻傳輸衰減小于低編電纜。但在200-300KHz以上的視頻、射頻、微波波段,由于“高頻趨膚效應”起主要作用,高編電纜已失去“低電阻”優勢,所以高頻衰減兩種電纜基本是相同的。
          二、      了解同軸電纜的視頻傳輸特性——“衰減頻率特性”
          同軸電纜廠家,一般只給出幾十到幾百兆赫的幾個射頻點的衰減數據,都還沒有提供視頻頻段的詳細數據和特性;eie實驗室對典型的SYWV75-5、7/64編電纜進行了研究測試,結果如下圖一:

          同軸傳輸特性基本特點:
          1.     電纜越細,衰減越大:如75-7電纜1000米的衰減,與75-5電纜600多米衰減大致相當,或者說1000米的75-7電纜傳輸效果與75-5電纜600多米電纜傳輸效果大致相當;
          2.     電纜越長,衰減越大:如75-5電纜750米,6M頻率衰減的“分貝數”,為1000米衰減“分貝數”的75%,即15db;2000米(1000+1000)衰減為20+20=40db,其他各頻率點的計算方法一樣。依照上面1000米電纜測試數據,計算不同長度電纜衰減時,請記住“分貝數是加堿關系”或“衰減分貝數可以按照長度變化的百分比關系計算”,就可以靈活運用了;
          3.     頻率失真特性:低頻衰減少,高頻衰減大。高/低邊頻衰減量之差,可叫做“邊頻差值”,這是一個十分重要參數。電纜越長,“邊頻差值”越大;充分認識和掌握同軸電纜的這種“頻率失真特性”,這在工程上具有十分重要的意義;這是影響圖像質量*關鍵的特性,也是工程中*容易被忽視的問題;
          三、      工程應用設計要點
          網上技術論壇里經常有人問:75-5電纜能傳多遠?回答有300米,500米,600米,還有說1000多米也可以的。為什么會有這么多答案呢?原因是沒有一個統一的標準。既然工程中同軸電纜是用來傳輸視頻信號的,而視頻傳輸*后又體現為圖像,所以談同軸電纜和同軸視頻傳輸技術應用,就離不開圖像質量,離不開決定圖像質量的“視頻傳輸質量”和標準。
          1.     視頻傳輸標準的參數很多,這里僅舉一個十分重要的“頻率特性”例子來理解。視頻圖像信號是由0-6M不同頻率分量組成的。低頻成分主要影響亮度和對比度,高頻分量主要影響色度、清晰度和分辨率。顯然,對視頻傳輸的基本要求,不是只恢復攝像機原信號亮度、對比度就行了,而且還必須恢復攝像機原信號中各種頻率份量的相對比例關系?!盎謴汀辈豢赡苁?00%,而是允許有一個“失真度”范圍要求的標準。這個“標準”的“失真度范圍”,在圖像上用肉眼應該是分辨不出來的。反過來說,如果在圖像上已經能夠觀察出一點“失真”了,那不管你主觀認為圖像“還行,可以,不錯”甚至“雙方認可驗收”等等,這時的視頻傳輸質量,都是“不合格的”。要把工程圖像做好,首先就應該選擇合格的傳輸設備,追求視頻傳輸質量符合標準。這一點,從網站技術論壇討論的情況看,還遠沒引起足夠認識。宏觀來看,我國監控行業發展了20多年,工程圖像質量不僅沒有提高反而有些下降,這不能不引起我們的關注和思考。
          2.      “視頻傳輸”標準:
               由圖二可見,對于視頻傳輸,我國廣播級視頻失真度標準要求如圖a):5M以下幅頻特性誤差范圍為±0.75db,  即91.7—109%;6M頻點為70.7—109%;監控行業的要求略低一些,如圖b),0—6M全范圍為±1.5db,即84—118.8%;這個傳輸頻率特性要求,與一般“3db通頻帶”的概念一樣;這里須強調:要保證圖像質量,視頻傳輸系統(產品)的頻率失真范圍應小于3db;“3db帶寬”這個標準,適用于光纜、射頻、微波、同軸和雙絞線等各種視頻傳輸系統產品;這是為了保證圖像質量,對視頻傳輸系統的要求。但還有一個誤區:在工程中還是有不少人用主觀評價“工程圖像質量好壞”,甚至于用雙方是否認可驗收來說明“傳輸系統(設備)”是否合格,這就有些本末倒置了。工程商這么做可能是“糊涂”;傳輸設備廠家如果這么做,那可就是“蒙人”了,如果再利用媒體這么宣傳,那就是誠心“誤導”了。
          3..攝像機信號不加放大補償,只用同軸電纜傳輸時,按照“3db帶寬”這個標準要求,并結合上面的電纜衰減特性,75-5電纜,不超過3db失真度的電纜長度計算方法是:1000米20db,20/3=6.67,1000/6.67=150米,75-7電纜為236米。不同廠家不同批次的電纜特性有一定差別,實際工程設計中,參照這個數據設計和施工,圖像質量一般會有保證的。(準確計算應按照“邊頻差值”計算,上面計算忽略了低頻衰減——原作注)
          4.實心聚乙烯絕緣電纜,衰減量大于物理發泡電纜。所以3db帶寬有效傳輸距離少于上面計算值,工程上大致可按90%左右估算。如實芯75-5電纜“3db帶寬”傳輸距離大約為150*0.9=135米;
           5.高編電纜:盡管200k以下的衰減小于低編電纜,但200-300k以上的傳輸衰減與低編電纜一樣,所以3db帶寬傳輸距離,反而低于上述計算值,這是由于高編電纜的“邊頻差值”更大的因素造成的,“邊頻差值”越大,放大補償的難度越大;
          6.同軸電纜加放大補償的視頻傳輸方式:這時系統傳輸特性是同軸電纜的衰減頻率特性和放大補償的“增益頻率特性”之和,放大補償的“增益頻率特性”,應該能有效補償電纜的頻率衰減特性,且二者應該始終保持相反、互補關系,這才可以有效擴展同軸電纜的傳輸距離。目前這項同軸視頻傳輸技術,產品已經達到的技術水平是:只用上等末端補償(無前端無中繼),75-5電纜在2km,75-7電纜在3km范圍以內的任意距離上,都可以實現上述傳輸標準;傳輸距離和傳輸質量已經和多模光端機相當,而在傳輸成本、施工維護和圖像質量可控恢復功能方面,都具有獨特的實用優勢和競爭優勢;這就是說,同軸視頻傳輸技術,以將有效監控范圍擴展到了2-3公里,且是我國自有知識產權技術。
          7.工程中確有不少工程是按照“只要圖像質量雙方認可驗收”就是“硬道理”的做法,這實際是無標準可言,不屬本文討論范圍。不過這里可以進一言:還是多做些有影響的樣板工程才是長遠之計;
          四、同軸電纜的抗干擾性能
           [工程經驗]:一路本來沒有干擾的圖像,運行中偶然出現了干擾,經檢查是BNC電纜頭接地不佳引起的。重新焊好后,干擾消失了,圖像恢復正常。
        這說明什么問題呢?一是說明周圍環境確有外界電磁干擾存在,二是說明在正常情況下,同軸電纜可以把這類干擾屏蔽掉,三是說明BNC電纜頭接地不佳,破壞了電纜的屏蔽性能,使原來已經被屏蔽掉的干擾,在新的條件下又顯現出來了。這就是我們探討干擾產生原理的啟發點。對于干擾的探討,eie實驗室的研究成果表明:
          1.     同軸干擾形成原理:就像天線接收電磁波原理一樣,電纜外部客觀存在的交變電磁場,可以在電纜外導體上產生干擾感應電流——干擾感應電流在電纜“縱向電阻(阻抗)”Rd上,會形成干擾感應電動勢(電壓)Vi——干擾感應電動勢剛好串聯在視頻信號傳輸回路里,與視頻信號一起加到末端負載Rh上,形成了干擾。這就是同軸干擾形成原理,見圖三。
             
          2.     顯然:當電纜外導體電阻很小,或當外界電磁干擾不是很強,感應電流很小,感應電動勢也就很小,而且遠遠小于視頻信號,這時就可以認為“沒有干擾”。這就是同軸電纜屏蔽干擾的作用;
          3.     在上面工程經驗中,當Q9頭沒有焊接好、接觸不佳、編織層在穿管時被拉斷、或在電梯隨行電纜中,長時間反復彎曲加上垂直重力作用編織層被逐步拉斷時,都會造成外導體電阻增加,導致“干擾感應電壓”升高,視頻信號傳輸效率(分壓比例)降低,使原來沒有顯現出來的“干擾”也出現了;
          4.     工程中的“地電位”干擾也是通過同軸電纜外導體電阻才起作用的,所以單端接地可有效排除;
          5.     四屏蔽高編(128)電纜外導體電阻比低編電纜小,所以形成的干擾感應電動勢也要低一些,這種“低一些”的效果,只是對低頻干擾而言的(歐姆電阻為主)。對于高頻干擾,由于趨膚效應,高、低編電纜的表面阻抗基本一樣,所以對高頻的抗干擾效果區別不大;需要明確的是:與低編電纜比較,四屏蔽高編(128)電纜這種能夠“適當減弱”低頻干擾的效果,其減弱程度是與兩種電纜外導體電阻成反比關系;工程上值得認真考慮的是這點減弱干擾的效果,與高編電纜的高投入成本是否值得?
          五、視頻傳輸中的抗干擾措施
          工程中產生干擾的情況很多很復雜,但可以大致分為兩大類:一類是電纜傳輸線路“外部電磁干擾”的入侵,如地電位干擾、電臺干擾、電火花干擾、并行電纜耦合干擾等。這是影響較大、設計和施工中又很難預測的干擾。**類是兩端設備問題和故障引入的干擾,如設備電源故障引來的50/100周電源干擾,或開關電源的高頻電源干擾等,不妨把這一類叫著“內部干擾”,這部分比較好解決。我們主要談一類的外部干擾。工程中比較成熟的經驗有:
          1.      防止 “地電位”的單端接地或不接大地;
          2.     電纜穿金屬管,或走金屬線槽;此法十分有效,但成本較高,施工有一定復雜度;
          3.      埋地;
          4.      “遠離”其他動力電纜或信號控制電纜,并盡量避免或減少并行;
          5.      集中供電和控制信號傳輸采用屏蔽電纜,但屏蔽層不能兩端都接視頻地;
          6.      施工穿管時,把“布線這種粗活”在當地雇臨時工來做,結果多處拉斷同軸電纜編織網,使外導體電阻增大,產生干擾,這種情況十分多。但這屬于可以避免,發生概率又*高的“人為因素”。
          7.     電纜中間接頭連接方法,不是采用F型接頭和雙通連接,而是采用“焊接”或“扭接”的方法,這就破壞了電纜的同軸性和特性阻抗的連續性,容易引起反射和干擾。這屬于經驗不足的人為因素;
          8.      采用抗干擾器,用平衡抵銷原理抗干擾。但局限性較大,現場調試交麻煩;
          六、同軸抗干擾技術新進展——抗干擾同軸電纜
          在外部強干擾源仍然存在的情況下,為什么電纜穿金屬管,或走金屬線槽后,就可以有效抗干擾呢?正確的回答也應該是“屏蔽的效果”。那么這種屏蔽和四屏蔽電纜的屏蔽又有什么不同呢?
          eie實驗室研究結果表明,兩種屏蔽情況的根本區別在于“感應電動勢是否串聯在視頻信號的傳輸回路中”?從上面“同軸電纜的抗干擾性能”一節分析已經知道,干擾在四屏蔽(鋁箔+64編網+鋁箔+64編網)電纜上形成的干擾感應電動勢,仍然是串聯在視頻信號的傳輸回路中,所以它的效果只能是“減弱”干擾,而不是真正意義上的抗干擾;“穿管”的情況就不同了,盡管:外界電磁干擾也會在“金屬管”上產生感應電動勢,但這個感應電動勢與視頻信號的傳輸回路是絕緣隔離的,所以才不會對視頻信號形成干擾。這也是徹底解決同軸電纜抗干擾性能的出路所在。
        擁有我國自有知識產權的“e電纜”,實際是一種“雙絕緣雙屏蔽同軸電纜”(詳見[url]www.eie-cn.com[/url]網站的技術交流,挑戰同軸視頻干擾一文),其“芯線——一絕緣層——一屏蔽層”仍然組成標準的SYWV75-5電纜,視頻信號傳輸回路的“地”,仍然是一屏蔽層;外面的**屏蔽層才是真正的干擾屏蔽層,由于在一、二屏蔽層之間有一個**絕緣層,這就把**屏蔽層上的干擾感應電動勢,有效排除在視頻信號的傳輸回路之外了。這就是“e電纜”的結構特點和抗干擾原理。
          工程應用和實驗測試表明,在視頻波段,“e電纜”抗交流電源、交流電機、變頻電機和電火花等低頻強電磁干擾能力,十分強大,是高編電纜無法比擬的?!癳電纜”實際是給同軸電纜設計了一個“隨行柔性的屏蔽室”。因此,工程中大都可以免去穿金屬管、走金屬線槽的麻煩。在普通監控工程中,也可以放寬動力電纜、控制電纜與視頻電纜不能近距離并行的要求;對建筑物中超強動力電纜,適當拉開一定距離也可以達到抗干擾目的。
          “e電纜”的開發和成功應用,是同軸抗干擾技術發展的一次技術進步和技術升級,其應用前景是:
          1.      有效提高了同軸電纜的視頻傳輸質量,實現遠距離、無干擾視頻傳輸;
          2.     有效擴大了同軸電纜的視頻傳輸范圍,配合加權視頻放大,傳輸距離2、3km以上,恢復原圖像;
          3.     化簡了監控工程的設計和施工難度,降低了抗干擾工程成本。也給無法采用金屬管或金屬線槽抗干擾措施的電梯監控工程提供了有效的抗干擾技術保障——電梯專用抗干擾同軸電纜。
         
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