Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии
Рис. 10.3.1. Передача видеосигнала по коаксиальному кабелю
Рис. 10.3.2. Теоретическое представление коаксиального кабеля
При использовании короткого кабеля эта схема оказывает незначительное влияние на сигнал, но если кабель более длинный, ее влияние становится заметным. В последнем случае совокупность элементов R, L и С становится столь существенной, что действует как грубый фильтр нижних частот, который, в свою очередь, воздействует на амплитуду и фазу различных компонентов видеосигнала. Чем выше частоты сигнала, тем больше на них влияют неидеальные свойства кабеля.
Каждый кабель имеет однородное строение и собственный характеристический импеданс (полное сопротивление), который определяется элементами R, L, С и G на единицу длины.
Главное преимущество несимметричной передачи видеосигнала (о чем будет сказано несколько позже) основано на том, что характеристический импеданс передающей среды не зависит от частоты (это относится, главным образом, к средним и высоким частотам), в то время как сдвиг фазы пропорционален частоте.
Амплитудные и фазовые характеристики коаксиального кабеля на низких частотах в большой степени зависят от самой частоты, но так как в подобных случаях длина кабеля достаточно мала по сравнению с длиной волны сигнала, то влияние на передачу сигнала оказывается незначительным.
Когда характеристический импеданс коаксиального кабеля соответствует выходному импедансу источника видеосигнала и входному импедансу приемного устройства, происходит максимальная передача энергии между источником и приемником.
Для высокочастотных сигналов, каким является видеосигнал, согласование полного сопротивления имеет первостепенную важность. Когда импеданс не согласован, видеосигнал целиком или частично отражается назад к источнику, воздействуя не только на выходной каскад, но и на качество изображения. Отражение 100 % сигнала происходит, когда конец кабеля либо замкнут накоротко, либо оставлен открытым (незамкнут). Вся (100 %) энергия сигнала (напряжение х ток) передается только тогда, когда есть согласование между источником, средствами передачи и приемником. Вот почему мы настаиваем на том, чтобы последний элемент в цепи видеосигналов всегда заканчивался 75 Ом.
В видеонаблюдении принят характеристический импеданс 75 Ом для всего оборудования, передающего или принимающего видеосигналы. Поэтому нужно использовать коаксиальный кабель с полным сопротивлением 75 Ом. Но производители выпускают и другое оборудование, например 50 Ом (которое в отдельных случаях используется для вещательного или ВЧ-оборудования), но тогда между такими источниками и 75-омными приемниками должны использоваться преобразователи импеданса (пассивные или активные).
Рис. 10.4. Оплеточная машина для коаксиального кабеля
Согласование импеданса также необходимо при использовании передатчиков и приемников с кабелем витой пары, о чем мы поговорим ниже.
75 Ом коаксиального кабеля — это комплексное сопротивление, определяемое отношением напряжения/тока в каждой точке кабеля. Это не активное сопротивление, и поэтому его нельзя измерить обычным мультиметром.
Чтобы вычислить характеристический импеданс, мы воспользуемся электромагнитной теорией и представим кабель эквивалентной схемой, состоящей из элементов R, L, С и G на единицу длины.
Полное сопротивление этой схемы:
Zс = SQRT((R + jωL)/(G + jωC)) (48)
где, как уже объяснялось, R — сопротивление, L — индуктивность, G — проводимость и С — емкость между центральной жилой и экраном на единицу длины. Символ j — это мнимая единица (квадратный корень из -1), которая используется для представления комплексного сопротивления, ω = 2πf, где — f частота.
Если коаксиальный кабель имеет достаточно короткую длину (меньше двухсот метров), то R и G можно пренебречь, и в результате мы получим упрощенную формулу для полного сопротивления коаксиального кабеля:
Zc = SQRT(L/C) (49)
Эта формула означает, что характеристический импеданс не зависит от длины кабеля и частоты, но зависит от емкости и индуктивности на единицу длины. Однако, это не так, если длина кабеля (например, RG-59/U) превышает двести метров. В этом случае сопротивление и емкость имеют значение и оказывают влияние на видеосигнал. Ну а для достаточно коротких кабелей вышеприведенная аппроксимация вполне подходит.
Ограничения кабеля являются, главным образом, результатом накопленного сопротивления и емкости, которые настолько высоки, что упомянутое приближение (49) перестает работать, и сигнал получает значительные искажения. Это происходит, в основном, в форме падения напряжения, высокочастотной потери и групповой задержки.
В видеонаблюдении чаще всего используется коаксиальный кабель RG-59/U, который может успешно и без корректоров передавать ч/б сигналы на расстояние до 300 м и цветные — на расстояние до 200 м.
Еще один популярный кабель — это RG-11/U, более толстый и дорогой. Максимальная рекомендованная длина для него — до 600 м для ч/б сигнала и 400 м для цветного сигнала. Существуют также более тонкие коаксиальные кабели с импедансом 75 Ом и диаметром всего 2.5 мм и даже плоские коаксиальные кабели. Они очень удобны для перегруженных участков передачи множества видеосигналов, например, многовходовых матричных коммутаторов. Максимальная длина такого кабеля намного меньше, чем у толстых кабелей, но ее вполне достаточно для соединений и перемычек. Обратите внимание, что эти цифры могут варьироваться у разных производителей и в зависимости от ожидаемого качества сигнала.
Рис. 10.5. Сравнение физических размеров коаксиальных кабелей
За различие между максимальной длиной кабеля для передачи ч/б и цветного сигнала отвечает цветовая поднесущая 4.43 МГц для системы PAL или 3.58 для системы NTSC. Поскольку длинный коаксиальный кабель действует как фильтр нижних частот, то влияние на цветовую информацию будет сказываться быстрее, чем на нижние частоты, так что потеря цветовой информации будет предшествовать потере деталей в нижних частотах.
Если требуется большая длина, то можно использовать дополнительные устройства для выравнивания и усиления видеоспектра. Такие устройства называют усилителями, выравнивателями или корректорами кабеля. В зависимости от качества усилителя (и кабеля) можно увеличить протяженность кабеля в два или даже три раза.
Лучше всего подключать усилители в середине кабеля, где соотношение с/ш наиболее приемлемо, но часто это невозможно или неудобно из-за трудностей с электропитанием и хранением. Так, большинство усилителей в видеонаблюдении предназначено для подключения со стороны телекамеры, и в этом случае мы фактически получаем предкоррекцию и предусиление видеосигнала. Однако существуют и такие устройства, которые подключаются со стороны монитора и дают выход 1 Vpp (полный размах видеосигнала) с последующей коррекцией полосы частот видеосигнала.
Рис. 10.6. Миниатюрный коаксиальный кабель сэкономит пространство и???
Из вышеупомянутого теоретического объяснения импеданса понятно, что однородность кабеля по длине имеет большое значение для соответствия требованиям характеристического импеданса. Качество кабеля зависит от точности и однородности центральной жилы, диэлектрика и экрана.
Эти факторы определяют значения С и L на единицу длины кабеля. Вот почему надо уделить особое внимание прокладке кабеля и его концевой заделке. Петли и изгибы нарушают однородность кабеля и, следовательно, влияют на его импеданс. Это приводит к высокочастотным потерям, то есть потере мелких деталей изображения, а также удвоению изображения из-за отражений сигнала. Так, если короткий качественный кабель проложен ненадлежащим образом, с острыми изгибами, качество изображения будет очень далеко от идеального.
Качество изображения будет лучше, если изгиб петли будет в 10 раз больше диаметра коаксиального кабеля. Это равносильно высказыванию: «радиус петли должен быть не меньше 5 диаметров или 10 радиусов кабеля». Это означает, что кабель RG-59/U не должен быть согнут в петлю диаметром меньшее 6 см (2.5"), a RG-11/U не должен быть согнут в петлю диаметром меньше 10 см (4").
Медь — один из лучших проводников для коаксиального кабеля. Только золото и серебро обладают более высокими эксплуатационными показателями (сопротивление, коррозия), но для производства кабеля они слишком дороги. Многие полагают, что лучшие кабели получаются из покрытой медью стали, но это не так.
