Выбор кабеля для системы видеонаблюдения

Факторы, определяющие выбор кабеля

При выборе кабеля разработчик учитывает три главных аспекта: затухание в кабеле, требуемое качество изображения и стоимость. Часто из внимания ускользает очень важный аспект — показатели качества кабеля, которые не видны на первый взгляд. Кабельное хозяйство — это составная часть инфраструктуры, то есть долговременных инвестиций. От сигнальных кабелей зависит не только текущее качество изображения, но и общая надежность систем.

На российском рынке известна кабельная продукция многих мировых производителей: Extron, Altinex, Canare, Klotz, Supra, Kramer и др. Существует и масса кабелей неизвестного происхождения. Естественно, возникает соблазн купить кабель подешевле. И часто, сэкономив на кабеле, инсталлятор просто губит проект.

Для передачи видеосигнала используется коаксиальный кабель, «витая пара» и реже оптоволокно.

Чаще всего используется коаксиальный кабель, но при передаче сигнала на большие расстояния коаксиальный кабель может быть очень чувствительным к различного рода наводкам. Поэтому для трансляции сигнала на большие расстояния применяется кабель типа «витая пара» с использованием специальных передатчиков и приемников. Оптоволокно менее доступно по причине дороговизны приемопередающего оборудования.

Подойдем к проблеме выбора с точки зрения физики процесса. Рассмотрим параметры, строение и особенности применения кабелей для передачи видеосигнала.

Для правильного выбора типа кабеля необходимо понимать и учитывать следующие аспекты:

• длина кабеля. С увеличением длины кабеля растет затухание сигнала при его прохождении по кабелю. Величина затухания зависит от качества материалов, применяемых для изготовления кабеля. Большое затухание сигнала сказывается на потере яркости и четкости картинки;
• частота сигнала. С увеличением частоты сигнала увеличивается влияние на качество передачи сигнала емкости кабеля. Потери качества выражаются в ухудшении четкости и детализации картинки;
• внешние наводки. Кабель, как и любой проводник, может работать как антенна. Поэтому при недостаточной экранировке на полезный видеосигнал могут значительно повлиять внешние электромагнитные наводки, ухудшая качество изображения вплоть до невозможности просмотра;
• межсигнальные помехи. Возникают в близкорасположенных кабелях при недостаточном взаимном экранировании, а также в случае физического расщепления структуры одного из кабелей и превращения его в излучатель по отношению к другим кабелям;
• температура кабеля. Параметр, который определяется температурными условиями эксплуатации кабеля. В этом смысле нужно учитывать температурную стабильность параметров кабеля и применять кабель, рассчитанный для применения в заданном диапазоне температур;
• групповая задержка сигнала.

В основном характерна для кабелей типа «витая пара» и выражается физически в необходимости одновременного (без задержки) прихода двух (и более) сигналов, передаваемых по двум (и более) витым парам. Это достигается применением одинаковой длины проводников с одинаковым шагом скручивания витой пары. Применение витых пар с разным временем задержки чревато искажениями цвета и срывом синхронизации.

Какой же кабель выбрать? При выборе кабеля с точки зрения строения нужно учитывать его назначение в системе. Если кабель предназначен для передачи видеосигнала на десятки метров, то он должен иметь толстую центральную жилу для уменьшения потерь и двойной экран для защиты от наводок. Например, Extron SHR типоразмера RG-6: экран — фольга + оплетка, физически вспененный диэлектрик. Для внутристоечного монтажа прекрасно подойдет кабель потоньше и помягче. Например, Canare L-3C2VS. Он тоньше RG-59, экран — одна оплетка, диэлектрик — невспененный полиэтилен. Несмотря на простоту, это хороший кабель для определенных целей.

Основные параметры кабеля

Перед тем как остановить свой выбор на конкретном кабеле, лучше всего внимательно изучить и сравнить между собой основные параметры кабелей-конкурентов.

Импеданс — основной показатель, определяющий возможность передачи энергии сигнала по кабелю между источником и приемником. Все элементы на пути сигнала, разъемы и сам кабель должны иметь один импеданс. Несоблюдение этого правила приводит к внутренним отражениям в кабеле, что может привести к появлению на изображении двойных контуров. Самой частой причиной появления отражений являются некачественные разъемы или их неправильная установка, а также применение разъемов и кабелей разного импеданса.

Стандартный импеданс видеокабелей составляет 75 Ом.

Рис. 5. График затухания для кабелей Extron на расстоянии 100 футов

Затухание — показатель потерь энергии сигнала внутри кабеля. Этот параметр нормируется на частоте 100 МГц для длины 100 м или 100 футов (32,5 м) (рис. 5). Каждый кабель имеет свои частотные свойства, поэтому ослабление на разных частотах тоже разное и чем частота выше, тем ослабление больше.

На практике значения затухания для 100 МГц бывает недостаточно, и производители в своих каталогах на кабель приводят спецификации с таблицами затуханий для разных частот. Так что уже по количеству позиций зависимости затухания от частоты можно понять, насколько серьезно производитель подходит к параметрам сигнала (табл. 2).

Большая часть спецификаций на кабельную продукцию приходится на таблицу уровней затухания в дБ в диапазоне частот для стандартной длины кабеля (см. табл. 2). Обычно это 100 футов или 100 м. В зависимости от рекомендаций производителя, таблица составляется с частотами, кратными 1, 5, 10, 20 МГц. Но некоторые каталоги включают специфические частоты: 72, 135, 177, 270 МГц и др. Эти частоты используются для передачи цифровых видеосигналов. Сигналы SDI измеряются скоростью потока, выраженной в Мбит/с.

Сопротивление — показатель качества проводника, буквально показывающий, какая часть энергии сигнала превратится в тепло. Результат таких потерь — снижение уровня сигнала, а соответственно, динамической яркости изображения.
Сопротивление измеряется в омах (Ω), и именуется иначе как сопротивление постоянному току или активное сопротивление. Для кабелей сопротивление указывается как Ом на 100 метров (Ω/100m) или Ом на 1000 футов (Ω/1,000 feet) и может именоваться также как погонное сопротивление.
Сопротивление зависит от материала проводника, его размеров и температуры.
Лучшие кабели имеют сигнальные проводники из химически чистой меди или покрываются тонким слоем серебра.

Емкость. По конструкции любой коаксиальный кабель — вытянутый конденсатор. Емкость измеряется в фарадах (F), а емкость кабеля в пикофарадах на метр (pF/m) или в пикофарадах на фут (pF/ft).
Емкость кабеля влияет на высокочастотные составляющие видеосигнала, то есть на четкость и детализацию изображения. Емкость определяется качеством диэлектрика и конструкцией кабеля. Этот параметр особенно важен при передаче цифровых сигналов.

Выбор кабеля исходя из требуемого качества изображения

Для выбора типа кабеля необходимы, прежде всего, исходные данные: тип сигнала, предназначенного для трансляции, допустимый уровень потерь в кабеле для данного приемника сигнала, длина кабельной линии и требуемое качество изображения.

Расчет фактических потерь

Исходя из вида сигнала и длины кабельной трассы, предварительно выбирается тип кабеля, просчитывается максимальная длина кабеля для требуемого типа приемника и проверяется, укладывается ли реальная длина кабельной трассы в полученное значение.

Пример 1. Требуется передать сигнал RGBHV. Максимальная частота сигнала в проектируемой системе 100 МГц. Длина кабельной трассы 40 м. Допустимое затухание в кабеле 3 дБ.

Находим в таблице для частоты 100 МГц значение затухания для 100 м. Пусть это будет -6,79 дБ для кабеля Extron SHR/RG6.

Исходя из этого, получим коэффициент пересчета: 3 дБ / 6,79 дБ = 0,44. Теперь вычислим максимальную длину кабеля: 100 м×0,44 = 44 м.

Длина кабельной трассы в 40 м укладывается в максимальную рассчитанную длину кабеля и, следовательно, кабель Extron SHR/RG6 может быть рекомендован для использования в системе.

Пример 2. Надо рассчитать максимальную длину кабеля для трансляции сигнала SDI.

Если распределяется стандартный сигнал SMPTE 259M mode С, то надо иметь в виду потери в кабеле для максимальной частоты сигнала 135 МГц (для всех сигналов SDI и HD-SDI потери рассчитываются по половинной тактовой частоте сигнала. Для 270 Мбит/с (270 МГц) компонентного SDI это 135 МГц).

По таблице получаем затухание 7,8 дБ на 100 м. Делим полученное значение на 30 (SMPTE 259M допускает потери до 30 дБ, если используется приемник класса А): 30 / 7,8 дБ = 3,85.

Вычислим максимальную длину кабеля 100 м·3,85 = 385 м. Это значение для приемников класса А.

Для приемников класса В максимальное затухание составит 20 дБ. В этом случае: 20 / 7,8 дБ = 3,56 и длина кабеля составит 100 м·3,65 = 365 м.

Кабели, используемые для передачи сигналов SDI и HD-SDI, рекомендуется укорачивать на 10% для устранения «эффекта срыва». Обычно это указывается в спецификации, если нет, то укорочение все равно следует сделать. Это даст дополнительный запас устойчивости.

Гармонические искажения и качество изображения

Теперь рассмотрим аспект качества полученного изображения при передаче сигнала по кабелю.

Рис. 6. Осциллограмма исходного видеосигнала

Массив пикселов, из которых состоит изображение, это то, что мы передаем по кабелю. Чтобы каждый пиксел на экране был четко виден, он должен иметь хорошо очерченные стороны, то есть иметь резкий переход между черным и белым. Другими словами, видеоимпульс, который соответствует одному пикселу, должен иметь фронт и спад импульса достаточной крутизны. Только тогда пиксел будет четким, не размытым (рис. 6).

Негармонический видеосигнал имеет сложную структуру и состоит из средней основной частоты сигнала и гармоник, кратных средней частоте. Именно эти гармоники определяют крутизну фронта и спада импульса видеосигнала, образуя четкие грани пиксела.

Негармонический сигнал описывается преобразованием Фурье, которое показывает, что до 80% энергии видеоимпульса одного пиксела заключено до третьей гармоники. Влияние других гармоник на формирование фронта и спада импульса незначительно.

Рис. 7. Осциллограмма видеосигнала после прохождения через кабель

Естественно, что при прохождении сигнала в кабеле гармоники, имеющие большую частоту по сравнению с основной частотой сигнала, получат большее затухание. Поэтому видеоимпульс, прошедший через кабель, поступит на видеомонитор с меньшей амплитудой, что скажется на уменьшении яркости картинки и крутизны фронта и спада видеоимпульса, а это выразится в размытости пиксела (рис. 7).

Таким образом, при превышении определенной длины кабеля потери в нем приводят сначала к уменьшению яркости, а затем к размытости пикселов и появлению характерного темного шлейфа от темных элементов изображения. Этот шлейф особенно заметен на строчках текста и на других линейных структурах видеоизображения. Это заметно на приведенных рис. 8-11.

Рис. 8. Исходный сигнал

Рис. 9. Затухание -3 дБ

Рис. 10. Затухание -6 дБ

Рис. 11. Затухание -9 дБ

Расчет длины кабеля по третьей гармонике

Исходя из вышеизложенного, произведем расчет по третьей гармонике допустимой длины кабеля и определим возможный тип кабеля для конкретного типа видеосигнала.

Например, произведем расчет для сигнала RGBHV с разрешением 1024×768 и кадровой частотой 60 Гц. Полоса пропускания такого сигнала составляет 65 МГц.

Поделив пополам, получим основную частоту сигнала 32,5 МГц. Помня о том, что 80% мощности спектра сигнала содержится до третьей гармоники, получим: 32,5·3 = 97,5 МГц. Округлим полученную частоту до 100 МГц.

Предположим, что в качестве средства отображения видеоинформации взят видеопроектор с минимальным уровнем сигнала на входе -3 дБ.

Обратимся к модельному ряду кабелей Extron. Предположим, что необходимо подключить видеопроектор к презентационному компьютеру, находящемуся в этом же помещении. Для этих целей наиболее подойдет многожильный кабель серии mini HR (26 Gauge).

Посмотрим таблицу затуханий в зависимости от частоты в каталоге кабелей. Из таблицы видно, что на частоте 100 МГц затухание сигнала на 100 метрах составит -17,6 дБ. Получим коэффициент пересчета: 3 дБ / 17,6 дБ = 0,17.

Длина кабеля составит: 100 м·0,17 = 17 м.

Если полученной длины оказывается недостаточно для подключения видеопроектора к компьютеру, выбирается другой типоразмер кабеля с меньшим затуханием, например RG59/НR-1 (20 Gauge).

Для кабеля RG59/НR-1 (20 Gauge) затухание для 100 МГц составит -7,5 дБ на 100 м.

Коэффициент пересчета: 3 дБ / 7,5 дБ = 0,26.

Длина кабеля составит: 100м·0,26 = 26 м.

Для подключения компьютера к видеопроектору потребуется пять кабелей по 26 м с разъемами BNC на концах.

При выборе типа кабеля также следует учесть тип разъемов для подключения к оборудованию. Так, многожильный кабель mini HR (26 Gauge) для передачи сигнала RGBHV может быть разделан как на разъем VGA 15 pin, так и на пять разъемов BNC, а вот при использовании пяти кабелей RG59/НR-1 (20 Gauge) возможно использование только разъемов BNC. Поэтому во втором случае при необходимости подключения к оборудованию с разъемом VGA 15 pin потребуется переходник 5BNC×15 pin.

Электронная компенсация потерь в кабеле

Если по тем или иным причинам применение большего типоразмера кабеля невозможно или нецелесообразно, то для компенсации потерь в кабеле применяются интерфейсы или линейные драйверы, способные увеличить уровень сигнала и скорректировать искажения в области верхних частот.

Интерфейс или линейный драйвер путем увеличения выходного уровня сигнала, а также внесением предварительных искажений АЧХ может частично или полностью компенсировать вносимые кабелем потери и искажения сигнала.

Большинство интерфейсов, линейных драйверов, усилители-распределители и коммутаторы содержат схемы компенсации, обеспечивающие прямую регулировку. Традиционно эти устройства обеспечивают две регулировки: Gain (усиление) и Peaking (ВЧ-коррекция). Наиболее эффективны такие схемы при использовании их в центральном оборудовании системы.

Регулировка усиления — увеличивает уровень полного видеосигнала, чтобы компенсировать активное (омическое) сопротивление кабеля. Потери в кабеле за счет электрического сопротивления могут составлять до 5% и более от общих потерь. Так, стандартный уровень видеосигнала 0,7 В может упасть до 35 мВ. Электрические потери в кабеле увеличиваются пропорционально его длине.

ВЧ-коррекция — увеличивает или подчеркивает ВЧ-составляющие спектра видеосигнала. В коаксиальном кабеле с ростом частоты возрастают потери, а именно высокочастотные составляющие спектра видеосигнала отвечают за хорошую детализацию картинки. ВЧ-коррекция повышает уровень ВЧ-составляющих, чтобы компенсировать их потери при прохождении сигнала через кабель.

Обычно регулировкой усиления (Gain) поднимают низкочастотные составляющие видеосигнала с тем, чтобы обеспечить на приемной стороне стандартный уровень видеосигнала (0,7 В), а ВЧ-коррекцией (Peaking) корректируется АЧХ сигнала в области высокочастотных составляющих, чтобы компенсировать их затухание в кабеле.

Рис. 12. Применение линейного драйвера

Обе регулировки взаимозависимы, и настройка производится методом последовательных приближений. При этом необходимо использовать источник тестовых сигналов и осциллограф.

Типичное значение ВЧ-коррекции составляет +3 дБ, но при необходимости существуют драйверы с коррекцией +12 дБ и более (рис. 12).

Подходящий линейный драйвер или усилитель-распределитель можно найти в каталогах Altinex и Extron.

Выбор и монтаж разъемов

Следующим шагом по выбору кабеля является качественное подключение этого кабеля к оборудованию. При этом надо учитывать, что подключение может осуществляться различными типами разъемов. Основными разъемами для подключения видеосигналов в настоящее время можно назвать BNC, RCA, VGA 15 pin, DVI, S-Video (MiniDIN 4 pin). И выбранный кабель должен быть рассчитан на разделку на него нужного разъема, либо в спецификации нужно предусмотреть соответствующие переходники.
Довольно часто один-единственный некачественный разъем приводит к потере качества изображения всей системы. Плохой обжим или пайка зачастую приводят к отражениям сигнала в кабеле, потерям и искажениям. Ведущие производители кабеля выпускают также и разъемы для кабеля, либо указывают в спецификациях рекомендуемый тип разъема другого производителя, обеспечивающий качественную разделку разъема на кабель.

Методику разделки кабеля и обжима BNC-разъемов смотрите на следующей странице.
Только обеспечив надежный контакт кабеля с разъемом и надежную фиксацию кабельного разъема в разъеме аппаратном, можно быть уверенными, что усилия по расчету и выбору кабеля не пропали даром. Ибо электроника — это наука о контактах.

Характеристика радиочастотных кабелей типа РК - RG

Источник: http://daily.sec.ru