Средства передачи видеосигнала в системах видеонаблюдения

Витая пара, отличается от коаксиала  работой в симметричном режиме, то есть влияние электромагнитных волн и помех одинаково влияет на оба  провода. При попадании на приёмное устройство сигнал поступает на вход дифференциального усилителя, обладающего хорошо сбалансированным коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС)

В случае если оба провода обладают схожими характеристиками и достаточным  количеством витков на метр длины  (чем больше - тем лучше), они будут в одинаковой мере подвержены влиянию шумов, падений напряжения и наводок, а усилитель с хорошим показателем КОСС на приемнике уберёт большую часть помех.

Важным достоинством витой пары является низкая цена по сравнению  с коаксиальным кабелем, к тому же ее легче укладывать, а работа с  разъемами не представляет никаких сложностей.

3.2 Симметрирование

Симметричными называются двухпроводные  схемы, в которых и проводники, и  все подключенные к ним цепи подключенные обладают одинаковым импедансом относительно любого другого проводника.

Симметрирование – это один из методов подавления шумов, который  применяется сочетании с экранированием там, где ожидаемый уровень шума  должен быть ниже уровня, полученного  при использовании только экранирования. Целью данного метода является уравнение шумов наведенных в обоих проводниках, для получения синфазного сигнала, который можно будет скомпенсировать в приёмнике.

Применение дифференциального  усилителя является начальным этапом для создания симметричной системы. Усилитель способен обеспечить симметричную нагрузку, но в то же время источник сигнала остается несимметричным, ввиду наличия внутреннего сопротивления (Рисунок 3.2.1).

 

Рисунок 3.2.1 – схема дифференциального  усилителя

 

Чем лучше симметричность используемой схемы, тем большего подавления шумов можно добиться. При достижении идеальной симметрии шумы не смогли бы проникнуть в систему. Хорошим показателем симметрии является значение в 60..80 дБ.                  Теоретически возможно получить и лучший показатель симметрии, но для этого потребуются специальные кабели и возможно появление необходимости в индивидуальной подстройке схемы. Симметрия системы имеет зависимость от симметричности сигнальных проводников, приёмника и передатчика, а также от влияния возможных паразитных импедансов. Отсюда следует, что между двумя проводниками на входе необходимо обеспечить симметрию по активным и  реактивным сопротивлениям, то есть активное и реактивное сопротивление каждого из проводов  относительно земли должны иметь одинаковые значения.

Величина произвольных шумов, проникающих  в симметричную систему, является показателем  функции степени ее несимметрии  и имеет прямо пропорциональную зависимость от синфазного напряжения шумов. Симметрия в реальной жизни никогда не будет совершенной, то есть при наличии в схеме синфазных напряжений, некоторая величина напряжения шумов всегда будет влиять на её работу. Синфазное напряжение шумов уменьшается при помощи соответствующего экранирования и заземления. Симметричность системы имеет зависимость от частоты сигнала, то есть при более высокой частоте сложнее добиться точной симметрии, поскольку на функционирование работы всей схемы значительно влияет паразитная емкость.

Знание показателей симметрии, которую обеспечивают отдельные компоненты системы, не позволяет точно предсказать степень симметрии всей схемы в целом.

Одним из способов, гарантирующих  хорошую симметрию всей системы, является задание допуска на каждый компонент схемы, притом показатель допуска должен быть существенно меньше, чем величина общего допустимой разбалансировки системы, но этот метод приводит к значительному удорожанию разработки и производства всех элементов схемы.

3.3 Удлинители интерфейса

Недостатком использования симметричной передачи данных по кабелю на основе витой пары является  наличие одного передающего и одного приемного устройств, которые увеличивают не только общую стоимость системы, но её надежность, так как существует риск потери сигнала в случае выхода из строя какого-либо из этих двух компонентов.

Для примера рассмотрим случай, предполагающий передачу информации от компьютера на проектор либо плазменную панель, которая  находиться на значительном расстоянии (допустим, около 100 м) от системного блока  ПК. Очевидным кажется решение  создания локальной сети из двух компьютеров и подключение устройства вывода изображения вместо монитора второго ПК, но как быть, если, допустим, проектор должен находиться в месте, доступ к которому затруднён (потолок помещения)?

В данном случае просто не обойтись без применения удлинителей интерфейса для монитора, которые могут обеспечить передачу видеосигнала на достаточно большое расстояние по витой паре, вместе с тем защищая передаваемое изображения от воздействия шумов и помех. Такое устройство имеет широкое распространение в самых разнообразных областях: в транспортной отрасли, образовании, медицине, разнообразных развлекательных шоу.

Удлинитель VGA работает по тому же принципу, что и удлинители видеоинтерфейсов, то есть действует на уровне аппаратуры, что избавляет от возникновения разичных сложностей с программным обеспечением, таких как согласование кодеков или преобразование форматов.

Недавно нВ рынке появилось последнее  поколение устройств, предназначенных  для работы с витой парой. Эти  новинки могут передавать сигнал без потери качества на расстояние до 300 м, к тому же они поддерживают работу по витой паре 5-й категории ( неэкранированной), хотя для достижения лучших параметров желательно использовать экранированную витую пару.

Новая линейка устройств состоит из различного оборудования: передатчиков и приемников XGA сигнала, предназначенных для работы по витой паре, коммутаторов, усилителей – распределителей.

Удлинитель сигналов VGA, использующий витую пару, совместим с широким  рядом оборудования, включая камеры видеонаблюдения. Благодаря внедрению в производство современных технологий, удлинитель VGA может передать сигнал на расстояние до 300 м.

 Отсюда можно сделать вывод,  что удлинитель должен быть  оснащаться усилителем сигнала  (по возможности регулируемым) и схемой EQ, а предпочитаемой средой передачи целесообразнее всего использовать кабель на основе витой пары, как наиболее приемлемое и недорогое изделие.

3.4 Линии передачи сигнала на  основе витой пары

Линии на основе витой пары позволяют  обеспечить передачу композитного видеосигнала на дальность 300..1000 м. Следует помнить, что передаче композитного сигнала на расстояние менее 100 м, нет особой разницы между коаксиальным кабелем и витой парой. Компонентный и сигнал стандартного ТВ передаются на расстояния, не намного превышающие расстояния для компонентного сигнала.

Компонентный сигнал телевидения  высокой четкости (ТВЧ, HDTV) нуждается  в достаточно широкой полосе пропускания  и качественно передается на расстояния в диапазоне 100..500 м.

Сигнал типа VGA хорошо передаётся на длину до 300 м. На рис. 3 приведен пример системы передачи данного сигнала на 100 м, а на рис. 4 -  разветвленной системы распределения сигнала до 250 м.

Передающий модуль удлинителя чаще всего преобразует видеосигнал  в дифференциальный симметричный вид, наиболее подходящий для передачи по витой паре. На стороне приёмника происходит восстановление стандартного видеоформата для отображения полученного изображения на мониторе.

В качестве среды передачи удлинители могут использовать оптоволокно или радиоканал беспроводной связи. В сравнении с витой парой, оптоволокно значительно дороже, а беспроводная связь не способна обеспечить достаточного уровня помехозащищенности и надежности, да и получить лицензию на ее использование весьма непросто. Удлинителю интерфейса необходимо иметь регулируемый усилитель сигнала и схему компенсации потерь на высоких частотах.

Со всего вышесказанного можно  сделать вывод, что наиболее оптимальным  выбором для линий передачи сигнала  является витая пара, ввиду своей дешевизны, а также благодаря целому ряду качеств, обеспечивающих достаточно высокое качество передаваемого изображения.

Витая пара — это два скрученных провода в изоляции. Скручивание  делается для того, чтобы оба провода  находились в одинаковых условиях, то есть воздействие на них внешних помех не отличалось. В одном кабеле может быть несколько пар, обычно 2 или 4, заключенных в общую диэлектрическую оболочку. Информационный сигнал содержится в разности напряжений между проводами одной пары.

Существует несколько разновидностей витых пар:

– UTP (Unscreened Twisted Pair) — неэкранированная витая пара.

– FTP (Foiled Twisted Pair) — фольгированная витая пара с одним общим внешним  экраном.

– SFTP (Shielded Foiled Twisted Pair) — фольгированная экранированная витая пара с двумя внешними экранами.

– STP (Shielded Twisted Pair) — защищенная витая пара. В таком кабеле каждая пара экранирована отдельным экраном.

– S/STP (Screened Shielded Twisted Pair) — защищенная экранированная витая пара, отличающаяся от STP наличием дополнительного общего внешнего экрана.

Одним из недостатков витой пары является возможность перехвата  передаваемой информации. Это делается либо с помощью воткнутых в  кабель двух иголок, либо путем считывания излучаемого кабелем электромагнитного поля. Экранирование обеспечивает защиту от электромагнитных наводок и несанкционированного подслушивания. С другой стороны, экранированный кабель значительно дороже, поэтому используется реже.

Кабели на основе витой пары по рабочей частоте делятся на следующие категории.

– К категории 1 относят обычные  не витые телефонные кабели. По ним  можно передавать только речь.

– Кабель категории 2 позволяет передавать данные в полосе частот до 1 МГц (используется редко).

– Кабель категории 3 используется для передачи данных в полосе частот до 16 МГц. Он состоит из витых пар с девятью витками проводов на 1 м длины.

– Кабель категории 4 передает данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, т.к. не слишком отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5.

– Кабель категории 5 в настоящее  время самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных в  полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27-ми витков на 1 м длины.

– Кабель категории 6 — перспективный  тип кабеля для передачи данных в  полосе частот до 200 (или 250) МГц.

– Кабель категории 7 — перспективный  тип кабеля для передачи данных в  полосе частот до 600 МГц.

Стандарт определяет  максимально  допустимую величину рабочей емкости каждой из витых пар кабелей категории 4 и 5. Она должна составлять не более 17 нФ на 305 м при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20°С.

Итак, преимущество витых пар заключается  в простоте монтажа и ремонта, а также в низкой стоимости кабеля. С другой стороны, неэкранированные кабели на основе витых пар обладают рядом недостатков: они подвержены влиянию электромагнитных помех и не гарантируют защиту передаваемой информации. Максимальная длина кабеля составляет 100 м.

3.5 Характеристики

Основными электрическими характеристиками витой пары являются волновое сопротивление, затухание на 1 м длины и скорость распространения сигнала. Рассмотрим их подробнее.

1. Затухание (attenuation) — это величина, характеризующая потерю мощности сигнала при передаче. Коэффициент затухания вычисляется как отношение мощности полученного на конце линии сигнала к мощности сигнала, поданного в линию, и измеряется в децибелах на единицу длины. Затухания обусловлены потерями в диэлектрике и скин-эффектом. По сравнению с другими типами кабелей витая пара обладает самым большим коэффициентом затухания на данной частоте. Именно затухание сигнала ограничивает длину кабеля. Для увеличения длины канала связи следует использовать более качественные кабели с защитой от помех и наводок. Для уменьшения коэффициента затухания применяются специальные корректоры или сигнальные буферы со встроенной коррекцией предыскажений.

Предыскажения вносятся для того, чтобы сделать АЧХ более ровной. При этом нелинейные искажения сигнала уменьшаются. В усилительный тракт передатчика включается корректор — нелинейное устройство, передаточные характеристики которого подбираются так, чтобы амплитудная характеристика объединенного устройства корректор-усилитель стала линейной, а амплитудно-фазовая характеристика — равномерной.

В линиях передачи с ровной АЧХ  отсутствует межсимвольная интерференция, что повышает качество передачи. Чем  выше подъем АЧХ, тем большие затухания  компенсируются и больше максимальная длина линии.

Существуют корректоры трех типов. АЧХ постоянного амплитудного корректора не меняется. Такие корректоры используются в сетях с фиксированной длиной среды передачи. Переменный амплитудный корректор, наоборот, имеет несколько предустановленных настроек, которые можно изменять в соответствии с длиной канала связи. Наиболее удобные в использовании — адаптивные корректоры, которые автоматически определяют уровень потерь в среде передачи и подбирают оптимальные параметры корректирующих импульсов. Адаптивные корректоры обычно разрабатываются под конкретные среды передачи, поэтому при выборе устройства необходимо удостовериться, что оно рассчитано именно на тот тип линии передачи и те параметры, которые используются в сети.

При коррекции сильных затуханий  нельзя забывать о системном шуме. Дело в том, что сигналы с компенсацией потерь 40 дБ становятся очень чувствительными к шуму. Действительно, если отношение сигнал/шум поддерживается на уровне 10—15 дБ, то шумы в линии передачи не должны превышать 50—55 дБ, иначе сигнал потеряется.

2. NVP (Nominal Velocity of Propa¬gation) — скорость  распространения сигнала в линии,  которая выражается как отношение  скорости распространения сигнала  к скорости света. 

3. NEXT (Near End CrossTalk) — переходное затухание,  или перекрестные наводки на ближнем конце. Оно характеризует влияние соседних витых пар друг на друга и рассматривается только при двухсторонней передаче информации. Данный эффект проиллюстрирован на рис. 1. Сигнал, передаваемый по верхней витой паре, наводит помеху на нижнюю. При одностороннем обмене в расчет принимается параметр FEXT (Far End CrossTalk), характеризующий взаимодействие пар на дальнем конце. Для ослабления наводок применяется фольгирование.

4. Временная задержка распространения  сигнала между двумя парами  в кабеле (Pair-to-Pair Skew). Она появляется из-за того, что пары не идеально одинаковы, одна из них обязательно длиннее другой, поэтому сигнал проходит по ней больший путь. Типичное значение задержки составляет порядка 25 нс/100 м, но может доходить и до 45 нс/100 м. Этот параметр учитывается при скоростях передачи 100 Мбит/с и выше.