电缆传输失真与频率加权补偿.doc

电缆传输失真与频率加权补偿电缆传输失真与频率加权补偿转电缆传输失真与频率加权补偿-往事情怀视频信号直接经同轴电缆传输，会产生幅度衰减和频率失真。即不同频率分量衰减不同，频率越高衰减量越大。幅度衰减，引起对比度下降。高频衰减，引起清晰度降低。实测表明，常用的75-7电缆250-300米时，引起的失真度就超过我国电视标准的规定要求。EV-2010A加权视频放大器，对75欧姆同轴电缆的实际衰减特性，能进行全距离全频段有效补偿。最大有效补偿距离可达到2500米以上（75-5电缆可按60%折算，达到1500米以上）。这里就有关问题谈些看法，供交流探讨。 一)PAL制视频标准：视频传输0-6M频率响应限定要求是在0.5-5M带宽，上下波动限定在0.75db，6M限定在+0.75-3db；这是主要特性，还有其他一些失真度指标要求。一般420-480TVL的中高清晰度摄象机视频信号，4-6M的频率成份不可忽视。当然，拍摄的镜头（取景）不同，视频信号的各种频率成分组成也不同。细节变化小的镜头（如一面光墙），高频分量弱；细节变化多的镜头（如花丛、头发），高频分量十分丰富。所以，只根据某个电视画面来判断图象质量是有局限性的。工程商的责任，应该是尽可能减少视频信号失真，充分发挥摄象机的性能水平，以达到尽可能好的满意程度。 二)视频标准信号源 为了检测视频控制设备，变换（切换、分配、放大、）设备，传输（不同介质、不同变换与调制解调）设备的质量，需要有标准视频信号源，产生几种失真度为零的特殊视频信号。一种是连续扫频视频波形，扫频范围是0.2-6M，幅度为700Mv。可以十分直观地检测设备的频率响应。还有一种类似的多波群视频信号。每一群都是一种固定频率，六群从低到高分别是0.5/1.0/2.0/4.0/4.8/5.8M。用这种波形来研究电缆衰减与补偿非常直观，容易理解。 三)视频电缆的频率失真 不同型号的电缆特性不同，不同厂家，不同批次的电缆性能也有差别。我们这里以一种典型的75-7电缆为例进行分析与介绍。视频信号经过电缆传输会引起低频幅度衰减和高频失真，频率越高，衰减越大。同时注意到，行同步头失真，色同步头幅度严重降低。一组典型75-7电缆1000M不同频率衰减测试数据如表一： 长度(1000m)0.5M-1.0M-2.0M-4.0M-4.8M-5.8M 分贝数.-4.18db-6.15db-8.52db-11.0db-11.6db-12.6db 倍数.61.8%.49%.37.5%.28.2%.26.3%.23.4%eie实验室老竹内容提要：干扰电磁场在同轴电缆外导体纵向上产生感应电动势，感应电动势串联在视频传输回路中，形成干扰。“e电缆”对于常见的低频强电磁干扰具有优异的抗干扰能力，它的开发成功和推广应用，将给监控工程带来福音。 “干扰”一直是监控工程设计和施工中的一块令人头疼的“心病”。我们愿与大家一起共同向这一工程难题发起挑战。这里把我们“eie实验室”的初步研究成果正式向业界公开，抛砖引玉，供大家研究实践，共同提高。一、 课题：同轴视频传输系统电磁干扰的形成机制与防护研究二、 传统理论与认识 在监控行业，许多描述同轴电缆干扰的论述，较普遍的观点是：干扰电磁场透过同轴电缆的外导体屏蔽层缝隙或屏蔽层破损处，辐射到、耦合到、感应到芯线上，从而形成干扰的。在这一理论和认识指导下，同轴电缆的结构逐渐变化：原来只有一个编织层，发展到在绝缘层外、编织网内加一层“密不透风”的铝箔，作为无缝面屏蔽层，这就是“双屏蔽同轴电缆”；大概因为还有干扰产生，于是在双屏蔽同轴电缆编织网的外面，再加一层双面铝箔，铝箔外面再加一层编织网，然后外面才是PVC护套，这就是“四屏蔽同轴电缆”，形成了一个“又厚又密”的同轴电缆外导体。支持这一结构的理论认识是：电磁波是从编织网的缝隙中穿进去的和在视频干扰的低频段，计算电磁波的趋肤深度大于铝箔厚度。所以必须把屏蔽层加厚加密。但即使这样，当工程中电缆很长时，还会有干扰产生。于是人们觉得，同轴电缆视频传输系统，尽管大多数情况没有干扰，但很难事先估计到会不会出现干扰，一旦有了干扰，往往“搭上几倍的人力物力也没有把握解决”。近几年来，双绞线视频传输技术有所发展，利用平衡传输共模抑制原理，在很大程度上提高了抗干扰能力。遗憾的是生产厂家急于占领市场，大力宣传同轴电缆抗干扰能力差这一弱点，不仅如此，甚至把同轴电缆说成是不适合传输视频信号的传输线，“是老东西，该换换了”，“公开制造”：无论是线缆本身的传输特性，还是视频传输设备，双绞线系统都要比同轴电缆系统“好得多”。显然，这是把误导宣传引进了科技领域。首当其冲的受害者是广大工程商和工程建设单位。三、 对电磁干扰的形成机制的初步认识 eie实验室通过大量的实验和理论分析，对外部干扰电磁场在同轴电缆传输系统中产生干扰的形成机制，初步形成了以下认识：1. 干扰”穿透”论依据似乎不足。视频信号的上边频为6MHz,波长50米。通常当网状导体孔隙直径小于1/10波长时，电磁波的穿透功率基本可以忽略；一般64编以上的同轴电缆，编织网的平均孔隙大约1毫米左右，远远小于波长，完全可以等效为一个面导体。干扰电磁场在导体表面产生个感应电流，感应电流又产生相位始终相反的电磁场，在导体外表面电场强度始终为零，而感应电流为最大值。又由于电缆外导体直径同样远远小于波长，编织网又是良导体，所以干扰电流不会在电缆径向产生有效电压降，即电缆外屏蔽层任意一个横截面对干扰电磁场来说，都是等电位的。电磁场理论和实验都已证明，一个等电位导体圆筒，其内部空间是等电位空间，即在同轴电缆外导体内部空间里，没有干扰产生的交变电磁场。同轴芯线处在这个等电位空间里，不可能产生干扰感应电动势。所以说干扰”穿透”的理论和认识依据似乎不足。2. 干扰电磁场在同轴电缆外导体纵向上产生感应电动势。在电缆的纵向，干扰电磁场也会在外导体表面产生纵向交变感应电流。理想情况，如果电缆外导体是理想的超导体，纵向电阻为零，那感应电流产生的感应电动势也为零。但实际工程中电缆很长，外导体纵向电阻虽然很小，但不为零。于是较强干扰感应电流，便会在外导体纵向电阻上产生感应电动势。用Vi代表这个实际产生的感应电动势。同理，电缆两端接地，同相地电位差或异相压差环路干扰，也会在外导体上形成干扰电动势。3. 同轴电缆外导体具有优异的屏蔽干扰特性：同轴电缆外导体，既是视频信号地，同时也是有效抵抗电磁干扰的屏蔽层。外界电磁场充斥着所有空间，只是有强弱之分，只要在具体应用场合里，干扰电动势小到可以忽略，就可以认为没有干扰。同轴电缆外导体面积很大，阻抗很低，大部分干扰形成的感应电动势都可以忽略，这就是它的屏蔽作用。所以，在有的工程中，因屏蔽网断裂，外导体阻抗增大，或电缆头接地不良，都会造成原来可以忽略的弱干扰，变成了不能忽略的强干扰。我们把这种本不应该产生却又在具体工程中产生了的干扰叫做“人为干扰”，“人为干扰”产生的概率很大，约占工程干扰总数的一半到一多半。需要在监控行业中明确的还有：同轴电缆的抗干扰能力优于双绞线，这也是在网络综合布线的系统整合规则中，明确了的。非平衡双绞线平衡传输和抗共模干扰的能力，近年来也被无限夸大了，网络系统综合布线规定，非平衡双绞线只能用在大部分干扰不太强的环境中，较强干扰环境下，必须使用屏蔽双绞线。4. 外界干扰是怎样混到视频信号中的？ 同轴电缆，不管是一个，两个还是四个屏蔽层，电气上都是互相导通的一个同轴外导体屏蔽层。同轴电缆视频传输等效电路如下图所示。 摄像机输出电压Vo=2Vp-p,输出阻抗为75，同轴电缆内导体等效电阻为Rc, 外导体等效电阻为Rd,Vi是干扰在同轴外导体纵向电阻上形成的感应电动势，终端设备对传输线来说是一个Rh=75匹配负载。显然，终端负载Rh从传输回路中取得的信号电压，是视频信号Vo和干扰电动势Vi共同作用的结果。 Vab=(Vo/752+Rc+Rd) 75+(Vi /752+Rc+Rd) 75其中，第一项为负载获得的有效视频信号，第二项为负载获得的有效干扰信号。值得注意的是干扰信号Vi是由电缆纵向分布参数（阻抗或电阻）决定的，不是一个集中的点信号源。干扰的性质属于“加性干扰”，不管视频信号有没有，它始终存在。5. 减小干扰影响的可能办法：? 减少传输距离，缩短电缆长度（可行性很小）；? 是用粗电缆或多层屏蔽电缆（不太可取）；? 提高输入信号幅度，增大信噪比（也不太可取）；? 使用中继放大，增大信噪比不太可取）；? 电缆单端接地或都不接地（一般可行）；四、 抗干扰电缆 “e电缆”简介： SYWV75-5/eie,是由eie实验室最新开发的一种抗干扰同轴电缆并已取得专利权。外观和尺寸与传统75-5电缆没有区别。在用于视频传输环境中时，具有极强的抗干扰能力。 1.“e电缆”是一种“双屏蔽、双绝缘同轴电缆”。它的结构从内到外仍然是：内导体芯线；物理发泡绝缘层（第一绝缘层）；铝箔屏蔽层和铜编织网共同组成第一屏蔽层；第二绝缘层；铜编织网第二绝缘层，外护套。结构与4屏蔽物理发泡同轴电缆几乎一样。 2. 内导体芯线、物理发泡绝缘层和第一屏蔽层，组成标准SYWV75-5同轴电缆，用于视频信号传输，第一屏蔽层是视频信号地。信号传输仍然是要保证芯线和第一屏蔽层的有效连接。不同的是：外面的第二屏蔽层与里面第一屏蔽层之间有一个绝缘层，互不导通，第二屏蔽层不是信号地，它是真正的外界干扰屏蔽层。 3. “e电缆”抗干扰原理：从“外界干扰是怎样混到视频信号中的”一节已经知道，单屏蔽电缆会产生干扰的原因是，屏蔽层是信号传输回路的一部分，而干扰电动势又直接串联在信号传输回路中。“e电缆”的情况不同，干扰也会在第二屏蔽层上产生感应电动式Vi,但与信号传输回路绝缘，所以不会在信号传输回路中产生干扰电压。这就是“e电缆”的基本抗干扰原理。 4. “e电缆”的抗干扰性能描述：干扰同样在第二屏蔽层纵向上产生感应电动式Vi，尽管两个屏蔽层之间是绝缘的，但两层导体之间仍有分布电容Co存在，外层感应电动势可以通过分布电容耦Co合到内屏蔽层上，在内屏蔽层上产生干扰电动势Vio，形成干扰。问题是这个电动势Vio有多大？有什么特点？Co的数量级为几十到几百pf;由于分布电容Co的耦合作用与频率有关，对50Hz容抗为几十兆欧姆，远远大于电缆外层纵向电阻（几十欧姆），差几万倍，这样耦合到内屏蔽层上的干扰电动势十分微弱，干扰衰减量或者说抗干扰能力也就提高了几万倍；“e电缆”的最大优势在于，对常见的、威胁最大的低频强电磁干扰，具有优异的抗干扰特性；既是对视频的高频段，也具有有效的减弱外界干扰能力。 5. “e电缆”的上述抗干扰特性，已在实验室抗干扰模拟试验和工程实际干扰环境的抗干扰试验中得到验证，取得了十分满意的效果，现正积极推荐工程应用。“e电缆”的开发成功和不断完善，将给监控工程带来福音。应用“e电缆”，基本可以实现在有干扰情况下的“盲目施工”，而不会被干扰所困惑。 对于5.8M频率分量来说，2500m电缆，衰减量可达到-31.5db（2.67%）.这就是频率失真的实际概念和含义。由上述分析和实践经验，归纳出以下几点意见，供参考： 1.视频同轴电缆，从它对不同频率分量具有不同衰减特性来看，可以把它理解为一种频率“去加重”器件； 2.电缆具有频率“去加重”特性，所以“电缆视频补偿器”应该是一种具有频率“加重”（或“加权”）特性的器件。我们称之为“加权视频放大器”，简称“加权视放”； 3.75-7电缆200m以上就应该考虑加权补偿。 4.对视频加权补偿的要求是： 幅度要能提升到大于1Vp-p； 频率补偿必须是0-6M全频段范围的加权补偿（低端轻，高端重）； 补偿特性必须能与电缆衰减特性相反相成； 补偿距离尽可能大一些； 补偿器对上述各项补偿，必须有全范围连续可调的有效控制功能； 必须解决工程现场方便准确的调试方法问题（许多产品没能解决好这个根本性的实际使用问题）。 四)“前补偿”与“后补偿”问题 补偿位置放在电缆前端，还是末端，表面看来是一样的。所以有的产品介绍说：一台放大器补偿距离为1500米，电缆前后各放一台，可以补偿3000米。对此，我们还难以相信。因为在技术实现上二者是完全不同的。后补偿是低于1伏的小信号放大和补偿，最大动态范围是1伏；而前补偿相反，是要对1伏的标准信号先进行提升放大和频率加权，以补偿电缆衰减。举例说，1500米75-7电缆，5.8M频率衰减量为-18.9db，即衰减8.8倍。前补偿时，就要把这一频