电视监控抗干扰设计及方法(经典.doc

电视监控抗干扰设计及方法（经典！）闭路电视监控系统（ CCTV）在建筑工程中的应用越来越多，由于建筑物内的电气环境比较复杂，容易形成各种干扰源，如果施工过程中未采取恰当的防范措施，各种干扰就会通过传输线缆进入闭路电视监控系统，造成视频图像质量下降、系统控制失灵、运行不稳定等现像。因此研究闭路 电视监控干扰源的性质、了解对闭路电视监控系统的影响方式，以便采取措施解决干扰问题对提高闭路监控系统工程质量，确保系统的稳定运行非常有益。 干扰的来源及影响方式 闭路电视监控系统中传输信号的类型主要有两类：一类是模拟视频信号，传输路径由摄像机到矩阵，从矩阵再到显示器或录像机；一类是数字 信号包括矩阵与摄像机之间的控制信息传输，矩阵中计算机部分的数字信号。一般设备成为干扰源的可能性很小，因此干扰主要通过信号传输路径进入系统。闭路电视监控系统的信号传输路径是，能通过视频电缆和传输控制信号的双绞线耦合进系统的干扰有：各种高频噪声比如大电感负载启停， 接地电位不等引入的工频干扰，平衡传输线路失衡使抑噪能力下降将共频干扰转成了差模干扰，传输线上阻抗不匹配造成信号的反射使信号传输质量下降，静电放电沿传输线进入设备造成接口芯片损伤或损坏。具体表现如下： 由于阻抗不匹配造成的影响在视频图像上表现为重影。在信号传输线上会将在脉冲序列的前后沿形成震荡。震荡的存在使高低电平间的阈值差变小，当震荡的幅值再大或有其他干扰引入时就无法正确分辨出脉冲电平值，导致通信时间变长或通信中断。接地和屏蔽不好会导致传输线抑制外部电磁干扰能力的下降，体现在视频图像就是雪花噪点、网纹干扰以及横纹滚动等；在信号传输线上形成尖峰干扰，造成通信错误。平衡传输线路失衡 也会在信号传输线上形成尖峰干扰。静电放电除了会造成设备损坏外，还会影响存储器内的数据，使设备出现些莫名其妙的错误。 抗干扰的方法 从干扰源的分析了解到并没有特别的干扰源，消除或者减少上述干扰的理论探讨也有许多，如何针对闭路电视监控工程解决干扰问题，很少有文献涉及，下面就闭路电视监控工种中常见的干扰及解决方法进行些探讨。 1 数字信号传输中的抗干扰措施 在弱电系统工程中数字信号的传输通常指长线传输，常见的方式有：通过调制、解调方法在电力线或视频线上传输数字信号；通过工业标准的通信网络进行传输，比如 RS422、RS845、RS485；自行开发的自动式传输。三者相较，常见的还是RS422、RS485,因此重点讨论RS485数字通信抗干扰方法。 S485总线是采用差分平衡电气接口，具有较强的抗电磁干扰能力，但在实际工程RS485总线并未达到人们期望的效果。问题往往出现在以下几个方面：第一网络拓扑不合理，未按照总线型网络拓扑布线，成为事宜上的星型拓扑；传输线与接收和发送端设备连接不正确，削弱了平衡线的抗干扰能力；第三公用双绞线，未进一步采取抗干扰措施，比如采用屏蔽双绞线。虽然在造成干扰的方式上有所不同但在干扰的表现形式上只有两种：一种是反射增加了信号畸变程度；一种是外部的干扰由于平衡条件被破坏，共模干扰变成了串模信号进入传输线。 关于信号反射。根据电磁理论，减少长线上信号反射的唯一途径是阻抗匹配，若通信风格拓扑为总线型，阻抗匹配比较容易实现，但若是星型网 络拓扑，根据工程经验则可按图 1方式进行匹配，在发送端串上与传输线特征阻抗相同的电阻RO，在接收端按图所示进行连接，其中R1R2，R（R1 R）（）。在发送一般是驱动门输出内阻的倍以上，可以得到较高的发送电平，接收的匹配阻抗是经伏电源形成的，在阻抗匹配的同时减少了吸收功耗，这样既减少了的射，又不会因为增加了匹配电阻吸收过多的信号功率，信号的电平阈值差变小。 双绞线作为传输一对电磁感应噪声有较强的抑制能力，但对静电感应引起噪声的抑制能力较差，因此传输线应选用屏蔽双 绞线。双绞线的屏蔽层要正确接地，这里讲的 “地”应是驱动总线逻辑门的“地”，而非“机壳地”、“保护地”，但在许多实际设备上往往没有给出 接地连接端，所以在这种情况下就需要引一条线将屏蔽与驱动逻辑门集成电路的地相连。 2 视频信号的干扰 视频信号的干扰在图像上表现为地花点和横纹滚动，对于雪花点干扰是由于传输线上信号衰减以及耦合了高频干扰所致，这种干扰比较容易消除，在摄像机与控制矩阵之间合理位置增加一个视频放大器，将信号的售噪比提高，或者改变视频电缆的路径避开高频干扰源，高频干扰的问题可基本上得到解决。较难解决的是横纹滚动及进一步加高频干扰的情况，比如电梯轿厢内摄像机的输出图像。为了抑制上述干扰，首先分析一 下造成上述问题的原因。 摄像机要求的供电电源一般有三种：直流、交流或，大多数工程应用中不从电梯轿厢的供电电源上取，而是另外布设供电电源给摄像机供电，摄像机输出图像经过一条软性的视频电缆从井道的上方或下方送出，视频电缆和供电电缆与轿厢的动力线捆绑在一起，当电梯运行时牵引电机运行产生的电磁场沿照明动力线传播，显然会影响摄像机供电电缆和视频电缆，当视频电缆的屏蔽层不够严密时，高频干扰就经视频电缆传回监视器。而对于的横纹滚动根据电磁学理论知道视频电缆的屏蔽层可完全消除工频干扰。由此可以推断这部分干扰不是通过视频电缆耦合过来，而是来自电源线和不合理的视频线联结。 对于图像中的高频干扰，因它的频带仍在以内，采用空隙率为左右的屏蔽网可基本消防高频干扰，但要达到的空隙率屏蔽网根数需每个波长长度有根以上，这样高的密度又会使电缆的柔韧性下降，比较好的方法是采用带有双层屏蔽的视频电缆。 视频电缆屏蔽层是接地的，如果视频信号 “地”与显示器的“地”相对“电网地”的电位不同，即如图所示两处接地点相对电网“地”的电压差不同，那么通过电源在摄像机与显示器之间形成电源回路，这样的工频干扰进入显示器中，从图中的电气联接可以看出消除工频干扰 方法有两种，一是想办法使各处的“地”电位与“电网地”的电位差完全相同，或者切断形成地环流的路径。由于工程环境比较复杂，使各处“地”完全等电位比较困难，只能通过加大摄像机供电线缆的线径，尽可能降低地回路的电阻。或者采用切断地环流回路的方法，在摄像机或显示器端有一端不接地，通常在显示器端不接供电电源的地，这样虽不能完全消除干扰但可大减少的干扰。 从上面的分析中看到，如果电源线上耦合上高频噪声，即使视频电缆的屏蔽电缆的屏蔽再好，也会将噪声送至显示器，因此摄像机的供电电源线 最好也要屏蔽，上述措施需要在工程设计和施工时就要全面考虑才能实现，若到了系统调试时发现干扰存在可采用调制和解调的方法将噪声滤除，在摄像机端设一调制器将视频信号搬移到几十兆赫兹的频度段上，在显示器端设一低通滤波器将低于的信号全部滤除，再经过解调将视频图像还原。 3 监控系统的供电方式 监控系统的供电方式只有两种：一种是集中供电方式即电源都引自一处，另一种是分布式供电，摄像机在安装位置附近取电源，从抗干扰效果的角度讲，集中供电方式更好一些，可以基本消除各处参考监控系统中干扰主要体现在数字通信通讯线和视频图像的干扰上，解决干扰的关键在于工程开始施工时就要全盘考虑上抗干扰措施，这样才能从根 本上解决干扰问题，而不要等到工程后期再采取亡羊补牢的措施。1、干扰源种类及干扰方式 在多媒体系统中，影响视频和音频系统的噪声干扰除设备和传输线路本身的热噪声和叠加在其上的连续性“白噪声”干扰外，根据干扰源种类主要可分为两大类，脉冲干扰及交流声干扰。脉冲干扰是由于脉冲器件产生的强电磁场耦合进入信道所致：马达、汽车发动机火花塞点火，开关电源均会产生60Hz2MHz的干扰，这些干扰的谐波分量会落入音、视频频带内；闪电、宇宙噪声还会产生2KHz100MHz的脉冲噪声。交流声干扰主要是由于地线系统设计不合理，不同接地点间存在电位差，使得地电流形成回路所造成的；高压输电线路和交流电气化铁路也会引起交流声干扰，如交流电气化铁路产生的干扰除50Hz基频外、还有(2N1)50Hz等奇次谐波。 另外，根据外界干扰源电磁能量的传播途径和对音、视频设备的耦合方式又可分成辐射方式干扰和传导方式干扰。传导方式干扰是经过电路(包括杂散电容和互感等可以用集总参数表示的电路元件)传到受影响设备上，如脉冲干扰、交流声干扰，主要通过传导方式作用于受扰设备；辐射方式干扰是通过天线的作用，由空间传到受影响的设备上，如高压输电线对受扰设备的干扰。 多媒体系统的音频信号的频率范围为300Hz3.4KHz，视频信号带宽为6MHz。音频信号通常都采用平衡方式传输，由于双线上的感应噪声有相互抵消作用，干扰要轻得多，甚至于测不出来。而视频信号通常采用不平衡方式传输，干扰就要严重得多。所以音频干扰分析与视频干扰分析有所区别：对于视频干扰，主要从干扰方式出发进行探讨；音频信号由于波长较大，通信大楼的屏蔽作用更为明显，相比而言，辐射方式干扰可忽略不计。通过电源等整流器件所产生脉冲干扰对音、视频信号机理相同，解决办法也一致，因此，音频干扰讨论的重点放在交流声干扰上。 2视频干扰分析及解决办法 在实际工程中，视频电缆通常敷设在通信大楼内的金属管中。尽管金属管外皮与大楼的建筑地连在一起，有时仍可能受到干扰，在监视器上会看到不规则的细线由上至下滚动，该干扰是由可控硅整流器点火时产生的脉冲干扰所造成的。UPS电源产生的脉冲干扰波形更为复杂，它除了整流器点火产生的干扰外还有逆变器产生的脉冲干扰及其谐波。电源整流器和UPS电源所产生的脉冲干扰的辐射虽到处都有，但主要是通过分布在会议室内的交流供电线路传播的，为传导方式干扰。 变电站视频监控系统抗干扰方法变电站的监控系统较之其他监控系统更易产生各种干扰，干扰源会通过传输线缆进入监控系统，造成视频图像质量下降、系统控制失灵、运行不稳定等现象。因此研究变电站视频监控干扰源的性质、了解对视频监控系统的影响方式，以便采取措施解决干扰问题，对提高视频监控系统工程质量，确保系统的稳定运行非常有益。 干扰的来源及影响方式 1、变电站视频监控系统中传输的信号类型 第一种是模拟视频信号，传输路径由摄像机到矩阵，从矩阵到多画面处理器，再到采集终端计算机； 第二种是数字信号，包括采集终端计算机与矩阵、多画面处理器、摄像机之间的控制信号传输，矩阵中计算机部分的数字信号，温度、湿度等环境检测数字信号，报警开关量信号等。 2、干扰侵入途径 一般来说干扰主要通过视频同轴电缆和传输控制信号的双绞线耦合进系统。 3、主要干扰源有 高频噪声干扰，比如大电感负载启停；各点接地电位不等引入的工频干扰；平衡传输线路失衡使抑噪能力下降将工频干扰转成了差模干扰；传输线上阻抗不匹配造成信号的反射使信号传输质量下降；静电放电沿传输线进入设备造成接口芯片损伤或损坏。 4、干扰表现形式 视频同轴电缆由于阻抗不匹配造成的影响在视频图像上表现为重影。视频同轴电缆接地和屏蔽不好会导致传输线抑制外部电磁干扰能力的下降，体现在视频图像产生雪花噪点、网纹干扰以及横纹滚动等。在控制信号传输线阻抗不匹配会将在脉冲序列的前后沿形成震荡，震荡的存在使高低电平间的阈值差变小，当震荡的幅值再大或有其他干扰引入时就无法正确分辨出脉冲电平值，导致通信时间变长或通信中断。控制信号平衡传输线路失衡也会在信号传输线上形成尖峰干扰。静电放电除了会造成设备损坏外，还会影响存储器内的数据，使设备出现些莫名其妙的错误，比如计算机的死机，网络接口的错误等。 抗干扰的方法 下面就变电站视频监控系统中常见的干扰及解决方法进行些探讨： 1、数字信号传输中的抗干扰措施 变电站视频监控系统的数字信号传输通常通过工业标准的通信网络进行传输，比如RS232、RS845、RS422。在这里重点讨论RS485数字通信抗干扰方法。 RS485总线是采用差分平衡电气接口，具有较强的抗电磁干扰能力，但在实际工程中RS485总线并未达到人们期望的效果。问题往往出现在以下几个方面： 网络拓扑不合理，未按照总线型网络拓扑布线，而成为了星型拓扑结构； 传输线与接收和发送端设备连接不正确，削弱了平衡线的抗干扰能力； 公用双绞线未进一步采取抗干扰措施，比如采用屏蔽双绞线； 双绞线线经太细，传输距离太远，导致阻抗太大，造成压降。 虽然在造成干扰的方式上有所不同但在干扰的表现形式上只有两种：一种是在信号传输线上控制信号反射增加了信号畸变程度；一种是由于外部的干扰使平衡条件被破坏，共模干扰变成了串模信号进入传输线。 关于信号反射，根据电磁理论，减少长线上信号反射的唯一途径是阻抗匹配，若通信网络拓扑为总线型，阻抗匹配比较容易实现，但若是星型网络拓扑，在发送端串上与传输线特征阻抗相同的电阻（电阻值一般是驱动门输出内阻的倍以上）就可以得到较高的发送电平。接收的匹配阻抗是经伏电源形成的，在阻抗匹配的同时减少了吸收功耗，这样既减少了反射，又不会因为增加了匹配电阻吸收过多的信号功率，信号的电平阈值差变小。 双绞线作为RS485传输线对电磁感应噪声有较强的抑制能力，但对静电感应引起噪声的抑制能力较差，因此RS485传输线应选用屏蔽双绞线。双绞线的屏蔽层要正确接地，这里讲的“地”应是驱动总线逻辑门的“地”，而非“机壳地”、“保护地”，但在许多实际设备上往往没有给出接地连接端，所以在这种情况下就需要引一条线将屏蔽与驱动逻辑门集成电路的地相连。 此外，在选择屏蔽双绞线作为RS485通信线时，应该选择线经大一点的，使阻值比较小，产生的压降小，这样使得控制信号的衰减也会小很多。 2、视频信号的抗干扰 视频信号的干扰在图像上表现为雪花点和50Hz横纹滚动。 对于雪花点干扰是由于传输线上信号衰减以及耦合了高频干扰所致，这种干扰比较容易消除，在摄像机与控制矩阵之间合理位置增加一个视频放大器，将视频信号的信噪比提高，或者改变视频电缆的路径避开高频干扰源，高频干扰的问题可基本上得到解决。 较难解决的是50Hz横纹滚动及进一步加入的高频干扰的情况。对于50Hz的横纹滚动根据电磁学理论知道视频电缆的屏蔽层可完全消除50Hz工频干扰，只需要购买屏蔽效果好的视频电缆。对于图像的高频干扰，因它的频带仍在兆Hz内，采用空隙率为50左右的屏蔽网可基本消防高频干扰，但要达到50的空隙率，屏蔽网根数需每个波长长度有60根以上，这样高的密度又会使电缆的柔韧性下降，比较好的方法是采用带有双层屏蔽的视频电缆。 视频电缆屏蔽层要接地，如果视频信号“地”与显示器的“地”相对“电网地”的电位不同，那么通过电源在摄像与显示器之间形成电源回路，这样50Hz的工频干扰会进入显示器中，从电气联接可以看出消除50Hz工频干扰的方法有两种，一是想办法使各处的“地”电位与“电网地”的电位差完全相同，或者是切断形成地环流的路径。由于工程环境比较复杂，使各处“地”等电位会比较困难，只能通过加大摄像供电线缆的线径，尽可能降低地回路的电阻，比如采用铠装电缆，或者采用切断地环流回路的方法，在摄像或显示器端有一端不接地，通常在显示器端不接供电电源的地，这样虽不能完全消除干扰但可减少50Hz的干扰。 从上面的分析中看到，如果电源线上耦合上高频噪声，即使视频电缆的屏蔽电缆的屏蔽再好，也会将噪声送至显示器，因此摄像机的供电电源线最好也要屏蔽，上述措施需要在工程设计和施工时就要全面考虑才能实现。若到了系统调试时发现干扰存在可采用调制和解调的方法将噪声滤除，在摄像机端加一个调制器将视频信号搬移到几十兆赫兹的频段上，在计算机端加一个低通滤波器将低于8MHz信号全部滤除，再经过解调将视频图像还原。 3、监控系统供电方式抗干扰 监控系统的供电方式只有两种：一种是集中供电方式即电源都引自一处，另一种是分布式供电，摄像机在安装位置就近取电。从抗干扰效果的角度讲，集中供电方式更好一些，可以基本消除各处参考电位不等的情况。 总的来说解决问题的关键在于工程开始施工时就要全盘考虑抗抗干扰措施，这样才能从根本上解决干扰问题，而不要等到工程后期再亡羊补牢。地线干扰与地线设计地线设计是电磁兼容设计中大家都很注意，却又不知道应该怎样去做的一个问题。了解了地线造成干扰问题的机理之后，在设计和实施地线时就有了一个明确的思路。本期从介绍地线造成干扰的原理入手，使读者了解设计地线的关键和原则。 1 什么是地线？地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地，因此这里仅讨论信号地的问题。信号地的一般定义是：电路的电位参考点。更恰当地说，这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。从现在开始，我们在分析电磁兼容问题时，使用下面的定义。地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。既然地线是电流的一个路径，那么根据欧姆定律，地线上是有电压的；既然地线上有电压，说明地线不是一个等电位体。这样，我们在设计电路时，关于地线电位一定的假设就不再成立，因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。 2 地线的阻抗有多大？一个难以理解的问题是，我们在设计地线时，都使地线的电阻很小，那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。理解这个问题，要理解地线阻抗的组成。地线的阻抗Z由电阻部分和感抗部分两部分组成，即：Z = RAC + jL。电阻成分：导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电流，由于趋肤效应，电流集中在导体的表面，导致实际电流截面减小，电阻增加，直流电阻和交流电阻的关系如下： RAC= 0.076rf1/2RDC式中：r=导线的半径，单位cm，f=流过导线的电流频率，单位Hz， RDC= 导线的直流电阻，单位。电感成分：任何导体都有内电感（这区别于通常讲的外电感，外电感是导体所包围的面积的函数），内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下：L=0.2Sln(4.5/d) -1 （H）式中S=导体长度(m)，d=导体直径(m) 表1说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻，从表中可以看出，随着频率升高，阻抗增加很快，当频率达到100MHz以上时，直径6.5mm长度仅为10cm的导线也有数十欧姆的阻抗。 表1 不同直径、长度的导线的阻抗3 地环路干扰及对策地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压（图1）。 由于地环路干扰是由地环路电流导致的，因此在实践中，有时会发现，当将一个设备的地线断开时，干扰现象消失，这是因为地线断开时，切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合，当干扰频率高时，短开地线与否关系不大。地环路干扰形成的原因1：两个设备的地电位不同，形成地电压，在这个电压的驱动下，“设备1-互联电缆-设备2- 地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线，在地线中引起较强电流，而地线又有较大阻抗产生的。地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在“设备1 - 互联电缆 - 设备2 - 地”形成的环路中感应出环路电流，与原因1的过程一样导致干扰。解决地环路干扰的方法：解决地环路干扰的基本思路有三个：一个是减小地线的阻抗，从而减小干扰电压，但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当阻抗无限大时，实际是将地环路切断，即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考虑，这种直接的方法在实践中往往是不允许的。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构，将一个机箱的地线连接到另一个机箱上，通过另一个机箱接地，这就是单点接地的概念。 4 公共阻抗耦合及对策当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就发生了公共阻抗耦合。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响，即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制，另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。放大器级间公共地线耦合问题： 中的放大器，由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线，功率放大电路的地线电流很大，因此在地线上产生了较大的地线电压V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中，如果满足一定的相位关系，就形成了正反馈，造成放大器自激。解决办法：可以有两个解决办法，一个是将电源的位置改变一下，使它*近功率放大电路，这样，就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了。另一个办法是功率放大电路单独通过一根地线连接到电源，这实际是改成了并联单点接地结构。5 接地策略单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。最大好处是没有地环路，相对简单。但地线往往过长，导致地线阻抗过大。多点接地：所有电路的地线就近接地，地线很短，适合高频接地。问题是存在地环路。混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。 串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题，解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多，而没有可实现性。因此，灵活的方案是，将电路按照信号特性分组，相互不会产生干扰的电路放在一组，一组内的电路采用串联单点接地，不同组的电路采用并联单点接地。这样，既解决了公共阻抗耦合的问题，又避免了地线过多的问题。 说起视频干扰，要讲一下视频监控信号传输的传统方式视频基带传输。所谓的视频基带传输是指视频信号不经过频率变换等任何处理由图像摄取端通过同轴电缆直接传输到监视端的传输方式，图像在传输时直接利用同轴电缆的06MHz来传输，非常容易受到干扰，使图像出现网纹、横纹和噪点影响监视效果。对于基带传输视频干扰，从干扰源角度分为交流声干扰和空间电磁波干扰，从干扰切入方式分为传导式干扰和辐射式干扰。下面分析一下常见视频干扰现象及其原因。 1、工频干扰 干扰现象：图像出现雪花噪点、网纹或很宽暗横带持续不断滚动。 干扰原因：此现象是当摄像端与监控设备端同时接地时，由于地电阻及电缆外皮电阻的存在，在两地之间电力系统各相负载不平衡或接地方式不同引起50Hz电位差，从而产生工频干扰所致。地电位使两接地端存