重新認(rèn)識(shí)同軸電纜與同軸視頻傳輸技術(shù)

本文以科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究為依據(jù)，給出了監(jiān)控工程常用同軸電纜的視頻傳輸特性，指出了應(yīng)用中的一些誤解和誤區(qū).對(duì)干擾產(chǎn)生原理提出了更加切合實(shí)際的解釋.歸納分析了實(shí)用的抗干擾措施，介紹了同軸抗干擾技術(shù)新進(jìn)展——抗干擾同軸電纜原理和應(yīng)用前景。
   同軸電纜仍然是目前監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用*廣泛的視頻傳輸線。同軸視頻傳輸技術(shù)，也是監(jiān)控系統(tǒng)中的一種*基本傳輸方式?！巴S電纜到底能傳多遠(yuǎn)”？同軸視頻傳輸技術(shù)、抗干擾技術(shù)到底現(xiàn)在發(fā)展到了什么水平？深入了解同軸電纜的傳輸特性，掌握同軸視頻傳輸技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展，對(duì)提高監(jiān)控系統(tǒng)圖像質(zhì)量，改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效降低系統(tǒng)造價(jià)，仍然是有現(xiàn)實(shí)意義和積極意義的。
　　一、      工程常用同軸電纜類型及性能：
　　1）     SYV75-3、5、7、9…，75歐姆,聚乙烯絕緣實(shí)心同軸電纜。近些年有人把它稱為“視頻電纜”；
　　2）     SYWV75-3、5、7、9…75歐姆,物理發(fā)泡聚乙烯絕緣同軸電纜。有人把它稱為“射頻電纜”；
　　3）      基本性能：
　　l      SYV物理結(jié)構(gòu)是100%聚乙烯絕緣；SYWV是發(fā)泡率占70-80%的物理發(fā)泡聚乙烯絕緣電纜；
　　l     由于介電損耗原因，SYV實(shí)心電纜衰減明顯要大于SYWV物理發(fā)泡電纜；在常用工程電纜中，目前物理發(fā)泡電纜仍然是傳輸性能*好價(jià)格*低的電纜，在視頻、射頻、微波各個(gè)波段都是這樣的。廠家給出的測試數(shù)據(jù)也說明了這一點(diǎn)；
　　l      同軸電纜都可以在直流、射頻、微波波段應(yīng)用。按照“射頻”/“視頻”來區(qū)分電纜，不僅依據(jù)不足，還容易產(chǎn)生誤導(dǎo)：似乎視頻傳輸必須或只能選擇實(shí)心電纜（選擇衰減大的，價(jià)格高的？）；從工程應(yīng)用角度看，還是按“實(shí)芯”和“發(fā)泡”電纜來區(qū)分類型更實(shí)用一些；
　　l     高編（128）與低編（64）電纜特性的區(qū)別：eie實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究表明，在200KHz以下頻段，高編電纜屏蔽層的“低電阻”起主要作用，所以低頻傳輸衰減小于低編電纜。但在200-300KHz以上的視頻、射頻、微波波段，由于“高頻趨膚效應(yīng)”起主要作用，高編電纜已失去“低電阻”優(yōu)勢，所以高頻衰減兩種電纜基本是相同的。
　　二、      了解同軸電纜的視頻傳輸特性——“衰減頻率特性”
　　同軸電纜廠家，一般只給出幾十到幾百兆赫的幾個(gè)射頻點(diǎn)的衰減數(shù)據(jù)，都還沒有提供視頻頻段的詳細(xì)數(shù)據(jù)和特性；eie實(shí)驗(yàn)室對(duì)典型的SYWV75-5、7/64編電纜進(jìn)行了研究測試，結(jié)果如下圖一：

　　同軸傳輸特性基本特點(diǎn)：
　　1.     電纜越細(xì)，衰減越大：如75-7電纜1000米的衰減，與75-5電纜600多米衰減大致相當(dāng)，或者說1000米的75-7電纜傳輸效果與75-5電纜600多米電纜傳輸效果大致相當(dāng)；
　　2.     電纜越長，衰減越大：如75-5電纜750米，6M頻率衰減的“分貝數(shù)”，為1000米衰減“分貝數(shù)”的75%，即15db；2000米（1000+1000）衰減為20+20=40db,其他各頻率點(diǎn)的計(jì)算方法一樣。依照上面1000米電纜測試數(shù)據(jù)，計(jì)算不同長度電纜衰減時(shí)，請(qǐng)記住“分貝數(shù)是加堿關(guān)系”或“衰減分貝數(shù)可以按照長度變化的百分比關(guān)系計(jì)算”，就可以靈活運(yùn)用了；
　　3.     頻率失真特性：低頻衰減少，高頻衰減大。高/低邊頻衰減量之差，可叫做“邊頻差值”，這是一個(gè)十分重要參數(shù)。電纜越長，“邊頻差值”越大；充分認(rèn)識(shí)和掌握同軸電纜的這種“頻率失真特性”，這在工程上具有十分重要的意義；這是影響圖像質(zhì)量*關(guān)鍵的特性，也是工程中*容易被忽視的問題；
　　三、      工程應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　網(wǎng)上技術(shù)論壇里經(jīng)常有人問：75-5電纜能傳多遠(yuǎn)？回答有300米，500米，600米，還有說1000多米也可以的。為什么會(huì)有這么多答案呢？原因是沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。既然工程中同軸電纜是用來傳輸視頻信號(hào)的，而視頻傳輸*后又體現(xiàn)為圖像，所以談同軸電纜和同軸視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用，就離不開圖像質(zhì)量，離不開決定圖像質(zhì)量的“視頻傳輸質(zhì)量”和標(biāo)準(zhǔn)。
　　1.     視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)很多，這里僅舉一個(gè)十分重要的“頻率特性”例子來理解。視頻圖像信號(hào)是由0-6M不同頻率分量組成的。低頻成分主要影響亮度和對(duì)比度，高頻分量主要影響色度、清晰度和分辨率。顯然，對(duì)視頻傳輸?shù)幕疽?，不是只恢?fù)攝像機(jī)原信號(hào)亮度、對(duì)比度就行了，而且還必須恢復(fù)攝像機(jī)原信號(hào)中各種頻率份量的相對(duì)比例關(guān)系。“恢復(fù)”不可能是100%，而是允許有一個(gè)“失真度”范圍要求的標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”的“失真度范圍”，在圖像上用肉眼應(yīng)該是分辨不出來的。反過來說，如果在圖像上已經(jīng)能夠觀察出一點(diǎn)“失真”了，那不管你主觀認(rèn)為圖像“還行，可以，不錯(cuò)”甚至“雙方認(rèn)可驗(yàn)收”等等，這時(shí)的視頻傳輸質(zhì)量，都是“不合格的”。要把工程圖像做好，首先就應(yīng)該選擇合格的傳輸設(shè)備，追求視頻傳輸質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。這一點(diǎn)，從網(wǎng)站技術(shù)論壇討論的情況看，還遠(yuǎn)沒引起足夠認(rèn)識(shí)。宏觀來看，我國監(jiān)控行業(yè)發(fā)展了20多年，工程圖像質(zhì)量不僅沒有提高反而有些下降，這不能不引起我們的關(guān)注和思考。
　　2.      “視頻傳輸”標(biāo)準(zhǔn)：
       由圖二可見，對(duì)于視頻傳輸，我國廣播級(jí)視頻失真度標(biāo)準(zhǔn)要求如圖a)：5M以下幅頻特性誤差范圍為±0.75db,  即91.7—109%；6M頻點(diǎn)為70.7—109%；監(jiān)控行業(yè)的要求略低一些，如圖b),0—6M全范圍為±1.5db,即84—118.8%；這個(gè)傳輸頻率特性要求，與一般“3db通頻帶”的概念一樣；這里須強(qiáng)調(diào)：要保證圖像質(zhì)量，視頻傳輸系統(tǒng)（產(chǎn)品）的頻率失真范圍應(yīng)小于3db;“3db帶寬”這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于光纜、射頻、微波、同軸和雙絞線等各種視頻傳輸系統(tǒng)產(chǎn)品；這是為了保證圖像質(zhì)量，對(duì)視頻傳輸系統(tǒng)的要求。但還有一個(gè)誤區(qū)：在工程中還是有不少人用主觀評(píng)價(jià)“工程圖像質(zhì)量好壞”，甚至于用雙方是否認(rèn)可驗(yàn)收來說明“傳輸系統(tǒng)（設(shè)備）”是否合格，這就有些本末倒置了。工程商這么做可能是“糊涂”；傳輸設(shè)備廠家如果這么做，那可就是“蒙人”了，如果再利用媒體這么宣傳，那就是誠心“誤導(dǎo)”了。
　　3..攝像機(jī)信號(hào)不加放大補(bǔ)償，只用同軸電纜傳輸時(shí)，按照“3db帶寬”這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合上面的電纜衰減特性，75-5電纜，不超過3db失真度的電纜長度計(jì)算方法是：1000米20db,20/3=6.67,1000/6.67=150米，75-7電纜為236米。不同廠家不同批次的電纜特性有一定差別，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，參照這個(gè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和施工，圖像質(zhì)量一般會(huì)有保證的。（準(zhǔn)確計(jì)算應(yīng)按照“邊頻差值”計(jì)算，上面計(jì)算忽略了低頻衰減——原作注）
　　4.實(shí)心聚乙烯絕緣電纜，衰減量大于物理發(fā)泡電纜。所以3db帶寬有效傳輸距離少于上面計(jì)算值，工程上大致可按90%左右估算。如實(shí)芯75-5電纜“3db帶寬”傳輸距離大約為150*0.9=135米；
   5.高編電纜：盡管200k以下的衰減小于低編電纜，但200-300k以上的傳輸衰減與低編電纜一樣，所以3db帶寬傳輸距離，反而低于上述計(jì)算值，這是由于高編電纜的“邊頻差值”更大的因素造成的，“邊頻差值”越大，放大補(bǔ)償?shù)碾y度越大；
　　6.同軸電纜加放大補(bǔ)償?shù)囊曨l傳輸方式：這時(shí)系統(tǒng)傳輸特性是同軸電纜的衰減頻率特性和放大補(bǔ)償?shù)摹霸鲆骖l率特性”之和，放大補(bǔ)償?shù)摹霸鲆骖l率特性”，應(yīng)該能有效補(bǔ)償電纜的頻率衰減特性，且二者應(yīng)該始終保持相反、互補(bǔ)關(guān)系，這才可以有效擴(kuò)展同軸電纜的傳輸距離。目前這項(xiàng)同軸視頻傳輸技術(shù)，產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到的技術(shù)水平是：只用**末端補(bǔ)償（無前端無中繼），75-5電纜在2km,75-7電纜在3km范圍以內(nèi)的任意距離上，都可以實(shí)現(xiàn)上述傳輸標(biāo)準(zhǔn)；傳輸距離和傳輸質(zhì)量已經(jīng)和多模光端機(jī)相當(dāng)，而在傳輸成本、施工維護(hù)和圖像質(zhì)量可控恢復(fù)功能方面，都具有獨(dú)特的實(shí)用優(yōu)勢和競爭優(yōu)勢；這就是說，同軸視頻傳輸技術(shù)，以將有效監(jiān)控范圍擴(kuò)展到了2-3公里，且是我國自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)。
　　7.工程中確有不少工程是按照“只要圖像質(zhì)量雙方認(rèn)可驗(yàn)收”就是“硬道理”的做法，這實(shí)際是無標(biāo)準(zhǔn)可言，不屬本文討論范圍。不過這里可以進(jìn)一言：還是多做些有影響的樣板工程才是長遠(yuǎn)之計(jì)；
　　四、同軸電纜的抗干擾性能
   [工程經(jīng)驗(yàn)]：一路本來沒有干擾的圖像，運(yùn)行中偶然出現(xiàn)了干擾，經(jīng)檢查是BNC電纜頭接地**引起的。重新焊好后，干擾消失了,圖像恢復(fù)正常。
這說明什么問題呢？一是說明周圍環(huán)境確有外界電磁干擾存在，二是說明在正常情況下，同軸電纜可以把這類干擾屏蔽掉，三是說明BNC電纜頭接地**，破壞了電纜的屏蔽性能，使原來已經(jīng)被屏蔽掉的干擾，在新的條件下又顯現(xiàn)出來了。這就是我們探討干擾產(chǎn)生原理的啟發(fā)點(diǎn)。對(duì)于干擾的探討，eie實(shí)驗(yàn)室的研究成果表明：
　　1.     同軸干擾形成原理：就像天線接收電磁波原理一樣，電纜外部客觀存在的交變電磁場，可以在電纜外導(dǎo)體上產(chǎn)生干擾感應(yīng)電流——干擾感應(yīng)電流在電纜“縱向電阻（阻抗）”Rd上，會(huì)形成干擾感應(yīng)電動(dòng)勢（電壓）Vi——干擾感應(yīng)電動(dòng)勢剛好串聯(lián)在視頻信號(hào)傳輸回路里，與視頻信號(hào)一起加到末端負(fù)載Rh上，形成了干擾。這就是同軸干擾形成原理，見圖三。
     
　　2.     顯然：當(dāng)電纜外導(dǎo)體電阻很小，或當(dāng)外界電磁干擾不是很強(qiáng)，感應(yīng)電流很小，感應(yīng)電動(dòng)勢也就很小，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于視頻信號(hào)，這時(shí)就可以認(rèn)為“沒有干擾”。這就是同軸電纜屏蔽干擾的作用；
　　3.     在上面工程經(jīng)驗(yàn)中，當(dāng)Q9頭沒有焊接好、接觸**、編織層在穿管時(shí)被拉斷、或在電梯隨行電纜中，長時(shí)間反復(fù)彎曲加上垂直重力作用編織層被逐步拉斷時(shí)，都會(huì)造成外導(dǎo)體電阻增加，導(dǎo)致“干擾感應(yīng)電壓”升高，視頻信號(hào)傳輸效率（分壓比例）降低，使原來沒有顯現(xiàn)出來的“干擾”也出現(xiàn)了；
　　4.     工程中的“地電位”干擾也是通過同軸電纜外導(dǎo)體電阻才起作用的，所以單端接地可有效排除；
　　5.     四屏蔽高編（128）電纜外導(dǎo)體電阻比低編電纜小，所以形成的干擾感應(yīng)電動(dòng)勢也要低一些，這種“低一些”的效果，只是對(duì)低頻干擾而言的（歐姆電阻為主）。對(duì)于高頻干擾，由于趨膚效應(yīng)，高、低編電纜的表面阻抗基本一樣，所以對(duì)高頻的抗干擾效果區(qū)別不大；需要明確的是：與低編電纜比較，四屏蔽高編（128）電纜這種能夠“適當(dāng)減弱”低頻干擾的效果，其減弱程度是與兩種電纜外導(dǎo)體電阻成反比關(guān)系；工程上值得認(rèn)真考慮的是這點(diǎn)減弱干擾的效果，與高編電纜的高投入成本是否值得？
　　五、視頻傳輸中的抗干擾措施
　　工程中產(chǎn)生干擾的情況很多很復(fù)雜，但可以大致分為兩大類：一類是電纜傳輸線路“外部電磁干擾”的入侵，如地電位干擾、電臺(tái)干擾、電火花干擾、并行電纜耦合干擾等。這是影響較大、設(shè)計(jì)和施工中又很難預(yù)測的干擾。**類是兩端設(shè)備問題和故障引入的干擾，如設(shè)備電源故障引來的50/100周電源干擾，或開關(guān)電源的高頻電源干擾等，不妨把這一類叫著“內(nèi)部干擾”，這部分比較好解決。我們主要談一類的外部干擾。工程中比較成熟的經(jīng)驗(yàn)有：
　　1.      防止 “地電位”的單端接地或不接大地；
　　2.     電纜穿金屬管，或走金屬線槽；此法十分有效，但成本較高，施工有一定復(fù)雜度；
　　3.      埋地；
　　4.      “遠(yuǎn)離”其他動(dòng)力電纜或信號(hào)控制電纜，并盡量避免或減少并行；
　　5.      集中供電和控制信號(hào)傳輸采用屏蔽電纜，但屏蔽層不能兩端都接視頻地；
　　6.      施工穿管時(shí)，把“布線這種粗活”在當(dāng)?shù)毓团R時(shí)工來做，結(jié)果多處拉斷同軸電纜編織網(wǎng)，使外導(dǎo)體電阻增大，產(chǎn)生干擾，這種情況十分多。但這屬于可以避免，發(fā)生概率又*高的“人為因素”。
　　7.     電纜中間接頭連接方法，不是采用F型接頭和雙通連接，而是采用“焊接”或“扭接”的方法，這就破壞了電纜的同軸性和特性阻抗的連續(xù)性，容易引起反射和干擾。這屬于經(jīng)驗(yàn)不足的人為因素；
　　8.      采用抗干擾器，用平衡抵銷原理抗干擾。但局限性較大，現(xiàn)場調(diào)試交麻煩；
　　六、同軸抗干擾技術(shù)新進(jìn)展——抗干擾同軸電纜
　　在外部強(qiáng)干擾源仍然存在的情況下，為什么電纜穿金屬管，或走金屬線槽后，就可以有效抗干擾呢？正確的回答也應(yīng)該是“屏蔽的效果”。那么這種屏蔽和四屏蔽電纜的屏蔽又有什么不同呢？
　　eie實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，兩種屏蔽情況的根本區(qū)別在于“感應(yīng)電動(dòng)勢是否串聯(lián)在視頻信號(hào)的傳輸回路中”？從上面“同軸電纜的抗干擾性能”一節(jié)分析已經(jīng)知道，干擾在四屏蔽（鋁箔+64編網(wǎng)+鋁箔+64編網(wǎng)）電纜上形成的干擾感應(yīng)電動(dòng)勢，仍然是串聯(lián)在視頻信號(hào)的傳輸回路中，所以它的效果只能是“減弱”干擾，而不是真正意義上的抗干擾；“穿管”的情況就不同了，盡管:外界電磁干擾也會(huì)在“金屬管”上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，但這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢與視頻信號(hào)的傳輸回路是絕緣隔離的，所以才不會(huì)對(duì)視頻信號(hào)形成干擾。這也是徹底解決同軸電纜抗干擾性能的出路所在。
擁有我國自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“e電纜”，實(shí)際是一種“雙絕緣雙屏蔽同軸電纜”（詳見[url]www.eie-cn.com[/url]網(wǎng)站的技術(shù)交流，挑戰(zhàn)同軸視頻干擾一文），其“芯線——一絕緣層——一屏蔽層”仍然組成標(biāo)準(zhǔn)的SYWV75-5電纜，視頻信號(hào)傳輸回路的“地”，仍然是一屏蔽層；外面的**屏蔽層才是真正的干擾屏蔽層，由于在一、二屏蔽層之間有一個(gè)**絕緣層，這就把**屏蔽層上的干擾感應(yīng)電動(dòng)勢，有效排除在視頻信號(hào)的傳輸回路之外了。這就是“e電纜”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和抗干擾原理。
　　工程應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)測試表明，在視頻波段，“e電纜”抗交流電源、交流電機(jī)、變頻電機(jī)和電火花等低頻強(qiáng)電磁干擾能力，十分強(qiáng)大，是高編電纜無法比擬的?！癳電纜”實(shí)際是給同軸電纜設(shè)計(jì)了一個(gè)“隨行柔性的屏蔽室”。因此，工程中大都可以免去穿金屬管、走金屬線槽的麻煩。在普通監(jiān)控工程中，也可以放寬動(dòng)力電纜、控制電纜與視頻電纜不能近距離并行的要求；對(duì)建筑物中超強(qiáng)動(dòng)力電纜，適當(dāng)拉開一定距離也可以達(dá)到抗干擾目的。
　　“e電纜”的開發(fā)和成功應(yīng)用，是同軸抗干擾技術(shù)發(fā)展的一次技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)升級(jí)，其應(yīng)用前景是：
　　1.      有效提高了同軸電纜的視頻傳輸質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無干擾視頻傳輸；
　　2.     有效擴(kuò)大了同軸電纜的視頻傳輸范圍，配合加權(quán)視頻放大，傳輸距離2、3km以上，恢復(fù)原圖像；
　　3.     化簡了監(jiān)控工程的設(shè)計(jì)和施工難度，降低了抗干擾工程成本。也給無法采用金屬管或金屬線槽抗干擾措施的電梯監(jiān)控工程提供了有效的抗干擾技術(shù)保障——電梯專用抗干擾同軸電纜。