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同轴电缆传输高清与多路视频技术

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随着图像传感器技术的发展,低成本的高像素传感器越来越多地应用于安防监控摄像机,因而720P、1080P的高清摄像机已不再是高不可攀的奢侈品。随着数字技术的发展,百万高清监控系统已日臻成熟,它对整个监控行业的发展起到了极大的推动作用,而高清监控系统已成为必然的发展趋势。但是,目前大量使用的高清产品都是基于网络传输技术的,直接传输方式在高清时代几乎绝迹。但依然采用基于TCP/IP协议的网络模式,而这样的系统又需要解决传输延时、网络堵塞、支持和维护量大的问题。因为网络传输协议是为文件系统发送而发展起来的,数据量小,实时性要求不高,但对终端设备(计算机)要求高,传输过程中又附加很多条件,从而造成了目前网络摄像机应用的实际情况。因此,高清图像信号的传输问题,就卡住了直接传输高清应用的脖子。

视频图像监控系统要求把现场的图像信号传送到后端的控制系统,其传输距离涵盖了几十米到几公里,以几百米的传输距离为最多。而传输技术的很多特性都是和数据频率相关的,因为在信号线上传送电信号,会和信号的频率相关,频率越高,衰减越快,传输距离就越短;而信号所携带的信息又和频率相关,信息量越大,所需要的频带越宽,而且传输的成本也就越贵。因此,寻找一种与实际应用相符,技术能满足,成本尽量低的传输模式对于监控的应用尤为关键。

由于传输技术的限制,使得高清的应用受到了很大的限制,技术的发展需要寻找一种有效的传输模式,能将原始的非压缩视频信号传输到终端,后端用视频板卡或者嵌入式DVR进行压缩处理,效果、成本、稳定性,施工的便利性都与标清的同轴电缆模拟视频传输系统一样。也只有这样,高清才能拨开浮云,得到大量的实际的应用。

众所周知,同轴电缆是一种高质量的传输线,它可以在很宽的频带内以很低的损耗传送电信号,因而特别适合于传送视频图像信号。同轴电缆是使用最广泛的视频传输介质,一般用于中短距离的视频信号的传输。同轴电缆的电气特征使得它非常适合传送摄像机到监视器的全视频信号(CCTV视频信号是由分布很广的低频信号和高频信号组成的)。传送低频信号(20Hz到几千Hz)时,可以使用几乎任何种类的导线。但要传送频率范围在20Hz到6MHz之间的视频信号,同时不希望有任何衰减时,就需要使用特制的同轴电缆。因此,同轴电缆是视频监控系统工程通常使用的一种高质量的视频信号传输线。本文从介绍同轴电缆的结构与特性入手,介绍2种用单同轴电缆传输多路视频信号的方法,以及传输高清视频信号的4种技术方法,从而能将原始的非压缩的高清视频信号传输到终端,能够以更快更少的成本实现模拟向网络的升级,极大地方便了高清级IP摄像机在原有CCTV同轴基础设施上布线运行。

同轴电缆的结构及特性

在视频监控系统的视频传输中,非平衡同轴电缆(即单芯同轴电缆,而双芯为平衡式)是使用最广泛的视频电缆,其代表型号是SYV-75-5-1和SYV-75-9。同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成,如图1所示。由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆具有很好的抗干扰性,所以广泛地应用于较高速率的数据传输与图像传输中。
根据标准,视频传输只能使用75欧姆型。其它阻抗的同轴电缆虽然外观与75欧电缆差不多,但距离超过十几米后,所传送图像的质量就会变得特别差。

同轴电缆有许多不同的牌号。不同牌号电缆之间的主要区别在于屏蔽的数量和类型,以及将芯线与屏蔽层隔离开来的绝缘层(电介质)。最常用的屏蔽层是铜线单编层、双编层或铝箔(视频监控系统中不能使用铝箔型电缆)。绝缘层方面,常用的材料有橡胶、实心塑料等;还有一种螺旋型的空心绝缘层,因此空气也成了绝缘层的一部分。在这种电缆中,电流在从摄像机流到监视器上时通过芯线,而从监视器返回摄像机时则通过屏蔽层,这样就会在芯线和屏蔽之间产生一个电压差。因此,我们称这种电缆为非平衡电缆,因为该电流(及电压)具有使电路非平衡(unbalance)的作用。

为取得最佳传输效果,应当选用履盖比例大于95%的电缆。芯线则以铜质线或包铜线为佳。包铜芯线采用钢丝做成,外面包有一层铜;这种线的拉伸强度较好,适于穿管式的长距离铺设。市场上还有覆盖比例为65%的电缆,不应使用。视频传输系统需要使用覆盖比例大于95%的电缆,以防止外部电磁干扰穿过屏障层渗入到视频信号中去。覆盖比率大于95%的电缆可以将大部分干扰屏蔽掉,从而减少画面受到干扰的机会。覆盖比例大于95%、采用铜线作为芯线的电缆的回路电阻率约为每公里50到200欧姆(不同型号电缆的电阻率互不相同)。芯线导体截面积越大,传输损耗越小,从而可以传送更长的距离。所以,室外较长距离的传送,应当采用芯线较粗的电缆,多数室外同轴电缆的直径一般都在1.3cm以上。

同轴电缆的特性

在视频以至更高的频率范围内,同轴电缆应作为有损耗的传输线来处理,在高频时衰减常数α与频率的平方根成正比。也就是说,频率越高,同轴电缆线路衰减越大,即同轴电缆线路的衰耗在低频段小,高频段大。

由上述的特性可得出同轴电缆传输的基本特点:

电缆越细,衰减越大:如SYV-75-7电缆1000m的衰减,与SYV-75-5电缆600多米衰减大致相当,或者说1000m的SYV-75-7电缆传输效果与SYV-75-5电缆600多米电缆传输效果大致相当;

电缆越长,衰减越大:如SYV-75-5电缆750m,6MHz频率衰减的“分贝(dB)数”,为1000m衰减“dB数”的75%,即15dB;2000m(1000+1000)衰减为20+20=40dB,其他各频率点的计算方法一样。依照上面1000m电缆测试数据,计算不同长度电缆衰减时,请记住“分贝数是加减关系(因是对数关系)”或“衰减分贝数可以按照长度变化的百分比关系计算”,就可以灵活运用了;

低频衰减少,高频衰减大:高/低边频衰减量之差,可叫做“边频差值”,这是一个十分重要参数。电缆越长,“边频差值”越大;充分认识和掌握同轴电缆的这种“频率失真特性”,这在工程上具有十分重要的意义;这是影响图像质量最关键的特性,也是工程中最容易被忽视的问题。

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