10. Средства передачи видеосигнала

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

10. Средства передачи видеосигнала

Изображение, зафиксированное объективом и телекамерой и затем преобразованное в электрический сигнал, поступает на коммутатор, видеомонитор или записывающее устройство.

Для того чтобы видеосигнал попал из пункта А в пункт Б, он должен пройти через передающую среду. Тоже самое относится к сигналу управляющих данных.

Самыми распространенными средствами передачи видеоинформации в видеонаблюдении являются:

— Коаксиальный кабель

— Кабель витой пары

— Микроволновая связь

— Радиочастотная передача (эфирная)

— Связь с помощью инфракрасного излучения

— Телефонная линия

— Оптоволоконный кабель

— Компьютерная сеть

Для видеопередачи чаще всего используется коаксиальный кабель, но все большую популярность приобретает волоконная оптика — благодаря ее превосходным характеристикам. Также можно использовать смешанные средства передачи, например, микроволновую передачу видеосигнала и передачу управляющих поворотным устройством и трансфокатором данных (PTZ-данных) через витую пару.

Мы рассмотрим все эти средства передачи по отдельности, но особое внимание обратим на передачу при помощи волоконной оптики и коаксиального кабеля.

Коаксиальные кабели

Концепция

Коаксиальный кабель — самое распространенное средство передачи видеосигналов, а иногда видео и PTZ-данных вместе. Такую передачу называют несимметричной передачей, исходя из концепции коаксиального кабеля.

Поперечное сечение коаксиального кабеля показано на рис. 10.1. Кабель имеет симметричное и соосное строение. Видеосигнал проходит через центральную жилу, в то время как экран используется для уравнивания нулевого потенциала концевых устройств — телекамеры и видеомонитора, например. И не только для этого, экран также защищает центральную жилу от внешних нежелательных электромагнитных помех (ЭМП).

Рис. 10.1. Разнообразные оптоволоконные кабели

Идея соосного строения кабеля состоит в том, что все нежелательные ЭМП индуцируются только в экране. Если он должным образом заземлен, то наведенный шум разряжается через заземления телекамеры и монитора. С точки зрения электричества коаксиальный кабель замыкает контур между источником и приемником, где центральная жила кабеля является сигнальным проводом, а экран — заземляющим. Поэтому передачу по коаксиальному кабелю и называют несимметричной передачей.

Рис. 10.2. Поперечное сечение коаксиального кабеля

Шум и электромагнитные помехи

То, насколько хорошо экран коаксиального кабеля защищает центральную жилу от шума и ЭМП, зависит от процента экранирования. Как правило, производители указывают в спецификациях цифры от 90 до 99 %. Но имейте в виду, что даже если обещано 100 % экранирование, невозможно получить защиту от внешних наводок на все 100 %. Проникновение ЭМП внутрь коаксиального кабеля зависит от используемой частоты.

Теоретически, успешно подавляются только частоты выше 50 кГц — главным образом, из-за ослабления скин-эффекта. Все частоты ниже этой индуцируют электроток, в меньшей или большей степени.

Насколько силен электроток — зависит от силы магнитного поля. Понятно, что нас, прежде всего, интересует излучение промышленной частоты (50 или 60 Гц), окружающее почти все искусственные объекты.

Вот почему возникают проблемы, если коаксиальный кабель проведен параллельно электросети. Величина наведенного электромагнитного напряжения в центральной жиле зависит, во-первых, от электротока, текущего через электрический кабель сети, что, в свою очередь, зависит от расхода тока на данной линии.

Во-вторых, она зависит от того, насколько далеко коаксиальный кабель пролегает от силового кабеля. И, наконец, она зависит от того, на какой протяженности эти кабели пролегают вместе. Иногда соседство на протяжении 100 м не оказывает никакого влияния, но если по силовому кабелю течет сильный ток, то даже 50 м могут сказаться на качестве сигнала. При монтаже постарайтесь (всегда, когда это возможно) сделать так, чтобы силовые и коаксиальные кабели не проходили очень близко друг к другу. Для ощутимого уменьшения ЭМП необходимо, чтобы расстояние между ними составляло хотя бы 30 см.

На экране монитора наводки (нежелательные) электросети имеют вид нескольких жирных горизонтальных полос, медленно сползающих вверх или вниз. Частота сползания определяется разницей между частотой полей видеосигнала и промышленной частотой и может составлять от 0 до 1 Гц. В результате на экране появляются неподвижные или очень медленно перемещающиеся полосы.

Другие частоты проявляются в виде различных — в зависимости от источника — картин распределения шумов. Главное правило заключается в том, что, чем выше частота наведенного нежелательного сигнала, тем тоньше детали шумовой картины. Повторно-кратковременные наводки, вроде молнии или проезжающего автомобиля, будут давать нерегулярную картину шумов.

Характеристический импеданс (полное сопротивление)

Короткие провода и кабели, используемые в обычных электронных блоках оборудования, имеют незначительные сопротивление, индуктивность и емкость и не влияют на распределение сигнала. Однако если сигнал должен быть передан на довольно большое расстояние, в сложную картину передачи информации включается множество разных факторов. Особенно подвержены влиянию высокочастотные сигналы.

Тогда сопротивление, индуктивность и емкость начинают играть значительную роль и ощутимо влияют на передачу сигнала.

С точки зрения электромагнитной теории такое простое средство как коаксиальный кабель можно представить в виде схемы, состоящей из сопротивлений (R), индуктивностей (L), конденсаторов (С) и проводников (G) на единицу длины (как показано на рис. 10.3).

Рис. 10.3.1. Передача видеосигнала по коаксиальному кабелю

Рис. 10.3.2. Теоретическое представление коаксиального кабеля

При использовании короткого кабеля эта схема оказывает незначительное влияние на сигнал, но если кабель более длинный, ее влияние становится заметным. В последнем случае совокупность элементов R, L и С становится столь существенной, что действует как грубый фильтр нижних частот, который, в свою очередь, воздействует на амплитуду и фазу различных компонентов видеосигнала. Чем выше частоты сигнала, тем больше на них влияют неидеальные свойства кабеля.

Каждый кабель имеет однородное строение и собственный характеристический импеданс (полное сопротивление), который определяется элементами R, L, С и G на единицу длины.

Главное преимущество несимметричной передачи видеосигнала (о чем будет сказано несколько позже) основано на том, что характеристический импеданс передающей среды не зависит от частоты (это относится, главным образом, к средним и высоким частотам), в то время как сдвиг фазы пропорционален частоте.

Амплитудные и фазовые характеристики коаксиального кабеля на низких частотах в большой степени зависят от самой частоты, но так как в подобных случаях длина кабеля достаточно мала по сравнению с длиной волны сигнала, то влияние на передачу сигнала оказывается незначительным.

Когда характеристический импеданс коаксиального кабеля соответствует выходному импедансу источника видеосигнала и входному импедансу приемного устройства, происходит максимальная передача энергии между источником и приемником.

Для высокочастотных сигналов, каким является видеосигнал, согласование полного сопротивления имеет первостепенную важность. Когда импеданс не согласован, видеосигнал целиком или частично отражается назад к источнику, воздействуя не только на выходной каскад, но и на качество изображения. Отражение 100 % сигнала происходит, когда конец кабеля либо замкнут накоротко, либо оставлен открытым (незамкнут). Вся (100 %) энергия сигнала (напряжение х ток) передается только тогда, когда есть согласование между источником, средствами передачи и приемником. Вот почему мы настаиваем на том, чтобы последний элемент в цепи видеосигналов всегда заканчивался 75 Ом.

В видеонаблюдении принят характеристический импеданс 75 Ом для всего оборудования, передающего или принимающего видеосигналы. Поэтому нужно использовать коаксиальный кабель с полным сопротивлением 75 Ом. Но производители выпускают и другое оборудование, например 50 Ом (которое в отдельных случаях используется для вещательного или ВЧ-оборудования), но тогда между такими источниками и 75-омными приемниками должны использоваться преобразователи импеданса (пассивные или активные).

Рис. 10.4. Оплеточная машина для коаксиального кабеля

Согласование импеданса также необходимо при использовании передатчиков и приемников с кабелем витой пары, о чем мы поговорим ниже.

75 Ом коаксиального кабеля — это комплексное сопротивление, определяемое отношением напряжения/тока в каждой точке кабеля. Это не активное сопротивление, и поэтому его нельзя измерить обычным мультиметром.

Чтобы вычислить характеристический импеданс, мы воспользуемся электромагнитной теорией и представим кабель эквивалентной схемой, состоящей из элементов R, L, С и G на единицу длины.

Полное сопротивление этой схемы:

Zс = SQRT((R + j?L)/(G + j?C)) (48)

где, как уже объяснялось, R — сопротивление, L — индуктивность, G — проводимость и С — емкость между центральной жилой и экраном на единицу длины. Символ j — это мнимая единица (квадратный корень из -1), которая используется для представления комплексного сопротивления, ? = 2?f, где — f частота.

Если коаксиальный кабель имеет достаточно короткую длину (меньше двухсот метров), то R и G можно пренебречь, и в результате мы получим упрощенную формулу для полного сопротивления коаксиального кабеля:

Zc = SQRT(L/C) (49)

Эта формула означает, что характеристический импеданс не зависит от длины кабеля и частоты, но зависит от емкости и индуктивности на единицу длины. Однако, это не так, если длина кабеля (например, RG-59/U) превышает двести метров. В этом случае сопротивление и емкость имеют значение и оказывают влияние на видеосигнал. Ну а для достаточно коротких кабелей вышеприведенная аппроксимация вполне подходит.

Ограничения кабеля являются, главным образом, результатом накопленного сопротивления и емкости, которые настолько высоки, что упомянутое приближение (49) перестает работать, и сигнал получает значительные искажения. Это происходит, в основном, в форме падения напряжения, высокочастотной потери и групповой задержки.

В видеонаблюдении чаще всего используется коаксиальный кабель RG-59/U, который может успешно и без корректоров передавать ч/б сигналы на расстояние до 300 м и цветные — на расстояние до 200 м.

Еще один популярный кабель — это RG-11/U, более толстый и дорогой. Максимальная рекомендованная длина для него — до 600 м для ч/б сигнала и 400 м для цветного сигнала. Существуют также более тонкие коаксиальные кабели с импедансом 75 Ом и диаметром всего 2.5 мм и даже плоские коаксиальные кабели. Они очень удобны для перегруженных участков передачи множества видеосигналов, например, многовходовых матричных коммутаторов. Максимальная длина такого кабеля намного меньше, чем у толстых кабелей, но ее вполне достаточно для соединений и перемычек. Обратите внимание, что эти цифры могут варьироваться у разных производителей и в зависимости от ожидаемого качества сигнала.

Рис. 10.5. Сравнение физических размеров коаксиальных кабелей

За различие между максимальной длиной кабеля для передачи ч/б и цветного сигнала отвечает цветовая поднесущая 4.43 МГц для системы PAL или 3.58 для системы NTSC. Поскольку длинный коаксиальный кабель действует как фильтр нижних частот, то влияние на цветовую информацию будет сказываться быстрее, чем на нижние частоты, так что потеря цветовой информации будет предшествовать потере деталей в нижних частотах.

Если требуется большая длина, то можно использовать дополнительные устройства для выравнивания и усиления видеоспектра. Такие устройства называют усилителями, выравнивателями или корректорами кабеля. В зависимости от качества усилителя (и кабеля) можно увеличить протяженность кабеля в два или даже три раза.

Лучше всего подключать усилители в середине кабеля, где соотношение с/ш наиболее приемлемо, но часто это невозможно или неудобно из-за трудностей с электропитанием и хранением. Так, большинство усилителей в видеонаблюдении предназначено для подключения со стороны телекамеры, и в этом случае мы фактически получаем предкоррекцию и предусиление видеосигнала. Однако существуют и такие устройства, которые подключаются со стороны монитора и дают выход 1 Vpp (полный размах видеосигнала) с последующей коррекцией полосы частот видеосигнала.

Рис. 10.6. Миниатюрный коаксиальный кабель сэкономит пространство и???

Из вышеупомянутого теоретического объяснения импеданса понятно, что однородность кабеля по длине имеет большое значение для соответствия требованиям характеристического импеданса. Качество кабеля зависит от точности и однородности центральной жилы, диэлектрика и экрана.

Эти факторы определяют значения С и L на единицу длины кабеля. Вот почему надо уделить особое внимание прокладке кабеля и его концевой заделке. Петли и изгибы нарушают однородность кабеля и, следовательно, влияют на его импеданс. Это приводит к высокочастотным потерям, то есть потере мелких деталей изображения, а также удвоению изображения из-за отражений сигнала. Так, если короткий качественный кабель проложен ненадлежащим образом, с острыми изгибами, качество изображения будет очень далеко от идеального.

Качество изображения будет лучше, если изгиб петли будет в 10 раз больше диаметра коаксиального кабеля. Это равносильно высказыванию: «радиус петли должен быть не меньше 5 диаметров или 10 радиусов кабеля». Это означает, что кабель RG-59/U не должен быть согнут в петлю диаметром меньшее 6 см (2.5"), a RG-11/U не должен быть согнут в петлю диаметром меньше 10 см (4").

Медь — один из лучших проводников для коаксиального кабеля. Только золото и серебро обладают более высокими эксплуатационными показателями (сопротивление, коррозия), но для производства кабеля они слишком дороги. Многие полагают, что лучшие кабели получаются из покрытой медью стали, но это не так.

Покрытая медью сталь просто дешевле и, возможно, жестче, но для длинных кабелей в видеонаблюдении лучше использовать медь. Омедненные стальные коаксиальные кабели приемлемы для коллективной антенны, где передаваемые сигналы ВЧ-модулированы (VHF или UHF, MB или УВЧ). А именно, на более высоких частотах так называемый скин-эффект (поверхностный эффект) проявляется сильнее: фактический сигнал перетекает на медную поверхность проводника (не экрана, а центрального проводника). Видеосигналы находятся в основной полосе частоты, и поэтому омедненный стальной коаксиальный кабель может подходить для ВЧ-сигналов, но не для видеонаблюдения. Так что всегда используйте медный коаксиальный кабель.

Рис. 10.7. Минимальный радиус изгиба петли

BNC-разъемы

В видеонаблюдении широко используется концевая заделка коаксиального кабеля, которая называется BNC-разъемом (по первым буквам фамилий создателей Bayonet-Neil-Concelman). Существует три типа BNC-разъемов: с резьбой, запаиваемые и с обжимкой.

Опыт доказывает, что обжимные BNC-разъемы — самые надежные. Для них требуются специальные и дорогие обжимные инструменты, но траты на них себя оправдывают. Больше 50 % проблем, возникающих при установке систем, являются результатом плохой или неправильной заделки кабеля.

Монтажник не должен знать или понимать досконально все оборудование, используемое в системе (это обязанность проектировщика или поставщика), но если он квалифицировано проложит и заделает кабели, то почти наверняка система будет работать отлично.

Рынок предлагает различные BNC-изделия. Самые распространенные из них — штекерные (штыревые контакт-соединения, «папы»). Существуют также гнездовые контакт-соединения («мамы»), угловые адаптеры, адаптеры BNC-BNC (их часто называют «barrels»), 75-омные концевые заделки (или «фиктивные нагрузки»), адаптеры BNC к другим типам соединений и т. д.

Разрыв кабеля посередине и заделка образовавшихся концов приведет к некоторой потере сигнала, особенно, если концы заделаны плохо или использованы некачественные BNC-разъемы. Хорошая заделка дает потерю сигнала всего в 0.3–0.5 дБ. Если на одном кабеле не слишком много заделок, то сигнал пострадает незначительно.

Рис. 10.8. BNC-разъем

Существуют посеребренные и даже позолоченные BNC-разъемы, предназначенные для минимизации контактного сопротивления и защиты разъема от окисления, что особенно важно в прибрежных районах (из-за воздействия соленой воды и влажного воздуха) и промышленных зонах.

Хороший комплект для установки BNC-разъемов должен включать позолоченный или посеребренный наконечник для разрезания кабеля, оболочку (основу) соединителя (BNC shell body), кольцо для обжимания экрана и резиновую трубку-протектор (ее иногда называют «strain relief boot») для защиты конца разъема от острых изгибов и окисления.

Рис. 10.9. Обжимные BNC-элементы (входные и выходные)

Рис. 10.10. Различные BNC-разъемы и адаптеры

Коаксиальные кабели и концевая заделка BNC

Никогда не заделывайте коаксиальный кабель электрическими резаками или плоскогубцами. Зачищать коаксиальный кабель электрическим резаком очень опасно. Во-первых, мелкие частицы меди опадают вокруг центральной жилы, что может стать причиной короткого замыкания. Но даже если короткого замыкания не произойдет, меняется импеданс. Во-вторых, использование обычных плоскогубцев для подсоединения BNC к коаксиальному кабелю никогда не дает надежного результата. В целом, это очень опасные инструменты для заделки обжимных BNC-разъемов, и их можно использовать лишь в крайнем случае, когда не доступны никакие иные инструменты (при этом следует быть предельно осторожным).

Если вам по роду работы постоянно приходится заделывать коаксиальные кабели, приобретите хороший набор специальных инструментов. Это: специальные кусачки (резаки), инструменты для зачистки провода и для обжимки.

Рис. 10.11. Примеры плохого присоединения BNC-разъемов

Инструменты для зачистки и обжимки должны соответствовать диаметру кабеля. Если вы используете кабель RG-59/U (диаметром 6.15 мм), то не путайте

его с RG-58/U (диаметром 5 мм), хотя они и выглядят почти одинаково. У этих кабелей разный импеданс: у RG-59/U — 75 Ом, а у RG-58/U — 50 Ом. Кроме того, у RG-59/U несколько толще и центральная жила, и экран. BNC-разъемы для RG-58/U внешне выглядят так же, но внутри они тоньше.

Лучше всего еще до начала установки, пожертвовав одним разъемом, потренироваться в заделке кабеля. Иногда небольшое различие в размерах кабеля, даже если это RG-59/U, может обернуться массой проблем при подсоединении разъемов.

Технически лучше использовать коаксиальный кабель с твердой внутренней жилой — и с точки зрения импеданса (кабель более жесткий и сохраняет «прямоту»), и с точки зрения заделки. А именно, заделывать такой кабель проще, чем кабель с витой жилой, который слишком гибок. Некоторые предпочитают витой коаксиальный кабель (stranded), главным образом, из-за его гибкости. Но, работая с таким кабелем, необходимо соблюдать осторожность при заделке, поскольку может легко возникнуть короткое замыкание между центральной жилой и экраном.

Если под рукой нет других инструментов, лучше взять спаиваемые BNC-разъемы и заделывать их, соответственно, при помощи пайки. Помните о температуре пайки железа, а также о качестве пайки, так как можно легко повредить изоляцию и изменить полное сопротивление. В этом случае лучше использовать многожильный коаксиальный кабель.

Если в вашем распоряжении есть различные обжимные разъемы, выбирайте те, которые прослужат дольше, то есть более прочные и стойкие к коррозии, например, посеребренные или позолоченные BNC-разъемы. Рекомендуем также использовать «резиновые трубки» (иногда их называют «предохранительными») для защиты внутренней части BNC от коррозии и минимизации напряжения на изгиб при соединении и разъединении.

В особых случаях, например, при установке купольных поворотных устройств, может понадобиться очень тонкий и гибкий коаксиальный кабель в 75 Ом, (поскольку телекамера постоянно поворачивается и наклоняется). Производители кабеля предлагают такой кабель, но не забывайте, что для него потребуются специальные BNC-разъемы и инструменты.

Даже если такой кабель имеет в диаметре всего 2.5 мм (как, например, кабель RG-179 B/U), его полное сопротивление тоже будет равно 75 Ом, что достигается при помощи специального диэлектрика и толщины центральной жилы. Затухание такого кабеля высоко, но для коротких расстояний это несущественно.

Если требуется проложить длинный кабель, необходимы другие кабели 75 Ом, например, RG-11B/U с общим диаметром более 9 мм. Само собой разумеется, для RG-11 также нужны специальные инструменты и BNC-разъемы. Некоторые техники используют специальные механизмы для зачистки или маркировки коаксиального кабеля. Это довольно дорогие механизмы и их трудно найти, но если вы постоянно занимаетесь установкой больших систем видеонаблюдения, то силы, время и деньги, потраченные на их поиск и приобретение, себя оправдают.

Рис. 10.12. Как правильно подсоединить BNC-разъем (размеры зависят от инструмента, используемого для зачистки конца кабеля)

Рис. 10.13. Инструменты для заделки кабеля

В таблице 10.1 представлены типичные показатели затухания различных коаксиальных кабелей. Обратите внимание, что затухание показано в децибелах и относится к амплитуде напряжения видеосигнала.

Воспользовавшись таблицей, приведенной в разделе об отношении с/ш для телекамер, можно подсчитать, что 10 дБ эквивалентны ослаблению сигнала на 30 %, то есть 0.3 Vpp. В кабеле RG-59 длиной 300 м сигнал ослабляется на 10 дБ. Такая низкая амплитуда сигнала может оказаться недостаточной для видеомонитора или видеомагнитофона. При таком затухании потребуется усилитель.

Методы установки

До установки нужно проверить, кабели какой длины предлагают поставщики. Обычно прилагаются катушки с кабелем длиной примерно 300 м (1000 футов), но также встречаются катушки и в 100 м, и в 500 м. Естественно, если это возможно, лучше прокладывать один неразрывный кабель. Если же по каким-либо причинам требуется более длинный кабель, то его можно удлинить, заделав концы основного и добавляемого кабелей. Хотя обычно в подобном случае соединение выполняется при помощи адаптера BNC-BNC («barrel»), но, чтобы уменьшить количество точек соединения, лучше использовать один штекер BNC и одно гнездо (то есть обжимные BNC «папу» и «маму»).

Еще до укладки кабеля следует изучить трассу на предмет потенциальных проблем вроде острых углов, забитых кабельных каналов и т. п. После определения жизнеспособного маршрута, следует распределить кабель таким образом, чтобы точки соединения и подключения усилителей находились в доступных местах.

Важно, чтобы в местах будущих соединений был оставлен достаточный запас кабеля. Обычно достаточно перехлеста кабелей в 1 м.

Если возможно, кабель следует укладывать в кабелепровод (conduit) соответствующего размера.

Производители предлагают кабелепроводы разной длины и диаметра, в зависимости от числа кабелей и их диаметров. Для внешней прокладки кабеля необходим специальный кабелепровод с усиленной защитой от действия ультрафиолета. В особых условиях, например, на железнодорожных станциях, используйте специальные металлические кабелепроводы. Они защищают кабель от повышенного электромагнитного излучения в момент прохождения электропоезда.

Те же меры предосторожности необходимо соблюдать и при прокладке коаксиального кабеля под землей. При этом особое внимание следует уделить предотвращению повреждений, вызванных чрезмерной нагрузкой в локальных точках. Такие нагрузки могут возникать в местах контакта кабеля с неоднородным материалом засыпки или неровностями траншеи. Повреждения по этой причине проявятся не сразу, но изображение будет страдать из-за изменения полного сопротивления в точках деформации кабеля. Так или иначе, затраты на откапывание и ремонт кабеля очень велики, и лучше сразу постараться сделать все возможное для хорошей укладки.

Вы хорошо защитите кабель от повреждений, если уложите кабель на слой песка толщиной примерно 50-150 мм и присыплете таким же слоем песка сверху. Особое внимание следует уделить выкапыванию траншеи, дно которой должно быть ровным, без выступов. При закапывании траншеи следите за тем, чтобы в засыпке не было камней, которые могут повредить кабель.

Рис. 10.15. Рекомендации по укладке кабеля в грунт

Рис. 10.16. Машина для автоматической заделки коаксиального кабеля

Рис. 10.17. Образец отличной организации кабеля

Глубина траншеи зависит от типа почвы и от ожидаемой нагрузки на поверхности. В твердой породе понадобится траншея глубиной всего в 300 мм, а если почва мягкая и траншея пересекает дорогу, то траншея должна иметь глубину 1 м. Траншея в обычных условиях должна иметь глубину 400–600 мм и песчаную подстилку толщиной 100–300 мм.

Размещение коаксиального кабеля в кабельном лотке (желобе) требует соблюдения все того же главного правила: минимального радиуса изгиба.

Как уже говорилось, минимальный радиус изгиба зависит от размера коаксиального кабеля, но общее правило гласит, что радиус петли должен быть не меньше 5 диаметров (или 10 радиусов) кабеля. Правило минимального изгиба должно соблюдаться даже тогда, когда используется кабельный лоток. Не следует стремиться к аккуратности и изгибать кабель, пытаясь уложить его рядом с силовыми и другими кабелями.

Помните, что изгиб кабеля, превышающий минимальный радиус, влияет на полное сопротивление и ведет к потере качества видеосигнала.

Рис. 10.18. Точная организация и маркировка кабелей требует немало времени и сил

Рис. 10.19. Устройство для автоматической маркировки кабеля

Протяжка коаксиальных кабелей выполняется с использованием стальных или пластмассовых «проводников» (направляющих). Все большую популярность приобретают предназначенные для этой цели средства из новых жестких пластмасс. Их называют «змеями».

Используемые обычно средства скрепления кабелей вполне приемлемы, но помните, что при этом нельзя прикладывать чрезмерную силу, чтобы не раздавить коаксиальный кабель и не изменить его полное сопротивление.

Если требуется использовать смазку, обратитесь за рекомендацией к производителю кабеля. Для уменьшения трения можно использовать также тальк или гранулы из полистирола (bean-bag-type polystyrene beans).

В некоторых случаях кабель уже имеет концевые разъемы. При прокладке кабеля они должны быть хорошо защищены. Отверстия в таком случае должны быть больше.

Между конечными точками крепления кабеля лучше оставить небольшую слабину, а не класть кабель в натяг, в случае чего он будет плохо «реагировать» на колебания температуры и вибрацию.

Если во время установки кабель получил какие-то повреждения, оставьте запас кабеля рядом с поврежденным участком, чтобы можно было вставить дополнительные BNC-разъемы.

Динамический рефлектометр

Если предстоит прокладка сложной и длинной трассы коаксиального кабеля, то для обнаружения дефектных участков кабеля вам будет полезен динамический рефлектометр (time domain reflectometer, TDR).

Основной принцип работы рефлектометра состоит в том, что он генерирует короткие и сильные импульсы и измеряет отраженную энергию. Определяя время задержки между введенным и отраженным сигналами, можно довольно точно определить локализацию дефектной заделки кабеля и/или острых изгибов. Это особенно важно, если кабель проходит в недоступных местах.

Рис. 10.20. Динамический рефлектометр

Передача видеосигнала по витой паре

Витая пара — альтернатива коаксиальному кабелю. Этим кабелем пользуются в ситуациях, когда необходимо проложить линию длиной больше двухсот метров. Это особенно выгодно, когда пара проводов уже протянута между двумя точками.

Рис. 10.21. Симметричная передача видеосигнала (по витой паре)

Если используются обычные провода, то кабель витой пары обходится довольно дешево, но если используется особый кабель (рекомендованный производителями), с минимум 10–20 скрутками на один метр и защитной оболочкой, то это будет гораздо дороже.

Передачу видеосигнала при помощи витой пары также называют симметричной видеопередачей.

Ее идея очень проста и отличается от несимметричной (коаксиальной) передачи видеосигнала. А именно: чтобы минимизировать внешние электромагнитные помехи, по витой паре передается сбалансированный сигнал. Все нежелательные электромагнитные помехи и шум в конечном счете одинаково воздействуют на оба провода. Вот почему лучше использовать специальные кабели, в которых оба провода одинаково подвержены наводкам и имеют одинаковое падение напряжения. В отличие от передачи по коаксиальному кабелю с заземленным экраном, в концепции передачи видеосигнала по витой паре не заложено уравнивание потенциалов между конечными точками.

Когда сигнал достигает приемного конца линии на основе витой пары, он попадает на вход дифференциального усилителя с хорошо сбалансированным фактором коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС). Этот дифференциальный усилитель считывает дифференциальный сигнал между двумя проводами.

Рис. 10.22. Модули видеоприемника витой пары на 19" кабельной

Если два провода имеют схожие характеристики и достаточно закруток на метр (чем больше, тем лучше), на них будут одинаково воздействовать шумы, падение напряжения и наводки. Усилитель с хорошим КОСС на приемном конце линии устранит большую часть нежелательных шумов.

Выходное полное сопротивление (импеданс) витой пары обычно равно 100 Ом.

Недостаток этого типа передачи состоит в том, что в дополнение к кабелю необходимы одно передающее и одно приемное устройство. Они увеличивают не только стоимость системы, но и риск потерять сигнал, если какой-либо из этих двух компонентов выйдет из строя.

Однако если используется специальный кабель, его можно протянуть на гораздо более дальние расстояния, чем это позволяют кабели RG-59 или даже RG-11. Производители обычно указывают расстояния более 2000 м для ч/б сигналов и более 1000 м для цветных, причем без каких-либо промежуточных усилителей. Кроме того, при симметричной передаче не возникает «земляных петель», что имеет место при передаче по коаксиальному кабелю. Заделка кабеля витой пары не требует специальных инструментов и разъемов. Все это еще больше повышает привлекательность такой передачи.

Должен признаться, что я всегда предпочитал коаксиальный кабель. Но однажды я увидел большую систему в аэропорту Франкфурта на витой паре, которая давала, к моему удивлению, столь же высокое качество видеосигнала, как и коаксиальный кабель. Теперь я не сомневаюсь в том, что при надлежащем выборе оборудования, как кабеля, так и пары передатчик/ приемник, витая пара может быть прекрасной альтернативой коаксиальному кабелю. Кроме того, за последние пять лет мне довелось повидать немало систем видеонаблюдения, которые использовали витую пару для передачи видеосигнала. Следует отметить, что передача видеосигнала по витой паре особенно практична, когда для записи используются цифровые видеорегистраторы, поскольку они особенно чувствительны к эффекту «земляной петли».

Микроволновая связь

Микроволновая связь (СВЧ) используется для высококачественной беспроводной передачи видеосигнала.

Видеосигнал сначала модулируется частотой, которая соответствует микроволновому диапазону электромагнитного спектра. Длины волны этого диапазона варьируются от 1 мм до 1 м. Используя известное уравнение, связывающее частоту и длину волны:

? = с/Т [м] (50)

где с — скорость света 300 000 000 м/с, мы можем подсчитать, что микроволновый диапазон лежит в пределах от 300 МГц и 300 ГГц. Верхний уровень фактически накладывается на инфракрасные частоты, которые не превышают 100 ГГц. Следовательно, нижняя часть инфракрасного спектра также входит в микроволновый диапазон. Однако практически, для микроволновой передачи видеосигнала обычно используются частоты от 1 до 10 ГГц.

Так как многие службы — военные, полиция, скорая помощь, курьеры, авиационные радары — используют искусственные частоты, необходимо было урегулировать проблему использования частот. Это сделали Международный союз телекоммуникаций (ITU) и местные власти разных стран. В Австралии это входило в обязанности Министерства транспорта и коммуникаций, которое недавно было переименовано в Spectrum Management Agency («Агентство распределения спектра»). Таким образом, используя микроволновую связь в видеонаблюдении, следует учитывать тот важнейший факт, что каждую частоту и vикроволновый передатчик необходимо согласовать с местными властями, чтобы свести к минимуму вторжения на частоты других служб, использующих тот же спектр. Это позволяет защитить зарегистрированных пользователей, но также является большим недостатком (по крайней мере, для видеонаблюдения) и причиной того, что многие разработчики систем видеонаблюдения обращаются к микроволнам лишь в крайнем случае.

Рис. 10.23. Микроволновая передача видеосигнала

Микроволновая связь позволяет передавать очень широкую полосу частот видеосигналов, а также, если необходимо, других данных (включая звук и/или PTZ-контроль). Полоса частот передачи зависит от модели передатчика. Качественные устройства обычно обеспечивают полосу частот в 7 МГц, которой достаточно для высококачественной передачи видеосигнала без заметного искажения.

Микроволновая передача обычно идет в одном направлении — например,

видеосигнал посылается из пункта А в пункт Б. Хотя возможна и двунаправленная передача — если необходимо передавать видеосигнал в двух направлениях или нужно передавать видеосигнал в одном направлении, а другие данные — в другом. Последнее очень важно, если используются PTZ-камеры.

Техника кодирования, обычно используемая в передаче видеосигнала, — это частотная модуляция (ЧМ), но может использоваться и амплитудная модуляция (AM). Если аудио- и видеосигналы передаются одновременно, то видеосигнал модулируется посредством AM, а аудиосигнал — посредством ЧМ, как и в телевещании.

Передатчик и приемник должны находиться на линии прямой видимости. В большинстве случаев передающие и приемные антенны представляют собой параболические антенны, аналогичные тем, что используются для приема спутникового телевидения.

Расстояния, которые можно покрывать при помощи этой технологии, зависят от выходной мощности передатчика и диаметра антенны, что определяет коэффициент усиления передатчика и чувствительность приемника.

Очевидно, что на качество сигнала влияют атмосферные условия.

Если система спроектирована не достаточно грамотно, то микроволновая связь, обеспечивающая отличное изображение в погожий день, может давать значительную потерю сигнала в проливной дождь. Туман и снег также влияют на сигнал. Если параболическая антенна не закреплена должным образом, качающий ее ветер может повлиять на связь, приводя к периодической потере прямой линии видимости.

Многие параболические антенны имеют пластиковое или кожаное покрытие, защищающее внутреннюю параболическую поверхность. Это покрытие одновременно уменьшает воздействие ветра и защищает чувствительные части антенны от дождя и снега.

Крепление и устойчивость антенны СВЧ-диапазона имеют первостепенную важность для качества связи. Чем большее расстояние требуется покрыть, тем больше должна быть антенна и более надежным должно быть крепление. Первоначально выровнять линию видимости на большом расстоянии довольно сложно, хотя в высококачественном оборудовании есть встроенный индикатор напряженности поля, который облегчает выравнивание.

Большинство производителей, специализирующихся на микроволновой связи, указывают максимальное расстояния передачи до 30 км. Обычно для систем видеонаблюдения требуется не больше двухсот метров, так что если есть линия прямой видимости, это ограничение не является проблемой.

Мощность передачи и размер антенны, необходимой для определенного расстояния, должны быть подтверждены производителем.

Рис. 10.24. Микроволновые антенны и приемники

Рис. 10.25. Микроволновый передатчик

Для микроволновой связи на более коротких расстояниях могут использоваться стержневые антенны или другие типы непараболических антенн, что очень практично, если имеются проблемы с размещением. В данном случае возникают проблемы безопасности, связанные с ненаправленной передачей сигнала, но есть и преимущества — довольно широкая область охвата.

Один очень интересный способ использования микроволновой передачи видеосигнала был впервые предложен в Австралии во время трансляции по телевидению автогонок. Для того чтобы зрители могли видеть то, что видит участник соревнования, на крыше гоночного автомобиля устанавливалась всенаправленная передающая антенна, которая транслировала видеосигнал телекамеры автомобиля на приемник, установленный на вертолете, который кружил над гоночным треком. С вертолета сигнал дальше передавался в фургон с ТВ-аппаратурой.

Большинство производителей систем микроволновой связи предлагают интерфейс RS-232 — для телекамер и других средств дистанционного управления. Некоторые производители оборудования для систем видеонаблюдения предлагают также средства управления в аудиодиапазоне, так что фактически вы можете использовать аудиоканал микроволновой связи (в направлении, противоположном направлению передачи видеосигнала) для управления PTZ-камерами.

Относительно недавно с появлением цифровых систем видеонаблюдения микроволновый канал стал очень часто использоваться для передачи цифрового видеосигнала. С помощью современных средств беспроводной связи Wi-Fi микроволновая передача данных значительно упростилась. Фактически нужно только правильно организовать компьютерную беспроводную сеть и назначить устройствам IP-адреса.

Сейчас для такой микроволновой передачи цифровых данных чаще всего используется специально зарезервированная свободная частота 2.4 ГГц. Так же, как и при передаче аналогового видеосигнала, максимальное расстояние передачи зависит от мощности передатчика и размера антенны.

Радиочастотная беспроводная (эфирная) передача видеосигнала

Радиочастотная (РЧ) передача видеосигнала по модуляции напоминает микроволновую передачу. Однако основные различия заключаются в том, что частота модуляции лежит в ОВЧ и УВЧ (VHF и UHF) диапазонах и осуществляется «всенаправленная» передача сигнала. Направленная (директорная) антенна типа «волновой канал» (подобно внутренним антеннам, используемым для приема определенного телеканала) позволяет получать сигнал в более удаленных точках. Следует отметить, тем не менее, что в зависимости от норм, принятых в вашей стране, мощность излучения не должна превышать определенный предел, а в случае такого превышения потребуется одобрение соответствующего органа, регулирующего использование частот.

РЧ-передатчики обычно снабжены видео- и звуковыми входами, а методы модуляции напоминают методы модуляции микроволн, то есть, для видеосигнала используется амплитудная модуляция, а для звукового сигнала — частотная. Передаваемый спектр зависит от модели передатчика, но вообще он уже, чем при микроволновой связи. Обычно это 5.6 МГц, что достаточно для объединения звука и видео в один сигнал.

Подобными характеристиками обладает бытовая аппаратура — это так называемые «РЧ-отправители» или беспроводные модули связи с видеомагнитофоном (VCR). В РЧ-модулятор с выходов видеомагнитофонов подаются аудио- и видеосигналы, которые он перемодулирует и затем передает на другой видео магнитофон, находящийся в доме. Подобные устройства изготавливаются без расчета на видеонаблюдение, поэтому сигнал передается на расстояния в непосредственной близости от дома. Если требуется беспроводная передача на короткое расстояние, то это самый дешевый и удобный способ.

Так как ОВЧ и УВЧ диапазоны предназначены для приема обычного сигнала телевещания, то вы должны (с разрешения местных властей) использовать каналы, не мешающие телевещанию.

В большинстве стран УВЧ-каналы с 36 до 39 преднамеренно не используются телевизионными станциями — они оставлены для VCR-TV связи, видеоигр и т. п.

Существенным недостатком использования радиочастоты в видеонаблюдении является то, что сигнал может быть получен любым ТВ-приемником, находящимся на незначительном расстоянии. Правда, иногда это и требуется. Например, для работы системы в больших комплексах, где телекамеры, наблюдающие за главным входом, подсоединены через коллективную антенну, так что арендаторы могут просматривать телекамеру на определенном канале своих ТВ-приемников.

Радиочастотная связь, в отличие от микроволновой связи, не требует прямой видимости, поскольку РЧ-излучение (в зависимости от того, УВЧ это или ОВЧ) может проходить через кирпичные стены, дерево и другие неметаллические объекты. Расстояние распространения радиосигнала зависит от многих факторов, и лучше всего проверять это в конкретных условиях (там, где будет использоваться РЧ-передатчик).

Рис. 10.26. Беспроводная (РЧ) передача видеосигнала

Рис. 10.27. РЧ-модулятор

Инфракрасная беспроводная передача видеосигнала

Из заголовка понятно, что инфракрасная передача использует для передачи видеосигнала оптические средства. Источником света является инфракрасный светодиод. Яркость световой несущей модулирована видеосигналом. Данный тип передачи напоминает нечто среднее между микроволновой передачей и оптоволоконной (которая рассматривается ниже). Вместо микроволновых частот используются инфракрасные частоты (ИК-частоты выше). И вместо оптоволоконного кабеля (что имеет место в волоконной оптике, опирающейся на принципы полного внутреннего отражения), используется открытое пространство. Следовательно, для этой передачи необходима линия прямой видимости. Для передачи на ИК-частотах особого разрешения не требуется — в этом очевидное преимущество этого типа связи.

Чтобы сконцентрировать инфракрасный свет в узкий пучок и минимизировать потери при передаче, требуется смонтировать систему линз на передатчике. Потребуется также система линз на принимающем конце линии, чтобы сфокусировать свет на фоточувствительный детектор.

Цветные и ч/б видеосигналы, а также аудиосигнал можно передавать на расстояние более 1 км. Более мощные системы линз и светодиоды, а также чувствительный приемник, позволят передавать сигнал на большие расстояния.

Необходимо принять специальные меры предосторожности для обеспечения благоприятного температурного режима в зоне передатчика, иначе на приемник могут попасть инфракрасные частоты, излучаемые горячими стенами, раскаленными крышами и металлическими объектами.

Понятно, что такие погодные условия, как дождь, туман и ветер влияют на инфракрасный канал связи больше, чем на ультракоротковолновую передачу.

Рис. 10.28. Инфракрасная (эфирная) передача видеосигнала

Рис. 10.29. Инфракрасный видео Tx/Rx

Рис. 10.30. Инфракрасная видеосвязь между поездом и телекамерами на станции

Передача изображений по телефонной линии

Вначале были системы slow-scan TV (ТВ медленного сканирования). Такая система передавала видеоизображение по телефонной линии с очень маленькой скоростью — один полный кадр черно-белого изображения передавался десятки секунд. Затем появились системы fast scan TV, которые стали популярной альтернативой системам slow-scan. Когда готовилось это издание книги, практически вся индустрия видеонаблюдения перешла на использование сети Интернет, которая оказалась прекрасной заменой телефонным коммуникациям при передаче видеоизображения, поскольку Интернет-коммуникации в большинстве случаев стали настолько же хорошими, как и телефонные. Большинство организаций и частных лиц сейчас имеют высокоскоростные линии связи для подключения к сети Интернет. Как правило, для этого используется уже проложенная телефонная пара проводов (DSL, цифровая абонентская линия). В этом случае скорость передачи выше, чем в системах fast scan. Впрочем, для того чтобы полностью осветить тему, мы немного расскажем и об использовании телефонной линии для передачи изображения в системах видеонаблюдения. Кроме того, возможно, вам еще придется столкнуться с такой ситуацией, когда телефонная линия имеется, а Интернет не подключен.

Концепция медленного сканирования родилась в конце 1950-х, тогда ею воспользовались операторы радиолюбительской связи. Позже она начала использоваться в видеонаблюдении. Концепция очень проста.

На обоих концах линии связи (как и при любой другой передаче) находятся вполне определенные устройства — передатчик и приемник. Аналоговый видеосигнал, поступающий с телекамеры, преобразуется в цифровой формат. Затем он сохраняется в ОЗУ (RAM) передатчика. Обычно это происходит по внешнему сигналу тревоги или по запросу с приемника. Сохраненное изображение (на этом этапе оно в цифровом формате) частотно модулируется аудиочастотой, которую «слышит» принимающий телефон. Эта частота обычно лежит в пределах 1–2 кГц — на этой частоте ослабление сигнала в телефонной линии минимально. Приемник, получив сигнал, разбирает изображение строка за строкой, начиная с верхнего левого угла, пока изображение на принимающем конце линии не будет преобразовано в аналоговое представление (стоп-кадр).

Вначале эта концепция была очень медленной, но, учитывая неограниченные расстояния, обеспечиваемые телефонной линией (при наличии совместимого с приемником передатчика), идея стала привлекательной для удаленного мониторинга в системах видеонаблюдения.

Передатчики «slow-scan» обычно подсоединяются к нескольким телекамерам, так что зритель может просматривать изображения с любой из них. К тому же, любая телекамера может передавать изображение автоматически по сигналу тревоги. Передавать изображение на принимающую станцию могут несколько передатчиков, каждый из которых защищен паролем от несанкционированных зрителей.