Можно..., если осторожно!

(о реальных максимальных дальностях передачи видеосигнала по витой паре)

© [Алгоритм безопасности №3, 2002, www.algoritm.org]

 

В свое время, говоря о технических характеристиках аппаратуры передачи видеосигнала по витой паре (АПВС), мы отмечали, что максимальная нелинейность характеристики на всем диапазоне 50 Гц - 6МГц не превышает 1дБ, т.е. можно считать, что видеосигнал передан практически без искажений. Максимальная дальность передачи для одного комплекта АПВС (кодер - декодер) по кабелю ТППэп Nх2х0,5 составляет 2 км.

Это все есть, это отработано, это уже никого не удивляет. Следующий вопрос нашего клиента очевиден: «А больше можно?». Да, можно. А вот о том, на сколько можно и как можно имеет смысл поговорить, чтобы избежать в будущем различных недоразумений с потенциальными клиентами.

Поводом для статьи послужили следующие события.

На прошедшей в ноябре 2001 г. в С-Петербурге выставке «Охрана и Безопасность» мы показали передачу видеосигнала по витой паре (кабель ТППэп) с помощью аппаратуры АПВС через пять ретрансляций на 8,5 км. При этом оконечный видеосигнал успешно воспринимался цифровой аппаратурой (компьютерной системой обработки). Юмора ради, над всем этим делом висел плакат «А Вам слабо?!». Оказалось, что следовало, как и в известной одноименной телерубрике, сделать приписку: «Не повторять! Опасно!». Основная наша цель такой акции была показать качество аппаратуры, как таковой, а вовсе не призывать клиента к исследованиям предельных возможностей. Хотя заметим, что никакого фокуса мы не показывали, все было честно. Но,…грамотно и профессионально.

Прошла выставка, и наш потребитель стал со спокойной душой делить дальности по 4, 5, 6 …10 километров на 2 (максимальная дальность передачи одного комплекта), и заказывать у нас полученное число комплектов. Будучи заинтересованными в конечном успехе построения системы нашими партнерами, а не в примитивной продаже вала продукции, считаем необходимым осветить тему предельных дальностей передачи более подробно.

Для начала ответим на вопрос, почему предельная дальность передачи для одного комплекта АПВС по кабелю ТППэпNх2х0,5 составляет 2 км.

АЧХ для кабеля ТППэп Nх2х0,5 (изображение открывается в новом окне)

Рис.1. АЧХ для кабеля ТППэп Nх2х0,5.

Главным критерием, определяющим пригодность линии связи для передачи видеосигнала, является амплитудно-частотная характеристика (а вовсе не ее «импортность» или громкое имя фирмы-производителя).

Приблизительный вид АЧХ для кабеля ТППэп Nх2х0,5 показан на рис.1

Вид параболы этот график имеет при логарифмической шкале по оси Х. Если строить зависимость коэффициента затухания непосредственно от частоты, можно считать, что график такой функции близок к прямой.

Для различных типов кабеля эти зависимости будут различными. В частности для «импортной витой пары 5-й категории» - AWG-24(0,5) уже для дальности 1 км на частоте 3 МГц начинается резкий спад характеристики. Поэтому, этот кабель для передачи видеосигнала на большие расстояния использовать не рекомендуем .

Итак, на дальности в 2 км затухание на границе спектра (6 МГц) составляет 80 дБ. Если амплитуда стандартного видеосигнала (на выходе из камеры) составляет 1 В, то при затухании в 80 дБ (10 000 раз), будем иметь на другом конце линии уровень в 10 мкВ. В любом случае, полезный сигнал для приемной аппаратуры обработки и синтеза изображения может считаться таковым при соблюдении условия : соотношение сигнал / шум после восстановления должно составлять не менее ~40 дБ, при этом на высоких частотах границы спектра (5 - 6 МГц) достаточно иметь соотношение сигнал/шум не менее 10 дБ.

Поскольку уровень шумов окружающей среды в общем случае имеет определенный достаточно конкретный уровень, то затухание для видеосигнала в 80 дБ является предельно допустимым. Грубо говоря, из уровня в 10 мкВ исходный видеосигнал восстановить можно.

Для полного идеального восстановления видеосигнала после передачи нам необходимо обеспечить АЧХ в виде горизонтальной прямой и полностью восстановить его уровень в 1 В.

Для чего, как видно из рис.1, необходимо на разных частотах обеспечить различное усиление.

В действительности корректирующие звенья могут располагаться как на приемном, так и передающем концах. Для сравнительно небольших дальностей всю коррекцию и восстановление сигнала можно обеспечить только на приемном конце; для максимальных дальностей это приходится делать и там, и там.

Зависимость суммарного коэффициента усиления от частоты (изображение открывается в новом окне)

Рис.2. Зависимость суммарного коэффициента усиления от частоты

Зависимость суммарного коэффициента усиления от частоты (например, для дальности в 2 км) в идеальном варианте имеет вид , показанный на рис.2.

В конечном итоге результирующую АЧХ должны получить в идеальном случае «в нулях»: во всем частотном диапазоне не должно быть ни ослаблений сигнала, ни подъемов.

Для дальности передачи до 2000 метров для кабеля ТППэп Nх2х0,5 (затухание на границе спектра 80 дБ), сигнал может быть восстановлен аппаратурой АПВС. Дальнейшее увеличение амплитуды видеосигнала на передающем конце ограничено применяемой элементной базой. Но даже, если перейти на усилители с повышенным напряжением питания (что в первую очередь и определяет максимальное выходное напряжение), выигрыш в компенсации затухания в линии оказывается не столь существенным. Так, при размахе видеосигнала на выходе передатчика +2 В получаем выигрыш на высоких частотах в ~7 дБ; при размахе +3 В еще +2 дБ. К существенному увеличению дальности передачи это не приведет. Реально - до 2,5 км при существенном увеличении цены .

Еще немаловажный факт - стыковка в одном магистральном кабеле сигналов, передаваемых на разные расстояния. В каждой точке магистрали уровни всех проходящих в ней сигналов должны быть приблизительно одинаковые для избежания взаимного влияния.

Резюме - 2 км - это предел передачи видеосигнала без значительных искажений в полном спектре 50 Гц - 6 МГц по кабелю ТПП эп посредством одного комплекта аппаратуры АПВС.

Для дальнейшего увеличения дальности передачи необходимо сигнал ретранслировать. Т.е. восстановленный сигнал передать дальше по линии с помощью другого комплекта АПВС.

Если бы результирующая АЧХ действительно была бы «в нулях», и если бы не было шумов окружающей среды, такую передачу можно было бы осуществлять очень и очень далеко, добавляя и добавляя новые комплекты АПВС.

В действительности это «если бы» вносит очень существенные ограничения.

Во-первых, примененная в АПВС элементная база (точность номиналов резисторов составляет 1%, а емкостей - 5%) позволяет достичь нелинейности АЧХ в пределах + 1 дБ. Применение однопроцентных конденсаторов позволило бы уменьшить эту цифру до 0,2 дБ, однако это связано с весьма ощутимым финансовым бременем, которое в конечном итоге неизбежно ляжет на конечного потребителя.

Во-вторых, при предельной дальности 2000 метров на границе спектра (6 МГц) затухание составляет около 3 дБ, что само по себе незначительно влияет на качество принятого сигнала, однако, вносит существенные ограничения при ретрансляциях, на чем остановимся ниже.

Предискажения и результирующая АЧХ (изображение открывается в новом окне)

Рис.3. Предискажения и результирующая АЧХ

Таким образом, предискажения и результирующая АЧХ отличаются от идеальных и имеют вид, показанный на рис.3

Очевидно, что каждый комплект АПВС в одной линии передачи будет вносить свою нелинейность.

Конечно, не исключена вероятность того, что может иметь место и взаимная компенсация нелинейностей, но чтобы говорить о каких-то гарантированных параметрах, следует рассматривать наихудший из возможных вариантов, т.е. когда все они будут суммироваться (либо - в плюс, либо - в минус).

Таким образом, при использовании двух комплектов для передачи сигнала (одна ретрансляция), нелинейность АЧХ будет составлять + 2 дБ, для трех (две ретрансляции) - + 3 дБ, и т.д.

Нас, в конечном итоге, интересует не сама нелинейность, а ее влияние на передаваемый видеосигнал.

Прежде всего, любое затухание на границе диапазона (6 МГц) приводит к падению разрешения. Изменение видеосигнала, связанное с «завалом» высоких частот (5-6 МГц) на 3 дБ, на экране монитора практически не воспринимается. Для практических целей вполне допустимо принять предельное значение затухания и в 4 дБ.

Если же организовывать ретрансляции с предельными дальностями передачи (участки между точками ретрансляции) в 2000 метров, то нелинейность -3дБ превращается в -6 дБ для одной ретрансляции, -9дб - для двух, -12 дБ - для трех, что выльется в полную потерю разрешения видеосигнала. Причем, если для средних частот диапазона, а также для меньших дальностей передачи нелинейность может быть как в «плюс», так и в «минус», может иметь место взаимная компенсация нелинейностей, то для граничных значений дальности и частоты нелинейности бывает только в «минус» (только затухание), которые только суммируются при ретрансляциях.

Поэтому, участки между ретрансляциями следует брать такой длины, на которой нелинейность АЧХ гарантировано не выйдет из диапазона +1 дБ.

В результате многочисленных экспериментов на реальных линиях передачи нами определена такая максимальная дальность участков между ретрансляциями в 1,5 км.

Еще очень важный момент применительно к задачам видеоконтроля. Как правило, в большинстве систем на приемном конце стоит цифровая аппаратура коммутации и обработки (начиная с обычного квадратора). Кадр определяется такой аппаратурой по синхроимпульсу. В спектре видеосигнала синхроимпульс находится на частоте от 200 кГц и выше. Непосредственно для синхроимпульса искажения АЧХ в указанных величинах на этих частотах не существенны, так как в конечном итоге в приемнике АПВС полностью происходит восстановление синхроимпульса. Но в этом же диапазоне находится гасящий импульс, уровень которого в исходном сигнале должен быть нулевым (рис.4)

Рис. 4
Рис. 4

Такой вид имеет идеальный видеосигнал. В реальности допускается уровень гасящего импульса не более 30% от уровня синхроимпульса, т.е. в среднем - не более 0,1 В.

Наиболее неблагоприятная ситуация - подъем усиления на средних частотах (от 200 кГц). Если при ретрансляциях произойдет сложение нелинейностей в «плюс», то в результате суммарного подъема усиления происходит так называемый выброс гасящего импульса (возникает дифференциал) (Рис.5).

Рис. 5
Рис. 5

Может так случиться, что величина этого дифференциала превысит допустимое максимальное значение (~0,1 В).

В абсолютном большинстве цифровой аппаратуры видеонаблюдения синхроимпульс определяется по переднему фронту (по длительности оценка не производится), и если величина дифференциала сравнима с величиной синхроимпульса, такая аппаратура «имеет право» воспринять гасящий импульс, как синхроимпульс. В результате - сбой изображения, причем, постоянный. И в то же время, такой канал, подключенный непосредственно к монитору, может давать вполне устойчивую картинку, ибо в мониторе работает аналоговая схема определения (по амплитуде). Так что если вы встретились с ситуацией, когда на мониторе наблюдается устойчивое изображение, которое никак не хочет воспринимать мультиплексор, это еще не значит, что нужно немедленно бежать с претензиями к продавцу последнего. Вполне возможно, что вы столкнулись именно с ситуацией чрезмерного подъема уровня на частотах синхроимпульса.

Попутно заметим, что сплошь и рядом встречаются видеокамеры, имеющие заведомый выброс гасящего импульса в исходном видеосигнале. Поэтому, никогда не вредно проверить по осциллографу изначальный сигнал, который собираемся передавать.

Из нашего опыта, три ретрансляции (4 комплекта в линии; максимальная возможная нелинейность АЧХ - 4 дБ) - тот допустимый предельный случай, который при всех неблагоприятных сочетаниях позволит передать видеосигнал от «массовой» произвольной камеры.

Суммируя вышеизложенное, получаем, что среднее максимальное расстояние передачи аналогового видеосигнала по кабелю ТППэп (и ему подобных по АЧХ) составляет 6 км (4 комплекта; 3 ретрансляции; по 1,5 км каждый участок).

Кроме рассмотренных, очень существенные «жизненные коррективы» способен внести сам кабель. Каждый конкретный кабель одной и той же марки имеет собственную нелинейность характеристики затухания; даже абсолютно новый кабель «имеет право» на некий разброс параметров, конечно, в рамках ГОСТа. Ну, а кроме того, полезно знать, что нормируются кабели связи до частоты 300 кГц (а наш видеосигнал имеет спектр до 6 МГц). Далее приходится уповать на добросовестность изготовителя, обеспечивающего постоянство характеристики. А база данных по характеристикам затухания в спектре видеосигнала, как правило, создается самим изготовителем аппаратуры передачи, и на основании ее даются рекомендации по применению той или иной марки кабеля. Так, кабель ТППэп рекомендован именно в силу достаточной равномерности затухания во всем спектре, но если вдруг для какого-то конкретного физического кабеля случится какой-либо «провал» за пределами 300 кГц, кабель , в силу ГОСТа, все равно будет считаться качественным. Возможно, например, что кабель AWG24 нормируется до более высоких частот (как кабель для компьютерных сетей). Однако, на частоте 3 МГц его характеристика затухания резко «обваливается», по нему невозможно передать уже сигнал свыше 4,5 МГц на расстояние 1000 метров.

Конечно, для передачи видеосигнала речь может идти только о заведомо качественном кабеле. Кабельные трассы с разрушенной изоляцией, поврежденными соединительными муфтами и т.п. не могут успешно использоваться для наших целей. Параметры таких линий могут не только значительно отличаться от допустимых, но и иметь переменный во времени характер. В этом случае разумно сразу отказаться от использования имеющихся линий и прокладывать новые.

Изготовленная аппаратура настраивалась и проверялась тоже на совершенно конкретном кабеле с совершенно жесткими «собственными» параметрами, которые в общем случае не будут совпадать с параметрами вашего кабеля (в пределах допустимого ГОСТом разброса). И это тоже неизбежно скажется на общей картине передачи. Возможно, что именно вам повезет, и этот разброс скомпенсирует какие-то другие отклонения. Но если речь идет об отправке аппаратуры в другой конец страны для построения системы силами местных специалистов, в расчет разумно принимать наихудшую ситуацию - суммирование всех возможных отклонений и оценка возможности работы всей аппаратуры.

Итак, 6 000 метров - это то расстояние, на которое возможна передача видеосигнала по витой паре при соблюдении всех правил и рекомендаций на базе стандартных произвольно взятых комплектов АПВС при заведомо исправных всех звеньях цепи передачи. При этом допускается наиболее неблагоприятное суммирующее отклонение параметров различных звеньев передачи.

Игнорирование или непонимание изложенных выше моментов приводит к тому, что задача передачи на такие расстояния оказывается невыполнимой силами самого заказчика, а «виновником» собственных неудач заказчик объявляет аппаратуру передачи. Появляется незаслуженная антиреклама.

На самом деле, осмыслив ситуацию применительно к обычному стандартному комплекту АПВС для передачи видеосигнала до 2 км, можно говорить, фактически, о четырехкратном «запасе надежности» аппаратуры. Это, как раз, мы и хотели продемонстрировать нашей выставочной передачей на 8,5 км.

Как мы этого достигли ? Взяли заведомо хороший видеосигнал, проконтролировав его форму по осциллографу на выходе из камеры; имели хороший новый кабель ТППэп 5х2х0,5; имели очень точно снятую АЧХ именно для нашего конкретного кабеля; подобрали комплекты АПВС, исключая суммирование нелинейностей, что также в состоянии были проконтролировать после каждого участка ретрансляций. Вот и все. Если вы в полном объеме обладаете средствами, силами и желанием для таких работ, можете тоже передавать видеосигнал на 8,5, а то и на 10 км. Если же чего-то в необходимом перечне не достает, лучше не пытаться, а решить задачу иными вариантами, например, организовав цифровую передачу.

Если речь идет не о выставочном стенде, а о реальном «боевом» объекте, то следует учитывать, что для дальностей свыше 6 км сугубо аппаратным решением обойтись, скорее всего, не получится, и стоимость пуско-наладочных работ может оказаться на одном ценовом уровне с аппаратурой передачи, а то и выше. Ну и для «боевых» условий не следует полностью выбирать под ноль «запас прочности». Реальная аппаратура, реальный кабель во времени, в эксплуатации так или иначе будут давать некие колебания собственных параметров, и как это в конечном итоге скажется на работе всей системы в процессе эксплуатации «только Богу известно».

При построении каналов передачи с использованием ретрансляций в допустимых пределах дальностей до 6 км, дабы не «выпасть» из аппаратного решения (производитель техники может не поехать на объекты Западной Сибири) рекомендуем строго придерживаться следующих рекомендаций:

  1. Качественная кабельная трасса:
    • рекомендуемый кабель ТППэп Nх2х0,5 или ему подобный по АЧХ. Если в наличии имеется какой-либо иной кабель, необходимо снять его АЧХ, если таковой не имеется, и определить его пригодность для передачи видеосигнала;
    • максимально исключить количество сростков, скруток, соединений кабеля по трассе, которые способны существенно исказить расчетную характеристику затухания данного типа кабеля;
    • обеспечить однородность кабельной трассы, исключив какие-либо вставки в трассу отрезков кабеля иного типа (на одном из объектов заказчик решил «сэкономить» на кабеле, вставив в линию 3200 метров четырехсотметровый отрезок кабеля П-274, что привело к необходимости перенастройки всей аппаратуры передачи);
    • тщательно проконтролировать состояние всех соединительных муфт на предмет возможного попадания влаги, контактов линии передачи с «землей», с другими проводниками магистрали;
  2. Максимальная длина участков между точками ретрансляций не должна превышать 1,5 км.
  3. Рекомендуется с помощью осциллографа проконтролировать исходный видеосигнал и состояние его после очередного приема в каждой точке ретрансляций для однозначного определения «слабого звена» в случае каких-либо сбоев при окончательном приеме.
  4. Точно определять (желательно, до + 50 метров) длину каждого участка передачи - приема, так как ошибка в 100 метров приводит к подъему или завалу характеристики на высоких частотах на 2,5 - 3 дБ, что в конечном итоге может привести к неприемлемому искажению видеосигнала.
  5. В обязательном порядке задействовать третий провод в каждом канале передачи для выравнивания потенциалов всех приемо-передающих устройств линии; защитное и сигнальное заземление организовывать строго в соответствии с правилами заземления разветвленных сигнальных цепей, о которых мы говорили в сигнальном номере журнала за 2001г.

Но еще раз заметим, что сама возможность такой дальней передачи аналогового видеосигнала с помощью АПВС говорит о большом «запасе надежности» аппаратуры , ее «отточенности» при использовании на расстояниях в пределах 2 км, в тех условиях, для каких она собственно создавалась и массово эксплуатируется.

А.Л. Попов
В.В. Самсонов


Предупреждаем!
Публикация является интеллектуальной собственностью. Полная или частичная перепечатка материалов публикации возможна исключительно с официального согласия авторов и владельцев авторских прав.