Не так все просто, как хотелось бы… [БДИ №6, 2002]

РАДИОКАНАЛ В СИСТЕМАХ ВИДЕОКОНТРОЛЯ

© [БДИ №6, 2002, www.bdi.spb.ru]

Пожалуй, из всех средств передачи видеосигнала самым разрекламированным в сознании массового потребителя является именно радиоканал.

Ежедневно и по много раз, включая телевизор, мы понимаем, что где-то далеко-далеко установлена видеокамера (или камеры), на крыше нашего дома установлена антенна (точнее, антенны), в городе есть телевизионная вышка, и, благодаря всему этому видимому и еще целому комплексу невидимого для потребителя оборудования, мы можем наблюдать качественное цветное в абсолютно реальном времени изображения от этих удаленных за сотни и тысячи километров камер.

А при репортажах соревнований «Формула-1» мы не просто наблюдаем изображения от камер операторов, но и можем видеть ситуацию непосредственно из болида, мчащегося со скоростью около 300 км/час.

Всевозможные детективные фильмы в свою очередь преподносят нам кадры как научной, так и антинаучной фантастики от видеокамер на шлемах бойцов спецназа, передающих информацию откуда угодно и куда угодно до получения масштабированного изображения главного террориста, находящегося где-то далеко в горах на экране 5-дюймового монитора «Videoman» посредством примитивной рамочной ДМВ – антенны, снятой с простейшего автомобильного телевизора.

Все это неизбежно формирует в сознании массового потребителя собственное представление о радиоканале, как способе передачи видео, которое зачастую оказывается весьма и весьма далеким от действительности, а также еще более далекое от реальности представление о собственных материальных возможностях относительно использования подобной аппаратуры для своих целей. Действительно, можно наблюдать ситуацию из гоночного автомобиля, но за кадром остались телевышки – ретрансляторы, установленные через каждые 50 метров вдоль всей трассы, а то и вертолет с ретрансляционной аппаратурой, висящий над болидом. Так что если Вы осилили по деньгам «шестисотого», это вовсе не значит, что сможете когда-либо найти деньги на телерепортаж из него.

С другой стороны, реклама подобной техники применительно к системам видеонаблюдения у специалиста данного профиля нередко вызывает целый ряд дополнительных вопросов, на которые не всегда удается найти ответы, для неискушенного же инсталлятора слепая вера рекламе может «выйти боком». Может даже привести к конфликту с законом и судебным искам.
Бесспорно, обоснованное и грамотное применение радиоканала для передачи видеосигнала удобно и выгодно, нередко экономическая эффективность вразы превосходит все иные способы. Важно определиться, когда это необходимо и на базе какой аппаратуры следует строить решение. Со своей стороны мы (наша фирма) и применяем, и разрабатываем подобную аппаратуру. Естественно, в настоящей статье мы будем опираться на собственный опыт. А о том, что он признается не только нами, говорит хотя бы тот факт, что трансляция фестиваля «Славянский Базар» в г.Витебске из концертного зала на демонстрационный экран, установленный на центральной площади, обеспечивается именно нашей аппаратурой и нашим специалистом, являющимся одним из авторов настоящей статьи. В июле с.г. это был уже наш пятый сезон (кстати, мы «утерли нос» радиорелейной линии, предложенной для этой цели Белорусским телевидением).

Цель статьи – дать понимание тех принципиальных моментов, которые должны быть ключевыми при принятии решения как о применении радиоканала вообще, так и конкретной аппаратуры в частности, тех вопросов, на которые поставщик оборудования должен дать Вам ответ в обязательном порядке, а также вопросов, которые Вы должны осветить перед заказчиком.

Итак, видеосигнал представляет собой широкий спектр частот от 50 Гц до 6 МГц. Естественно, в таком «голом» виде его по эфиру не передать (он просто никуда не придет, даже если предположить гипотетическое существование такой сверхширокополосной передающей аппаратуры. Первое, что необходимо сделать, это произвести им амплитудную (или частотную) модуляцию несущей частоты которая и «полетит» в эфир. Аналогично, спектром звукового сигнала 20 Гц – 20 000 Гц модулируем поднесущую звуковой частоты. Спектры несущих частот видео и аудио сигналов и представляет собой фактически телевизионный канал, который в литературе называется полным телевизионным сигналом.

Вот почему термин «промышленное телевидение» применительно к системе видеонаблюдения какого-либо завода лично нам «режет слух»: невольно начинаешь искать телевизионный сигнал, которого здесь и в помине нет.

Не вдаваясь в радиофизические «дебри» лишь отметим, что для амплитудной модуляциивидеосигналом 6 МГц, сама несущая частота не может быть ниже 45 МГц. Так для 1-го телевизионного канала несущая частота составляет 49,75 МГц, для второго – 59,25 (метровый диапазон, длина волны составляет метры). С частоты 470 МГц начинается дециметровый телевизионный диапазон (длина волны составляет дециметры). Гигогерцовые частоты – это уже сантиметровый диапазон (например, спутниковое телевидение; диапазон 1 – 24 ГГц).

Таким образом, передача видеосигнала возможна только на частотах практически в 10 и более раз высоких, чем верхняя частота спектра самого видеосигнала.

Очень важным является понятие полосы частот, занятых радиоканалом. Для амплитудной модуляции (обычное эфирное телевидение) эта полоса составляет 7-8 МГц в зависимости от стандарта PAL/SECAM. Строго говоря, чтобы передать весь спектр 6 МГц для амплитудной модуляции необходимо иметь полосу частот 12 МГц. На практике верхняя граница спектра просто обрезается, учитывая, что на телевизоре разрешения более 520 линий получить не удастся. Т.е. видеосигнал с очень высоким разрешением по радиоканалу передать не удастся в принципе. Для частотной модуляции (спутниковое вещание ТВ) полоса становится от 18 до 36 МГц в зависимости от типа спутника (Astra, Hot Bird и т.д.). Поэтому для частотной модуляции требуется и более высокая частота несущей (на практике это от 900 МГц). При более низких частотах появляются сложности при создании аппаратуры.

Первый вывод: амплитудная модуляция позволяет обойтись более узким спектром, чем частотная.
Вывод второй: амплитудная модуляция возможна на более низких частотах несущих.

Но здесь возникнет другая проблема. Чем ниже частота, тем больше длина волны, а значит, размеры элементов приемных и передающих антенн. Так на частотах 50 МГц размер вибраторов достигает 2,5 метра. А если надо иметь направленную антенну, то ее размеры становятся очень громоздкими. На практике антенны более 3 м длиной в массовой продаже не существуют.

Поскольку целями наших систем является не вещание, а передача из конкретной точки А в конкретную точку В, в них в основном используются направленные антенны. Поэтому, с учетом вышеуказанных ограничений разумно работать на частотах от 240 МГц и выше. Это так называемый «кабельный» диапазон (каналы S11 – S20). Далее идет«гипербэнд» диапазон (каналы S21-S38; 300 – 450 МГц). Еще выше начинается ДМВ диапазон 470 – 860 МГц. Далее в общем можно обойтись термином «гигагерцовый» диапазон, хотя и он делится на поддиапазоны. В гигагерцовом диапазоне от 1 ГГц и выше длина волны составляет от 40 см и менее до миллиметров.

Следует отдельно напомнить, что этот диапазон ещенедостаточно изучен по его воздействию на организм человека. По крайней мере, не стоит находиться рядом с работающим гигагерцовым передатчиком, будь то радиолокатор или передатчик GSM. На предприятиях бывшего СССР рабочий день регулировщика СВЧ техники был сокращен до 6 часов, и выдавалось бесплатное молоко.

Но даже самая низкая возможная несущая частота – 45 МГц – это ультракоротковолновый диапазон.

И здесь имеем первое существенное ограничение. Распространение ультракоротких волн происходит только по прямой. В отличие от видеосигнала звуковой сигнал можетмодулировать частоты и сверхдлинноволнового диапазона, и длинно-, и средне-, и коротковолнового. Физика распространения радиоволн несущих частот и обуславливает возможности передачи нашего полезного сигнала. Так сверхдлинные волны могут распространяться даже под водой до глубины 30 метров, что, в частности, используется для акустической связи между подводными лодками. Короткие волны отражаются от ионосферы и земной поверхности, что позволяет в зависимости от состояния ионосферы и прочих факторов (прохождение радиоволн) наладить прямую радиосвязь между континентами (а то и несколько раз волна может обойти земной шар). Всех этих возможностей телевизионный сигнал лишен. Распространение происходит только по прямой. Или же через ретранслятор, коим в частном случае может являться спутник.

Теперь о препятствиях на пути радиоволн. Естественно, даже если материал поверхности на пути радиоволны проницаем для нее, затухание (ослабление) сигнала все равно происходит, что в конечном итоге скажется на дальности передачи (когда соотношение полезный сигнал/шум станет меньше минимально допустимого). Даже, если материал не проницаем для волны, может иметь место огибание препятствия, но при условии, что размер препятствия в направлении, перпендикулярном фронту волны, меньше половины ее длины (h< l/2 λ) (условие рефракции). Так что, чем короче волна, тем более мелкие препятствия способны ее остановить. От длины волны зависит и проницаемость материалов-препятствий. Например, если метровые волны эфирного телевидения через оконное стекло проходят «без особых проблем», то для гигагерцовых систем оно является непреодолимым препятствием.Невредно знать такой момент: металлическая сетка полностью экранирует сигнал, если ее ячея меньше половины длины волны . Так что не стоит бояться печки СВЧ, если у нее не нарушено армирование стекла и нет дыр более 1,6 см по любому направлению (длина волны 3,2 см).

Возможно, что под штукатуркой тонкой перегородки в помещении лежит металлическая армирующая сетка, и тогда можете считать, что перед волной находится сплошной лист железа, передача через такую стенку невозможна.

С другой стороны, возможен прием отраженных волн от тех же стен зданий (зачастую во дворах-колодцах в принципе не имеющих прямой видимости с телевышкой возможен весьма качественный прием телевизионных программ на местную антенну (та же «Декста»), а в прямой видимости телевышки на сравнительно небольшом удалении от нее бывает невозможно избавиться от «двоений» изображения, так как не удается отстроиться от отраженныхот близлежащих зданий сигналов, уровень которых не намного ниже основного (для Питера – район ст.м. «Пионерская» – отдельные дома по Богатырскому пр. и пр. Испытателей)).

Поскольку заранее оценить все «сюрпризы» на пути от передатчика до приемника при организации радиоканала практически невозможно, вывод – надо пробовать, прежде, чем делать выбор.

Если при передаче на открытой местности отдельные деревья и отдельные здания могут и не представлять существенных препятствий для распространения радиоволны, то лесной (парковый ) или жилой массивы надежно их остановят.

Теперь, учитывая прямолинейность распространения и препятствия на пути, поговорим о «монтажных» проблемах дальности передачи. Принимая во внимание, что Земля далеко не плоская, дальность прямой радиовидимости вычисляется по формуле:

D = 4,1 (√h1+ √h2), где h1 и h2 – высоты передающей и приемной антенн

Учитывая, что на дальностях в 5-10 км «чистую поверхность» будем иметь разве, что в открытом море в условияхштиля, h₁ и h₂ следует брать над высотой препятствий (над высотой леса в 25-30 метров, над высотой домов). Так, что, несмотря на то, что не понадобится рытье траншей и/или штробление стен, может понадобиться строительство 30-40-метровой вышки, требующее неизмеримо большей инженерно-строительной квалификации. Ну и о миниатюрных размерах и незаметности такого радиоканала говорить не будем.

Теперь о тех параметрах, которые действительно должны интересовать Вас, как потребителя, в первую очередь, и которые далеко не всегда можно встретить в рекламных сообщениях.

Первое – мощность передатчика.

Если она превысит мощность телевизионного сигнала (130 дБмкВ, или ~ 100 mВт), и Ваш сигнал может принять кто-либо, кроме непосредственного Вашего абонента, то Вы рискуете вступить в конфликт с органами власти, поскольку начинаете строить телестанцию, если, конечно, Вы не получили официального разрешения в органах связьнадзора и, естественно, заплатили при этом за свой канал (не за аппаратуру, а за канал связи).

Второе – дальность передачи.

Указанная поставщиком дальность предусматривает исключительно прямую видимость между передающей и приемной антенной. Учтите, что получить дальность более 200 метров без направленных антенн при мощности 100 mВт просто невозможно, какую бы систему Вам не рекламировали.

Третье и главное – наличие и характеристики направленных антенн.

Чем лучше антенны (больше коэффициент усиления), тем дальше может работать система при той же мощности передатчика.

Дальность передачи пропорциональна корню квадратному из мощности при той же антенне.

Т.е. (1)
Где D2 и D1 – дальности передачи; Р2 и Р1 – мощности передатчиков.

Чтобы увеличить дальность передачи, например, с 200 до 1000 метров, при тех же антеннах мощность передатчика необходимо увеличить в 25 (!) раз. Поэтому заявления о том, что дальность передачи может быть увеличена с 1000 метров до 5 – 10 км без подробного описания «антенного хозяйства» в рекламных статьях и модулях несколько шокируют.

Характеристики антенн, помимо их цены и габаритов, это:

• коэффициент усиления (КУ), выражаемый в децибелах;
• поляризация (вертикальная, горизонтальная; круговая правая, левая);
• соотношение приема «вперед-назад»;
• коэффициент направленного действия (КНД);
• коэфициент отражения по входу, либо коэффициент стоячей волны (КСВ).

Главная характеристика для нас, как потребителей – коэффициент усиления КУ. Он выражается в децибелах и физически показывает, во сколько раз мощность сигнала в точке приема больше, чем от ненаправленной антенны (изотропного излучателя), в народе называемого «штырем».

К_дб=10 lg (Р/Р₀)
Или Р=Р₀х10^0,1к (2)
Где Р- мощность сигнала в точке приема; Р₀– мощность сигнала при приеме на штырь.

Формула (2) позволяет Вам самостоятельно оценить выигрыш от антенны (а не опираться на декларативные заявления), и пусть поставщик непременно укажет КУ поставляемой антенны.

Предположим, К=10 дБ.

В этом случае мощность сигнала в точке приема равна:

Р=Р₀х10^0,1х10 = 10Р₀

Т.е. мощность сигнала увеличится в 10 раз.

Тогда из формулы (1) получаем

D₂/D₁ = √10 ≈ 3,2 (3)

Данная антенна дает увеличение дальности в 3,2 раза.

Вместо того, чтобы приобретать 0,5 -ваттный передатчик со штырем, лучше купить 0,1-ваттный передатчик с направленной антенной с КУ= 8 дБ.

Заметим, что мощность передатчика не есть мощность сигнала, но они пропорциональны, поэтому соотношение (3) верно для мощности передатчика.

Почему нет абсолютной формулы, связывающей дальность, мощность, коэффициент усиления антенны? Потому что напряженность поля сигналов на местности, даже открытой, для каждого конкретного случая может быть определена по кривым, предложенным МККР (Международный консультативный комитет по радио) для диапазонов МВ и ДМВ, где учтены помимо всего прочего высоты подвеса антенн, атмосферные условия, холмистость местности и многое другое. В наших системах мы всегда встаем перед фактом и никак не можем влиять на эти аргументы. Разве что можем «поиграть» местом установки антенны в достаточно узких пределах.

Говоря о радиосистемах передачи видеосигнала следует отдельно остановиться на таких характеристиках, как многоканальность и совместимость с системами ТВ-вещания, сотовой связи, спецсистемами связи и т.п.

Относительно совместимости.

Например, опасно выбирать частоты около 900 МГц, 470 МГц, 1200 МГц, 2000 – 2400 МГц. Опасно, как в плане стабильности работы, так и возможности войти в конфликт с законными «хозяевами» частоты.

В нашей практике были такие случаи:

1. Система состояла из 4 камер с передачей видеосигнала по радиоканалу в точку контроля на частоте около 1200 МГц. В один «прекрасный» момент прекратился прием всех сигналов, что совпало с появлением в непосредственной близостиавтомобиля милиции, который простоял всю ночь. С отъездом этого автомобиля вещание возобновилось.
2. Срабатывание тревожной радиокнопки от звонка на находящийся в непосредственной близости телефон «Дельта».
   Кстати, можете провести простейший опыт : оставьте телефон «Дельта» в автомобиле, поставленном на серийную сигнализацию и позвоните на него. Сигнализация, скорее всего, сработает.
3. В С-Петербурге есть ряд мест, где невозможно поставить автомобиль на радиосигнализацию. Места указывать не будем, дабы не провоцировать криминал.
   Нам известен случай, когда разработчик радиоаппаратуры передачи видеосигнала узнал о достигнутых им дальностях от органов связьнадзора, выведя из строя находящийся за 5 км ретранслятор GSM.

Таким образом, выбранные частоты не должны совпадать с частотами имеющихся в регионе систем связи и вещания ТВ. Кстати, несмотря на то, что мощность нашего передатчика, используемого для локального направленного телевещания при проведении фестиваля «Славянский Базар» не превышает 100mВт, «на всякий случай» каждый год мы получаем разрешение официальных органов г.Витебска на использование заявленных частот (S, ДМВ-диапазоны); частоты – основная и резервная.

Относительно многоканальности.

Имеет значение и ширина канала (полоса частот), и отсутствие боковых гармоник вне занимаемого канала. Боковые гармоники – это паразитные излучения вне полосы частот, возникающие из-за недостаточной фильтрации. Сделать качественный фильтр при малой мощности передатчика можно, хотя и не так просто; при большой мощности эта задача связана практически с «не подъемными» затратамисредств, по крайней мере, для задач телевидения не имеет никакого экономического оправдания и на практике не реализуется. При наличии боковых гармоник они будут накладываться на другой канал приема, прием станет невозможен. Так, возвращаясь к вышеуказанным примерам, отметим, что радиосигнализация работает на частоте около 430 МГц, «Дельта» – на 450 МГц. Именно из-за наличия боковых гармоник происходит прием сигнала передатчика одной системы приемником другой. Как мы ранее упомянули, при амплитудной модуляции необходима ширина канала 8 МГц, а для многоканальной системы плюс разнос соседних каналов через 1-3 канала (нельзя занимать каналы подряд). При частотной модуляции (системы 900, 1200, 2400 МГц) необходимо уже 24 МГц на канал плюс тот же интервал между каналами в 1-3 канала. Поэтому, приобретая оборудование, следует точно выяснить несущие и полосы частот каналов.

Далее, при использовании для, например, двухканальной системы одной передающей и одной приемной антенн теряем 8 дБ на суммировании после передатчиков и делении на два приемника, что приведет к потере мощности и, соответственно, дальности (см. ф (2), (3)). При работе 3-х каналов на общие антенны теряем 12 дБ мощности, а для 4-х канальной системы уже 14 дБ. Таким образом, соблазнительное на первый взгляд использование общих передающих и приемных антенн приводит к уменьшению дальности связи. Вспомним, что 10 дБ потерь эквивалентны уменьшению дальности в 3,2 раза.

Даже при потере дальности по возможности следует применять направленные антенны. Чем больше усиление антенны (КУ), тем уже диаграмма направленности в пространстве. Направленные передающие антенны позволяют организовать адресную передачу сигнала в точку приема; приемные направленные антенны повышают помехоустойчивость системы, так как шумы вне диаграммы не поступают на вход приемника, что в целом увеличивает соотношение сигнал/шум. Например, система АЛТ-700 (используемая на «Славянском Базаре») обеспечивает уровень сигнала на входе приемника в ДМВ диапазоне 47 дБмкВ, что гораздо меньше (на 20 дБ), чем обычный уровень ДМВ сигналов эфирного телевидения. При этом качество сигнала эквивалентно качеству кабельного телевидения.

Вывод: необходимо применять остронаправленные антенны и по возможности избегать общих антенн многоканальных систем.

Попутно заметим, что, несмотря на различные рекламные заверения, радиоканальная система видеоконтроля является самой открытой из всех иных вариантов. Если Вы вышли в эфир, Ваша информация может быть принята во всей диаграмме передачи (причем, не только в основном лепестке, но и в боковых). Если на передаче стоит круговая антенна, принять может любой во всем радиусе передачи. Если Ваша информация носит действительно сугубо конфиденциальный характер, то помните, что сеанс связи подводной лодки длится 0,7 сек. Информация зашифрована, сжата аппаратурой сверхбыстродействия; тем не менее, и пеленгуют, и расшифровывают. Обнаружить сам факт работы передатчика в каком-либо районе- задача элементарная для специалиста этого профиля. Кроме того, создать помеху радиосигналу бывает гораздо проще, чем перерезать кабель или выводить из строя аппаратуру. А, посему, всегда полезно иметь резервные каналы, если речь идет о действительно серьезных системах.

Если говорить о скрытых системах с носимым на поясе вместе с аккумулятором передатчиком, миниатюрной передающей штыревой антенной, то дальность ее действия «в чистом поле» не превышает 100 метров. Если информация приходит куда-то дальше, то должны быть ретрансляторы, система все равно будет строиться в соответствии с законами радиофизики, а не рекламными заверениями; во всяком случае, миниатюрной серьезную систему назвать никак не получается.

Показательный пример, или «Что случилось на „Базаре”?»

Задача на «Славянском Базаре» состоит в трансляции концерта на сцене зала, куда допускают далеко не всех желающих, на огромный демонстрационный экран, установленный на площади Свободы (г.Витебск), где и происходит общенародное гулянье. Дальность передачи составляет 700 метров. Естественно, качество изображение и звука должно быть «концертным». На протяжении 4-х предыдущих лет для этих целей использовалась наша аппаратура локального телевещания АЛТ-700, собственно и разработанная под эту задачу. В этом году Белорусское телевидение решило обойтись своими силами, к счастью для себя, нас об этом не уведомив. Для чего была смонтирована радиорелейная линия «Томпсон», предназначенная для работы на дальностях до 50 км (!) на частоте 7 ГГц. Первая ошибка – не учтены возможные препятствия для волн гигагерцового диапазона. Ветки березы оказались непреодолимыми для этой радиорелейной линии, и передатчик пришлось сместить на 250 метров, для чего проложить столько же метров коаксиального кабеля. Напомним, что для метровых и дециметровых волн отдельные ветки препятствия не представляют.Второй «прокол» – грубое пренебрежение нормами техники безопасности: приемная антенна – зеркало диаметром 1,3 м, весом 80 кг, с блоком охлаждения – была размещена на ограде на уровне голов проходящих мимо и работающих в непосредственной близости сотрудников, обслуживающих экранный комплекс.

Из ф.(1) получаем:

Р₂/Р₁ = D₂²/D₁² = 50 000²/700² = 5 000 раз (!)

Таким образом, мало того, что сотрудники ходили под практически прямым воздействием излучения 7 ГГц радиорелейной линии, но мощность сигнала в точке приема оказалась в 5000 раз выше номинальной. К счастью, через 25 минут после открытия фестиваля во время прямой трансляциина корпусе приемного модуля оказалось напряжение 220 В, которое вывело из строя S-VHS видеомагнитофон, являвшийся буфером между компьютером управления экраном и приемником. Трансляция закончилась. Для дальнейшего проведения фестиваля была задействована аппаратура АЛТ-700.

Подводя итог.

Да, действительно, применение радиоканала , как правило, не требует рытья траншей, штробления стен, прокладку километров кабельных трасс. С другой стороны, объективные законы радиофизики и, конечно, правовое пространство, устанавливают очень жесткие рамки его использования. А главное, требуют от инсталлятора очень высокой инженерной квалификации и специальных знаний. И это, пожалуй, главное, что должно в первую очередь интересовать конечного пользователя при выборе фирмы-подрядчика.

Р. Петров
А. Попов