Видеокабель. Проблема выбора.
В настоящее время видеопрезентации с разрешением 1024x768 и более пикселей стали обычными. Передача такого видеосигнала требует полосы пропускания до 300 МГц. Для подключения широкополосных источников видеосигнала к современным видеопроекторам, плазменным и LCD-мониторам нужны кабели соответствующего качества.
Действительно, кабели являются самым уязвимым местом любой схемы передачи видеосигналов. Попробуем разобраться в том, как правильно выбрать кабель из всего многообразия видеокабелей, предлагаемых производителями и поставщиками.
1. Факторы, определяющие выбор кабеля
При выборе кабеля разработчик учитывает три главных аспекта: затухание сигнала в кабеле, требуемое качество изображения и стоимость. Часто от внимания ускользает очень важный аспект – показатели качества кабеля, которые не видны на первый взгляд. Кабельное хозяйство – это составная часть инфраструктуры, т.е. долговременных инвестиций. От качества сигнальных кабелей зависит не только текущее качество изображения, но и общая надежность систем.
На российском рынке известна кабельная продукция многих мировых производителей, таких как Extron, Altinex, Canare, Klotz, Supra, Kramer. Существует и масса кабелей неизвестного происхождения. Естественно, что возникает соблазн купить кабель подешевле. И часто, сэкономив на кабеле, инсталлятор просто губит проект.
Для передачи видеосигнала используется коаксиальный кабель, витая пара и в редких случаях оптоволокно.
Чаще всего используется коаксиальный кабель, но при передаче сигнала на большие расстояния коаксиальный кабель может быть уязвим к различного рода наводкам. Поэтому для трансляции сигнала на большие расстояния используется кабель типа "витая пара" с использованием специальных передатчиков и приемников. Оптоволокно применяется редко по причине дороговизны приемопередающего оборудования.
Давайте подойдем к проблеме выбора с точки зрения физики процесса. Рассмотрим параметры, строение и особенности применения кабелей для передачи видеосигнала.
Для правильного выбора типа кабеля необходимо понимать и учитывать следующие аспекты:
- Длина кабеля: с увеличением длины кабеля увеличивается затухание сигнала при прохождении через кабель. Величина затухания зависит от качества материалов, применяемых для изготовления кабеля. Большое затухание сигнала сказывается на потере яркости и четкости картинки.
- Частота сигнала: с увеличением частоты сигнала на него увеличивается влияние емкостного сопротивления кабеля. Чем оно меньше, тем он больше подходит для передачи сигналов высокой частоты. Потери качества выражаются в ухудшении четкости и детализации картинки.
- Внешние наводки: кабель, как и любой проводник, может работать как антенна. Поэтому при недостаточном экранировании на полезный видеосигнал могут значительно повлиять внешние электромагнитные наводки вплоть до невозможности просмотра.
- Межсигнальные помехи: возникают в близкорасположенных кабелях при недостаточном взаимном экранировании, а также в случае физического расщепления структуры одного из кабелей и превращения его в излучатель по отношению к другим кабелям.
- Температура кабеля: параметр, который определяется температурными условиями эксплуатации кабеля. В этом смысле нужно учитывать температурную стабильность параметров кабеля и применять кабель, рассчитанный для применения в заданном диапазоне температур.
- Групповая задержка сигнала: в основном характерна для кабелей типа "витая пара" и выражается физически в необходимости одновременного (без задержки) прихода двух (и более) сигналов, передаваемых по двум (и более) витым парам. Это достигается применением проводников одинаковой длины с одинаковым шагом повива витой пары. Применение витых пар с разным временем задержки чревато искажениями цвета и срывом синхронизации.
Основным кабелем для передачи видеосигнала является коаксиальный кабель, поэтому остановимся на нем подробнее.
2. Строение коаксиального кабеля
Основной показатель, формирующий параметры кабеля – его конструкция. Ответственные производители уделяют немало внимания электрическим параметрам используемых проводников и изоляционных материалов.
Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника, внутреннего диэлектрика, экрана и внешней оболочки (Рис. 1).
Рис. 1. Структура коаксиального кабеля
2.1. Проводник
Центральный проводник кабеля предназначен для передачи сигнала из одной точки в другую. Его делают из материалов, хорошо проводящих электрический сигнал. Обычно используется медь, которая подходит для этих целей по своим электрическим, механическим и стоимостным параметрам. Другие материалы также могут применяться в каких-то специальных целях. К ним можно отнести алюминий, серебро и золото. Центральный проводник может быть как одножильным, так и многожильным.
Одножильный – это центральный проводник, выполненный в виде одного прямого проводника (Рис. 2). Одножильный проводник хорошо формуется, но не очень гибкий. Поэтому кабели с одножильным проводником обычно используются в стационарных инсталляциях.
Рис. 2. Коаксиальный кабель с центральной моножилой и двойным экраном
Витой многожильный кабель представляет собой проводник, состоящий из множества тонких проводников, свитых вместе (Рис. 3). Эти кабели гибкие, они легче и применяются в основном в мобильных инсталляциях. Однако, характеристики такого кабеля будут несколько ниже, чем кабеля с одножильным проводником того же типоразмера.
Рис. 3. Коаксиальный кабель с центральной мультижилой и экраном-оплеткой
На российском рынке широко используются кабели американских производителей, которые производятся в соответствии с американским стандартом проводов AWG (American Wire Gauge). Поэтому было бы полезно привести данные этого стандарта по нормированию центрального проводника коаксиальных кабелей (Табл. 1).
|
Табл. 1. Таблица перевода американских обозначений AWG диаметра жил кабеля в метрические единицы.
2.2. Внутренний диэлектрик
Внутренний диэлектрик, называемый также внутренней изоляцией кабеля, выполняет в коаксиальных кабелях важную роль. Прежде всего, это материал, который изолирует центральный проводник от экрана. Но, кроме того, он определяет импеданс и емкость кабеля.
Обычно в кабелях общего назначения используется полиэтилен, а для производства негорючих кабелей – фторсодержащие полимеры.
Вообще, материал диэлектрика играет огромную роль, влияя на электрические и эксплуатационные свойства кабеля. Дешевые кабели имеют диэлектрик из твердого полиэтилена. Более серьезный производитель использует вспененный полиэтилен, который обеспечивает более низкое погонное затухание сигнала в кабеле на высоких частотах.
Стоит заметить, что некоторые производители вспенивают диэлектрик химическим способом. В результате получается низкоплотный полиэтиленовый компаунд, подверженный механическим повреждениям и нестабильный к воздействию окружающей среды в виде температуры и влажности.
Самое высокое качество кабеля получается с физически вспененным диэлектриком (gas injected foam polyethylene). Он содержит до 60% воздушных пузырьков, за счет чего уменьшается затухание высоких частот сигнала. По прочности физически вспененный полиэтилен не отличается от обычного твердого невспененного полиэтилена, обеспечивая необходимую гибкость и устойчивость к механическим воздействиям. И, наконец, обладая высокой стойкостью к температурным колебаниям и влажности, физически вспененный диэлектрик обеспечит стабильность параметров и длительную эксплуатацию кабеля.
2.3. Экран
Экран выполняет две важные роли. Он работает как второй проводник, подключенный к общему земляному проводу оборудования. В то же время он экранирует сигнальный проводник от посторонних излучений. Существуют различные методы экранирования для кабелей, выполняющих различные задачи. Это экран из фольги, плетеный экран и комбинации из фольги и оплетки.
Оплетка – экран, который изготавливается из множества тонких проводников, сплетенных в виде сетки, охватывающей центральный проводник с внутренним диэлектриком (Рис. 3). Оплетка обычно обладает меньшим сопротивлением, чем фольга, и обладает лучшей устойчивостью к постороннему электромагнитному полю и электромагнитным наводкам. Наводки могут иметь различный характер и происхождение. Это могут быть как низкочастотные наводки (например, от промышленной сети питания), так и высокочастотные (ВЧ шум от работы электронных приборов и при искрении электрических машин). Оплетка может сочетаться с другими видами экранов, например, с алюминиевой или медной фольгой, для обеспечения необходимого процента экранирования.
Фольга может обеспечить до 100% экранирования в сочетании с оплеткой (Рис. 2). Учитывая, что оплетка может обеспечить эффективность экранирования до 90%, чтобы получить 100%, необходимы две оплетки, что существенно увеличивает стоимость кабеля, его вес и ухудшает гибкость. Гораздо легче добиться 100% эффективности экранирования можно сочетанием оплетки и фольги.
2.4. Оболочка
Необходимую защиту внутренних компонентов кабеля обеспечивает внешняя оболочка. Оболочка защищает кабель от климатического, химического воздействия и влияния солнечного света. По типу оболочки кабели можно разделить на кабели стандартного и специального исполнения.
Стандартный кабель имеет обычную, чаще всего поливинилхлоридную оболочку, которая защищает кабель (или мультикор) от механических воздействий и влаги, а также играет роль электрической изоляции.
Заполненный (Plenum). Стандартная инсталляция предполагает прокладку кабеля через стены и потолки. Возможное возгорание внутри здания предъявляет свои особые требования к оболочке кабелей. Кабели типа Plenum имеют огнестойкую оболочку, в составе которой используются специальные компаунды. Это обеспечивает низкие горючесть и дымовыделение в случае, если кабель будет подвергнут воздействию огнем. Такой кабель может быть проложен без дополнительной защиты (например, трубы), что снижает затраты на инсталляцию.
Галогенонесодержащий. Европейские правила техники безопасности (IEC33203 тест на горючесть, IEC61034 тест на дымовыделение, IEC754-1 коррозионная стойкость) требуют низкого уровня выделения дыма и паров и отсутствия галогенов в материале оболочки кабеля.
Рис. 4. Мультикор 5BNC + 2 балансные аудиопары.
Какой же кабель выбрать? При выборе кабеля с точки зрения его строения нужно учитывать его назначение в системе. Если кабель предназначен для передачи видеосигнала на десятки метров, то этот кабель должен иметь толстую центральную моножилу для уменьшения потерь и двойной экран для защиты от наводок. Например, Extron SHR стандарта RG-6: экран – фольга + оплетка, физически вспененный диэлектрик. Для внутристоечного монтажа прекрасно подойдет кабель потоньше и помягче. Например, Canare L-3C2VS. Он тоньше RG-59, экран – одна оплетка, диэлектрик – невспененный полиэтилен. Несмотря на простоту это хороший кабель для определенных целей.
3. Основные параметры кабеля
Перед тем как остановить свой выбор на конкретном кабеле, лучше всего внимательно изучить и сравнить между собой их основные параметры.
3.1. Импеданс
Это основной показатель, определяющий возможность передачи энергии сигнала по кабелю между источником и приемником. Все элементы на пути сигнала, разъемы и сам кабель должны иметь один импеданс. Несоблюдение этого правила приводит к внутренним отражениям в кабеле, что может привести к появлению на изображении двойных контуров. Самой частой причиной появления отражений являются некачественные разъемы или их установка, а также применение разъемов и кабелей разного импеданса.
Стандартный импеданс видеокабелей составляет 75 Ом.
3.2. Затухание
Это показатель потерь энергии сигнала внутри кабеля. Этот параметр нормируется на частоте 100 МГц для длины 100 м. Каждый кабель имеет свои частотные свойства, поэтому ослабление на разных частотах тоже разное, и чем частота выше, тем ослабление больше.
На практике значения затухания для 100 МГц бывает недостаточно, и производители в своих каталогах на кабель приводят спецификации с таблицами затуханий для разных частот. Так что уже по количеству позиций затухания от частоты можно понять, насколько серьезно производитель подходит к параметрам сигнала (Табл. 2).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
мм Табл. 2. Спецификация на кабель.
Большая часть спецификаций на кабельную продукцию приходится на таблицу уровней затухания в дБ в диапазоне частот для стандартной длины кабеля (Табл. 2). Обычно это 100 метров. В зависимости от рекомендаций производителя, таблица составляется с частотами, кратными 1, 5, 10, 20 МГц. Но некоторые каталоги включают специфические частоты 72, 135, 177, 270 МГц и др. Эти частоты используются для передачи цифровых видеосигналов. Сигналы SDI (Serial Digital Interfaсe) используют специальные скорости или битрейты.
3.3. Сопротивление
Показатель качества проводника, буквально показывающий, какая часть энергии сигнала превратится в тепло. Результат таких потерь – снижение уровня сигнала, а, соответственно, и динамической яркости изображения.
Сопротивление измеряется в омах (Ω) и именуется как "сопротивление постоянному току" (DCR) или "активное сопротивление". Для кабелей сопротивление указывается как Ом на 100 метров (Ω /100 m) и может именоваться так же, как погонное сопротивление.
Сопротивление зависит от материала проводника, его размеров и температуры.
Лучшие кабели имеют сигнальные проводники из химически чистой меди или покрываются тонким слоем серебра.
3.4. Емкость
По конструкции любой коаксиальный кабель – вытянутый конденсатор. Емкость измеряется в фарадах (F), а емкость кабеля – в пикофарадах на метр (pF/m).
Емкость кабеля влияет на высокочастотные составляющие видеосигнала, т.е. на четкость и детализацию изображения. Емкость определяется качеством диэлектрика и конструкцией кабеля. Этот параметр особенно критичен при передаче цифровых сигналов.
4. Выбор кабеля исходя из требуемого качества изображения
Для выбора типа кабеля необходимы прежде всего исходные данные: тип сигнала, предназначенного для трансляции, допустимый уровень потерь в кабеле для данного приемника сигнала, длина кабельной линии и требуемое качество изображения.
4.1. Расчет фактических потерь
Исходя из вида сигнала и длины кабельной трассы, предварительно выбирается тип кабеля, просчитывается максимальная длина кабеля для требуемого типа приемника и проверяется, укладывается ли реальная длина кабельной трассы в полученное значение.
Пример 1. Требуется передать сигнал RGBHV. Максимальная частота сигнала в проектируемой системе 100 МГц. Длина кабельной трассы 40 м. Допустимое затухание в кабеле 3 дБ.
Находим в таблице для частоты 100 МГц значение затухания для 100 м. Пусть это будет 6,79 дБ для кабеля Extron SHR/RG6.
Исходя из этого, получим коэффициент пересчета: 3 дБ / 6,79 дБ = 0,44. Теперь вычислим максимальную длину кабеля: 100 м х 0,44 = 44 м.
Длина кабельной трассы в 40 м укладывается в максимальную рассчитанную длину кабеля и, следовательно, кабель Extron SHR/RG6 может быть рекомендован для использования в системе.
Пример 2. Надо рассчитать максимальную длину кабеля для трансляции сигнала SDI.
Если распределяется стандартный сигнал SMPTE 259M mode С, то надо иметь в виду потери в кабеле для максимальной частоты сигнала 135 МГц (для всех сигналов SDI и HD-SDI потери рассчитываются по половинной тактовой частоте сигнала. Для 270 Мbps (270 MHz) компонентного SDI это 135 МГц).
По таблице получаем затухание 7,8 дБ на 100 м. Делим 30 на полученное значение (SMPTE 259M допускает потери до 30 дБ, если используется приемник класса А): 30 / 7,8 дБ = 3,85.
Вычислим максимальную длину кабеля 100 м.х 3,85 = 385 м. Это значение для приемников класса А.
Для приемников класса В максимальное затухание составит 20 дБ. В этом случае: 20 / 7,8 дБ = 3,56, и длина кабеля составит 100 м х 3,65 = 365 м.
Кабели, используемые для передачи сигналов SDI и HD-SDI, рекомендуется укорачивать на 10% для устранения эффекта срыва. Обычно это указывается в спецификации, если нет, то это укорочение все равно следует сделать. Это даст дополнительный запас устойчивости.
4.2. Гармонические искажения и качество изображения
Теперь рассмотрим аспект качества полученного изображения при передаче сигнала по кабелю.
Массив пикселей, из которых состоит изображение, это то, что мы передаем по кабелю. Чтобы каждый пиксель на экране был четко виден, он должен иметь четко очерченные стороны, т.е. иметь быстрый переход между черным и белым. Другими словами, видеоимпульс, который соответствует одному пикселю, должен иметь фронт и спад импульса достаточной крутизны. Только тогда пиксель будет четким, не размытым.
Структура негармонического видеосигнала имеет сложную структуру и состоит из средней основной частоты сигнала и гармоник, кратных средней частоте. Именно эти гармоники определяют крутизну фронта и спада импульса видеосигнала, образуя четкие грани пикселя.
Негармонический сигнал описывается преобразованием Фурье, которое показывает, что до 80% энергии видеоимпульса одного пикселя заключено до третьей гармоники. Влияние других гармоник на формирование фронта и спада импульса незначительно.
Естественно, что при прохождении сигнала в кабеле гармоники, имеющие большую частоту по сравнению с основной частотой сигнала, получат большее затухание. Поэтому видеоимпульс, прошедший через кабель, поступит на монитор с меньшей амплитудой, что скажется на уменьшении яркости картинки, а уменьшение крутизны фронта и спада видеоимпульса отразится на резкости картинки.
Таким образом, при превышении определенной длины кабеля потери в нем приводят сначала к уменьшению яркости, а затем к размытости пикселей и появлению характерного темного шлейфа от темных элементов изображения. Этот шлейф особенно заметен на строчках текста и на других линейных структурах видеоизображения.
4.3. Расчет длины кабеля по третьей гармонике
Исходя из вышеизложенного, произведем расчет по третьей гармонике допустимой длины кабеля и определим возможный тип кабеля для конкретного типа видеосигнала.
Например, произведем расчет для сигнала RGBHV с разрешением 1024х768 и кадровой частотой 60 Гц. Полоса пропускания такого сигнала составляет 65 МГц.
Поделив пополам, получим основную частоту сигнала 32,5 МГц. Помня о том, что 80% мощности спектра сигнала содержится до третьей гармоники, получим: 32,5 Х 3 = 97,5 МГц. Округлим полученную частоту до 100 МГц.
Предположим, что в качестве средства отображения видеоинформации взят видеопроектор с минимальным уровнем сигнала на входе 3 дБ.
Обратимся к модельному ряду кабелей Extron. Предположим, что нам необходимо подключить видеопроектор к презентационному компьютеру, находящемуся в этом же помещении. Для этих целей наиболее подойдет мультикор серии mini HR (26 Gauge).
Посмотрим таблицу затуханий в зависимости от частоты в каталоге кабелей Extron. Из таблицы видно, что на частоте 100 МГц затухание сигнала на 100 метрах составит 17,6 дБ. Получим коэффициент пересчета: 3 дБ / 17,6 дБ = 0,17.
Длина кабеля составит: 100 м Х 0,17 = 17 м.
Если полученной длины оказывается недостаточно для подключения видеопроектора к компьютеру, выбирается другой типономинал кабеля с меньшим затуханием, например, RG59/НR-1 (20 Gauge).
Для кабеля RG59/НR-1 (20 Gauge) затухание для 100 МГц составит 7,5 дБ на 100 м.
Коэффициент пересчета: 3 дБ / 7,5 дБ = 0,4.
Длина кабеля составит: 100 м Х 0,4 = 40 м.
Для подключения компьютера к видеопроектору потребуется 5 кабелей по 40 м с разъемами BNC на концах.
При выборе типа кабеля также следует учесть тип разъемов для подключения к оборудованию. Так, мультикор mini HR (26 Gauge) для передачи сигнала RGBHV может иметь разъем VGA 15pin или 5 разъемов BNC, а вот при использовании пяти кабелей RG59/НR-1 (20 Gauge) возможно использование только разъемов BNC. Поэтому во втором случае при необходимости подключения к оборудованию с разъемом VGA 15pin потребуется переходник 5BNC x 15pin.
4.4. Электронная компенсация потерь в кабеле
Если по тем или иным причинам применение большего типономинала кабеля невозможно или нецелесообразно, то для компенсации потерь в кабеле применяются интерфейсы или линейные драйверы, способные увеличить уровень сигнала и скорректировать искажения в области верхних частот.
Интерфейс или линейный драйвер путем увеличения выходного уровня сигнала, а также внесением предискажений АЧХ, может частично или полностью компенсировать вносимые кабелем потери и искажения сигнала.
Большинство интерфейсов, линейных драйверов, усилители-распределители и коммутаторы содержат схемы компенсации, обеспечивающие прямую регулировку. Традиционно эти устройства содержат две регулировки: Gain (усиление) и Peaking (ВЧ коррекция). Наиболее эффективны такие схемы при использовании их в центральном оборудовании системы.
Регулировка усиления увеличивает уровень полного видеосигнала, чтобы компенсировать активное (омическое) сопротивление кабеля. Потери в кабеле за счет электрического сопротивления могут составлять до 5% и более от общих потерь. Так, стандартный уровень видеосигнала 0,7 V может упасть до 35 mV. Электрические потери в кабеле увеличиваются пропорционально его длине.
ВЧ коррекция увеличивает или подчеркивает ВЧ составляющие спектра видеосигнала. В коаксиальном кабеле с ростом частоты возрастают потери, а именно высокочастотные составляющие спектра видеосигнала отвечают за хорошую детализацию картинки. ВЧ коррекция повышает уровень ВЧ составляющих, чтобы компенсировать их потери при прохождении сигнала через кабель.
Обычно регулировкой усиления (Gain) увеличивают низкочастотные составляющие видеосигнала для того, чтобы обеспечить на приемной стороне стандартный уровень видеосигнала (0,7 V), а ВЧ коррекцией (Peaking) корректируется АЧХ сигнала в области высокочастотных составляющих видеосигнала, чтобы компенсировать их затухание в кабеле.
Обе регулировки взаимозависимы, и настройка производится методом последовательных приближений. При этом необходимо использовать источник тестовых сигналов и осциллограф.
Типовое значение ВЧ коррекции +3 дБ, но существуют драйверы с коррекцией +12 дБ и более.
Подходящий линейный драйвер или усилитель-распределитель можно найти в каталогах Altinex и Extron.
5. Выбор и монтаж разъемов
Следующим шагом по выбору кабеля является качественное подключение этого кабеля к оборудованию. При этом надо учитывать, что подключение может осуществляться различными типами разъемов. Основными разъемами для подключения источников видеосигналов в настоящее время можно назвать BNC, RCA, VGA 15pin, DVI, S-Video (MiniDIN 4pin). И выбранный кабель должен быть рассчитан на установку на него нужного разъема, либо необходимо предусмотреть в спецификации соответствующие переходники.
Довольно часто один единственный некачественный разъем приводит к потере качества изображения всей системы. Некачественный обжим или пайка зачастую приводят к отражениям сигнала в кабеле, потерям и искажениям. Ведущие производители кабеля выпускают также и разъемы для кабеля либо указывают в спецификациях рекомендуемый тип разъема другого производителя, обеспечивающий качественную установку разъема на кабель.
Так, например, ведущий производитель кабеля Belden, выпуская широкий ассортимент видеокабелей, рекомендует к применению разъемы Neutric, Canare и др., указывая в спецификациях тип разъема от каждого производителя.
Видеокабели Canare комплектуются своими разъемами обжимного типа для каждого типа кабеля.
Кабели Extron до недавнего времени комплектовались преимущественно разъемами BNC обжимного типа от АМР. Теперь в спецификациях появились и родные разъемы BNC и RCA. Причем при установке этих разъемов применяется новая технология – не традиционный обжим, а компрессия.
Для качественной разделки разъемов на кабель лучше использовать фирменный обрезной и обжимной инструмент, рекомендованный для данного типа кабеля и разъемов, иначе качество контакта гарантировать проблематично.
Только обеспечив надежный контакт кабеля с разъемом и надежную фиксацию кабельного разъема в разъеме аппаратном, мы можем быть уверены, что наши усилия по расчету и выбору кабеля не пропали даром. Ибо электроника – это наука о контактах.
