高频宽带图象传输共缆技术浅谈样本.doc

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高频宽带图像传输( 共缆) 技术浅谈
关键词: 高频宽带 调制解调 图像传输 同轴电缆
深圳市西艾特电子技术有限公司 总工程师Heml
一、 概述
谈到高频图像传输, 就不得不谈电视传输技术。图像信息的高频传输最早起始于1936年的英国, 这种传输方式是经过无线广播方式传送电视节目。由于无线传输方式不能覆盖某些山区, 于是在1948年, 美国宾洲曼哈诺依最早出现了公用天线电视接收系统( MATV) 。它采用一副主天线接收无线电视信号, 并用同轴电缆将信号分送到用户家中, 以解决城郊山区电视信号阴影区的居民收看电视的问题。后来, 经改进后的MATV系统, 被作为无线电视延伸和补充的主要手段被广为采用; 并于60～70年代用于城市内解决高楼阻挡区域的电视接收问题。改进后的MATV系统, 可在信号接收前端插入录像机播放的节目, 构成一个完整的电缆电视闭路系统(CATV)。中国最早的有线电视系统, 是1964年北京饭店旧楼的闭路电视系统。随着电视传输的技术的不断进步, 到80年代中后期, 采用微波多路分配系统(MMDS)和调幅(AM)光纤代替同轴电缆进行干线、 超干线传输的技术, 取得重大突破, 使有线电视网络的结构更为合理、 规模更加扩大, 并迅速在90年代初成为组建城市性规模网络的主要干线模式。到当前为止, 中国的有线电视用户已发展到了1.2亿户。
当前的有线电视, 习惯上称为CATV( Cable Television) , 已经从开始的几个频道发展到几十个频道甚至更多, 从几十个用户的小系统发展到几百万用户的大系统, 传输距离从几百米发展到几百公里。由单方向广播电视节目发展到全双向传输模拟和数字信号, 使CATV系统除接收电视节目外, 完全容入了INTERNET 互联网。
由于图像调制技术的不断发展。使调制器可达到成本低廉, 小型化。于是, 把原来的有线电视传输技术转化为监控系统的图像传输成为了可能。在国内, 后, 陆续有产家在安防展会上推出此类产品。但各产家对此类产品取的名称不一, 诸如: ”共缆监控”、 ”一线通监控”和”高频宽带监控”等。其本质都是对视频进行调制解调高频传输。也就是当前广泛运用的有线电视技术。
前面已表明, 所谓”共缆监控”, 实质上是有线电视技术。我们应该知道有线电视信号与无线电视信号是没有任何区别的。无线信号是高频电信号加到天线上, 让天线将其转换为高频电磁场进行传播。如果把上述信号不加到天线上, 而是加到同轴电缆里传送, 这样, 传输同样的距离, 所需功率就小许多。这是因为, 电缆传输对信号的衰减小许多。上述解释是希望读者经过对传统电视信号原理的了解达到了解共缆监控原理的目的。
我们一般把摄像头输出的信号称为”视频基带”信号, 简称视频信号, 英文用Video表示。这种信号是最基本的图像电信号, 它的组成已国际标准化, 中国采用的是PAL-D/K制。视频信号包括亮度信号、 色度信号、 同步信号和消隐信号。频谱范围是0-6MHz。由于这种信号频率低, 频谱宽。很难用理想的天线把它发射出去经过空中传播。因此, 一般只能用有线方式传输。
视频基带用同轴电缆直接传输的主要优点有: 无须专业施工人员和网络设计。在短距离传输条件下, 成本低, 图像质量好。设备简单。因此, 此类视频传输当前依然是视频监控传输的主要传输方式。但随着社会的发展, 对监控传输的距离越来越远、 监控节点越来越多、 传输环境越来越复杂。在许多情况下, 单纯的视频基带传输方式已不能满足各种复杂的监控条件。因此, 各种新的监控图像传输方式和跨领域技术运用不断出现。共缆监控就是老技术( 1948年) 在监控领域新运用的一个典型例子。
在长距离, 强干扰的传输环境下, 视频基带传输方式显然不能满足图像质量的要求。特别是某些强干扰环境( 如变频电梯、 电厂、 和列车站台等) 的监控, 传统的基带传输是很难胜任的。在多节点( 数十上百个监视点) 的情况下, 由于传统的监控传输方式必须一个点一条线。这样不但给施工和维护造成不便。而且在工程成本上已失去了优势。

二、 图像信号的处理( 调制解调)
既然图像基带的直接传输有许多局限性, 我们能够采用高频传输来弥补它的某些缺点。图像信号的高频传输需要把视频信号经过再处理-调制。而调制的实质是对信号频谱的搬移。我们一旦把基带信号调制在高频( 数十到数百兆赫兹) 载波上面。信号传输只能衰减载波的幅度, 而图像内容的频谱特性就不再受传输衰减的影响。如果信号从空中传播, 使相应的天线在工程实现上成为了可能。如果信号经过高频同轴电缆传送。能够利用频谱分配复用的方法, 使一条电缆能传输数十上百个图像信号, 这样, 大大地提高了投入资源的利用率。
现在来看看信号的处理过程( 见下图) :

以一频道为例, 如果将视频信号fv和一个高频载波fz同时送入一个混频器, 视频信号就会去调制载波信号, 从而产生一个视频载波信号fr。这种信号的幅度随视频的幅度变化, 我们称为调幅; 从频谱上看出, 它的带宽是视频的两倍, 即 2 X fv = 12MHz 宽, 中心频率为fz。而且, 除载波基频外, 还有载波的N次谐波。如果把这样的信号直接放大发送, 它将会对其它频谱产生严重干扰, 并使放大器的效率大大减低。因此在放大前需对调制后的信号进行滤波。中国的电视标准规定采用的是残留边带传输。即去除下边带-部分, 保留上边带全部。使载波信号( 包括声音载波) 保持在8MHz带宽。
信号的接收( 解调) 是调制的反过程。当接收机收到高频载波后, 首先进行高频放大, 再进行变频, 使高频信号变为一个固定的中频信号, 中国标准为38MHz。再把中频放大, 就可进行检波, 即取出视频信号。
三、 高频图像载波的传输
在高频信号的电缆网络传输中, 规定系统阻抗为75欧姆。一般采用信号电压的电平来量度, 单位是dbuV或dbmV。它是取电压值的对数乘20得出。这样的表示法主要有利于工程计算。
每当提到高频宽带图像传输( 共缆) 技术, 总是有人要问, 信号能传多远? 能传多少个频道? 其实, 这是一个相当复杂的问题。为此, 我们在这里展开某些相关传输理论的分析。
我们前面谈到, 当视频信号经过调制后, 信号的传输衰减不会影响视频的频谱特性。载波衰减后可再进行放大。是否这样信号就能够传送无限远的距离呢? 当然回答是否定的。因为,在传输中主要有两个因数限制了信号的最终质量, 即: 载噪比( C/N) 和非线性失真( CTB、 CSO) 。
中国在电视接收标准规定: 接收机输入的信号载噪比(载波与噪声的比值) 必须大于43db。否则, 视觉就能看出图像的噪声( 雪花点) 。接收信号的载噪比是由摄像机、 调制器、 信号带宽、 放大器和电缆共同决定的。在传输中主要因数就是放大器、 电缆和带宽。下面来分析各种因数对C/N的影响。
单个放大器的输入越高, C/N越高, 因为C/N=输入 -( 2.4+NF)。NF为放大器的噪声指数;
多级放大器的 C/N = 单级放大器的C/N-10lgN, N为放大器的级数。放大器引起的噪声增加按每个放大器的噪声功率呈对数增长;
线路传输的频道数越多, C/N越低, 因为NF与传输频道数有关, 频道数越少, NF越小。
线路所用电缆除本身固有的噪声外, 电缆衰减越大( 电缆越细) , 传输相同距离使用的放大器数量就越多, 因此C/N就越小。
总结以上规律: 在信号传输中, 放大器输电平输入低、 级数多、 传输频道数多和电缆细都会使C/N下降, 对最终图像质量不利。
现有的有源放大器件都不可避免的具有非线性特性。这种特性将会造成放大信号的波形失真。如果在一条电缆里传输多个频道, 放大器的运用不合理, 这种失真会对许多频道产生严重的干扰, 造成信号的不可用。
在有线电视中, 衡量这种失真指标的两个参数是CTB( 载波组合三阶差拍比) 和COS( 载波组合二阶差拍比) , 它们的单位是db。在一个传输30个频道的系统里, 可能产生的新的组合频率CTB可达数百个, CSO可达数十个。这些频率一旦落入有用信号的频道内, 结果可想而知。因此, 在运用中必须合理选择放大器, 正确控制信号的输入输出电平。使系统失真指标CTB和CSO大于50db。如果失真过大, 在被干扰的的频道内看到的图像将是一遍网纹。
多级放大器组成的失真指标是: 总的CTB = CTB - 20lgN ,N是放大器的级数; 总的CSO = CSO - 15lgN 。
具有相同CTB的放大器数量每增加一倍, CTB就劣化( 降低) 6db。放大器的输出每减低1db, CTB就改进( 增加) 2db。
CTB和CSO这两项失真指标都是在一定频道数量下决定的, 频道数越少, 失真指标越高( 越好) 。
总结以上规律: 在信号传输中, 放大器输出电平高、 级数多和频道数多, 会使失真指标下降, 使图像质量向不利方向发展。
现在我们再来关心信号能传多远的问题。高频图像载波能经过电缆传多远是由失真指标C/N 和 CTB、 CSO决定的。而她们又是由系统所传输的最高频率、 频道数量, 放大器以及使用电缆的粗细决定的。
现在计算一个采用75-9的电缆, 邻频传输20个频道的高频载波的最大传输距离。设放大器的输入=72db 增益=22db 噪声指数=8( 60个频道时) 最高传输频率为400MHz, 调制器输出的载噪比(C/N)s = 50db 接收要求的载噪比(C/N )t = 43db, 假设放大器特性相同。
单级放大器的载噪比C/N＝72 - 2.4 - 8 + 10lg60/20=66.4dB
多级放大器的载噪比( C/N) a = 单级放大器的C/N - 10lgN , N为放大器的级数
由系统载噪比( C/N) t = -10lg[10^-5 + 10^-(C/N-10lgN)/10]
即: 43 = -10lg[10^-50/10 + 10^-(C/N-10lgN)/10]
得: N = 173.78
放大器的最大容许级数: N = 174( 取整数)

75-9电缆在400MHz的每百米损耗为6.8db,每级放大器的最大传输距离:
s = 22/6.8=323( 米)
系统传输的总距离: S = 174 X 323 = 56.202( 公里)

以上最大传输距离仅为理论参考值, 在实际工程运用中, 由于诸多因数的影响, 如: 信号分配衰减和非线性失真等, 实际传输距离比理论值小。
由前面能够知道, 如果放大器的输出越大, 载噪比越高( 越好) , 但非线性失真越严重。C/N与CTB、 CSO的指标是相互矛盾的。

四、 运用与工程设计
高频宽带图像传输方式的应用范围当前主要还是弥补传统视频传输方式的不足。它只有在强干扰、 长距离( 500M以上) 多节点的传输条件下, 才能发挥它的性价比优势。在超长距离时( 数十公里) , 信号可直接输入射频光端机中继。这就是HFC( 光纤同轴混合) 方式。
传输系统采用的调制器与有线电视台使用的调制器功能基本相同。但用于监控的调制器要求体积要小许多, 成本要低数十倍, 有的还要同时具备数据接收功能。当前用于图像调制的调制器种类繁多。从价格上看, 有一元多钱的( VCD用) , 也有两万多元的( 广播专业用) 。在选择设备时, 要充分注意这点。
决定高频宽带图像传输最终信号质量的最重要因数是系统设计。如果忽略了这点, 即使采用广播级调制器, 看到的最终图像很可能是一遍网纹。这几年的某些工程实践已证明了这一点。一些随意布线, 造成失败的工程被人作为了反面教材, 甚至这种传输方式也受到了质疑。
虽然高频宽带监控采用了有线电视原理和技术, 但在网络结构上, 还是有所不同。有线电视的图像信号是一点向多点传输, 监控的图像信号是多点向一点传输。完全照搬有线电视的设计方法是不够的, 而用于监控特点的设计方法又无书可查。这就需要设计人员对射频电缆传输的理论有非常深刻的了解, 同时要有丰富的实践经验。
工程设计的基本要求是要了解电缆与它所传输频率的关系, 放大器的特性、 信号分配器件的特性和系统设计指标。下面我们分别对这些问题进行讨论。
电缆在传输高频信号时, 同一电缆对不同频率的衰减是不同的, 不同规格电缆对同一频率的衰减也不相同。下图是常见电缆对不同频率每百米的衰减特性:
如果要了解常见高频同轴电缆对各种频率衰减的详细数据, 可到.cc去下载电缆衰减计算软件。它对工程设计非常有用。经过软件计算可知, 一条1000米SYWV-75-5电缆对1频( 49.75MHz)和增补30频道(400.25MHz)的衰减分别为46db和130db,它们的衰减相差84db(15849倍) ! 而同样长度的SYWV-75-9的电缆对这两个频率的衰减相差为44db( 158倍) 。为了保证系统的
正常工作, 要求在技术上把这种差异控制在最小范围。这种控制手段在有线电视技术里称为频率均衡。此功能设置在线路放大器中。
高频宽带监控所用传输设备与有线电视设备完全兼容。因此可直接采用有线电视放大器作为监控线路放大器。不同的是: 在使用中, 把放大器的输入端( IN) 朝向摄像头方向连接, 把输出端( OUT) 朝向监控中心方向连接。当前这种宽带放大器已能作到5-1000MHz的带宽。但在监控系统里, 一般使用400MHz以下带宽已经足够了。为了保证双向传输信号, 在放大器里采用了频谱分配的办法, 中国的有线电视标准是5-65MHz作为上行, 87-860MHz作为下行。
为了保证非线性失真指标, 一般要求放大器的输入电平在相邻频道的电平差小于3db, 任意频道间的电平差小于10db。由于电缆对不同频率的衰减差异, 要达到上述要求, 在放大器的输出部分, 一般设置了频率均衡器器。这种均衡器的频率带通特性与电缆的衰减特性刚好相反, 从而达到频率补偿的目的。使用中, 可根据电缆的衰减特性选择不同斜率的均衡器, 使信号在传输中频率补偿达到最佳效果。
放大器的输入电平是由系统信噪比( C/N) 决定的, 输出电平和增益是由系统非线性失真指标( CTB、 CSO) 决定的。对放大器输入输出电平的控制, 是系统成败的关键!
图像载波在网络中经过电缆和分支分配器进行汇合是监控系统与有线电视系统的最大区别。在监控系统中, 使用早期的550M系统即可满足需要。频率分配采用低分割方式, 即: 5-30MHz作为下行频带, 用于传输控制信号; 45-550MHz作为上行频带, 用于传输图像载波。这种系统的最大频道容纳数为: ( 550-45) /8 = 63( 个频道) 。如果采用双边带传输, 也能容纳31个频道。
监控网络使用的分支分配器同样采用有线电视标准器件, 不作任何改造, 直接使用。但须注意在使用中的方向问题( 与有线电视使用方向相反) 。我们把信号等分的器件称为分配器, 把信号非等分的称为分支器。它们均具有信号分配和混合功能。而且为无源器件, 使用中无须供电和调试。每种器件都有许多规格, 要了解详情, 请到.cc下载《常见分支分配器指标》。
要使放大器的输入信号保持一致, 必须利用分支器的衰减、 匹配和隔离特性。使各频道信号既能混合, 又不相互干扰。放大器的均衡功能是补偿电缆对频率的衰减差异。而分支分配器则是补偿不同节点的传输损耗( 频率距离) 差异。
当信号传到监控中心后, 图像载波将送入解调器进行图像解调。解调器等效于电视机的信号接收部分, 原理和功能完全相同。当前有线电视系统的电视终端高频输入参考标准是65dbuV正负5db。解调器输出的视频信号一般为75欧姆标准1Vp-p信号, 此信号可送入任何标准视频处理或显示设备。
高频宽带( 共缆) 图像传输技术不但在长距离、 多节点和强干扰图像传输条件下发挥它在监控领域独有的特长。而且由于它的高信道容量, 可在小区住宅智能化中, 方便地将可视对讲, 防盗报警、 远程读表等系统容入同一传输系统当中。克服了在可视对讲联网中, 图像传输的质量、 分配和切换难题及不稳定因数; 避免了RS485数据通信的不稳定性和多节点数据终端的相互影响。在IP图像传输技术还有待发展的近年内 , 高频宽带( 共缆) 技术具有一定的应用前景。