Применение в системах видеонаблюдения передатчиков и приемников для передачи видеосигнала по симметричным линиям связи («витой паре»)

При организации систем видеонаблюдения разработчик производит расчет параметров необходимых видеокамер. Параметры видеокамеры рассчитываются по углу обзора, чувствительности, разрешению (твл) для обеспечения реализации функций таких как "обнаружение объекта при заданном расстоянии" или "распознавание объекта при заданном расстоянии" или "идентификация объекта при заданном расстоянии". Достаточно важным параметром для реализации той или иной функции видеосистемы или той или иной функции отдельной видеокамеры в видеосистеме является параметр разрешающей способности, выраженном в "ТВЛ". И если расчетный параметр разрешающей способности видеоизображения определен в 600 твл, а установленная видеокамера будет иметь разрешающую способность всего 480 твл, то выполнение функций по идентификации объекта (как пример) системой видеонаблюдения, с получением изображения от этой видеокамеры, выполняться не будет. Для расчета параметров видеокамер существуют методики и даже "видео калькуляторы" позволяющие подобрать параметры видеокамеры для выполнения системой видеонаблюдения возложенных на нее функций. Пример таких калькуляторов можно найти в Интернете.

В любой видеосистеме помимо видеорегистратора и удаленных видеокамер присутствуют и проводные линии связи, которые транслируют видеосигнал от удаленной видеокамеры до входа видеорегистратора или видеомонитора. Протяженность линий связи даже в одной видеосистеме различны, а так же могут применяться видеокамеры и с различным разрешением видеосигнала от 360 твл до 650 твл и более. Чем выше разрешающая способность видеокамеры, тем и шире полоса спектра выходного видеосигнала от этой видеокамеры. Например, если видеокамера имеет разрешающую способность 420 твл, то ширина спектра выходного видеосигнала имеет граничную верхнюю частоту 5 МГц, а если видеокамера имеет разрешающую способность 570 твл, то полоса спектра выходного сигнала имеет граничную частоту 7 МГц. Подробный расчет ширины спектра видеосигнала с разным параметром по разрешению показан ниже:

Разрешение видеосигнала 240 твл

Частотная полоса линии связи 3 МГц

Разрешение видеосигнала 320 твл

Частотная полоса линии связи 4 МГц

Разрешение видеосигнала 420 твл

Частотная полоса линии связи 5 МГц

Разрешение видеосигнала 480 твл

Частотная полоса линии связи 6 МГц

Разрешение видеосигнала 570 твл

Частотная полоса линии связи 7 МГц

Разрешение видеосигнала 600 твл

Частотная полоса линии связи 7,5 МГц

Среднее затухание сигналов в кабеле «UTP-CAT-5e»

Частота

100 (м)

дБ

200 (м)

дБ

300 (м)

дБ

400 (м)

дБ

500 (м)

дБ

600 (м)

дБ

700 (м)

дБ

800 (м)

дБ

900 (м)

дБ

1000 (м)

дБ

1100 (м)

дБ

1200 (м)

дБ

1 МГц

2,0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

22.0

24.0

2 МГц

2,6

5.2

7.8

10.4

13.0

15.6

18.2

20.8

23.4

26.4

28.6

31.2

3 МГц

3,2

6.4

9.6

12.8

16.0

19.2

22.4

25.6

28.8

32.0

35.2

38.4

4 МГц

3,8

7.5

11.4

15.2

19.0

22.8

26.6

30.4

34.2

41.8

45.6

49.4

5 МГц

4,3

8.6

12.9

17.2

21.5

25.8

30.1

34.4

38.7

43.0

47.3

51.6

6 МГц

4,8

9.6

14.4

19.2

24.0

28.8

33.6

38.4

43.2

48.0

52.8

57.6

7 МГц

5,2

10.4

15.6

20.8

26.0

31.2

36.4

41.6

46.8

52.0

57.2

62.4

Для того, что бы проектируемая система видеонаблюдения выполняла бы свои функции, необходимо обеспечивать трансляцию по линии связи видеосигнала от удаленной видеокамеры до входа видеорегистратора таким образом, чтобы на входном разъеме видеорегистратора или видео монитора присутствовал бы такой же видеосигнал по разрешению, что и на выходном разъеме удаленной видеокамеры. Любой кабель связи вносит затухание в передаваемый по нему сигнал. И чем выше частота сигнала, тем большее затухание вносится кабелем в передаваемый сигнал. Популярный симметричный кабель "UTP-Cat-5e" ("витая пара") вносит затухание сигнала на частоте 1 МГц порядка -2 дБ/100 метров, на частоте 4 МГц затухание составляет -3,8 дБ/100 метров, на частоте 7 МГц затухание составляет -5,3 дБ/100 метров. И если линия связи имеет длину равную 600 метров и необходимо передать видеосигнал с разрешением 570 твл, то, в этом случае, надо учитывать что кабель связи внесет затухание на частоте 7 МГц порядка -32 дБ. Если передача видеосигнала производится по радиочастотному кабелю марки "РК75-4,8-ХХХ", то этот радиочастотный кабель на частоте 7 МГц вносит затухание порядка -1,6 дБ/100 метров и при длине кабеля связи в 600 метров, этот радиочастотный кабель связи внесет затухание на частоте 7 МГц равное -9,6 дБ.

Для того что бы обеспечить передачу видеосигнала от удаленной видеокамеры с сохранением разрешающей способности видеосигнала до входного разъема видеорегистратора, необходимо оснащать линию связи оборудованием, которое обеспечит компенсацию затухание сигналов в кабеле связи. И такая линия связи уже будет представлять из себя не только сам кабель связи, а и передатчики и приемники видеосигнала по симметричной линии связи ("витой паре"), или видеоусилители при передаче видеосигнала по радиочастотному кабелю связи. В приведенном выше примере по длине линии связи, суммарный подъем АЧХ приемника и передатчика видеосигнала по "витой паре" на частоте 7 МГц должен быть не менее +32 дБ, а видеоусилитель должен иметь подъем АЧХ входного видеосигнала на частоте 7 МГц не менее +10 дБ. Только в этом случае выходной видеосигнал удаленной видеокамеры с разрешением 570 твл (как в нашем примере) будет присутствовать на входном разъеме видеорегистратора или видеомонитора.

В Интернете достаточно много представлено так называемых "пассивных" передатчиков и приемников видеосигнала по "витой паре". В большинстве случаев из характеристик таких пассивных приемников и передатчиков присутствует только одна - "передача цветного видеосигнала до 300 метров, Ч/Б видеосигнала - до 600 метров". Иногда можно встретить запись - "передача видеосигнала до 1000 метров", а то и более. Практически очень редко можно найти и другую характеристику пассивного передатчика и пассивного приемника - "полоса пропускания 5 МГц". Иных характеристик пассивных приемников и передатчиков видеосигнала по "витой паре" найти практически невозможно. Пассивный приемник и передатчик, в своей основе, содержат согласующий трансформатор и все. Пассивный передатчик является и пассивным приемником одновременно. Что дает применение пассивного передатчика и приемника видеосигнала по "витой паре"? Пассивный передатчик преобразует не симметричный видеосигнал в симметричный, а приемник - наоборот. На приемнике происходит некое подавление наведенной на линию связи синфазной помехи. На какой уровень подавляется пассивным приемником синфазная помеха в таком трансформаторе - ни где не указывается. Скорее всего подавление синфазной помехи пассивным приемником производится на уровень - 6... -12 дБ и то в лучшем случае. Это зависит от качества намотки такого трансформатора и примененного сердечника и все. У качественных активных приемников подавление синфазной помехи происходит на уровень - 60 ....-90 дБ.

У любого трансформатора КПД не равно 100%. Следовательно, видеосигнал от входа пассивного передатчика до выхода пассивного приемника, на соответствующих нагрузках, теряет свою мощность, а, следовательно, и амплитуду. Фактически, на средних частотах спектра видеосигнала пассивный приемник и пассивный передатчик вносит потери в передаваемый видеосигнал. И это очевидно. А какие потери вносят пассивные приемники и передатчики в высокочастотной области видеосигнала (1 ... 7 МГц), в своем большинстве, остается загадкой. Если у пассивного передатчика (он же и приемник) указана полоса частот (как пример) 5 МГц, то это, в лучшем случае, означает, что полоса передачи таким передатчиком сигнала составляет полосу 5 МГц по уровню затухание сигнала на частоте 5 МГц равным -3 дБ. Следовательно, суммарное затухание сигнала на частоте 5 МГц, которое вносит такой пассивный передатчик и приемник, составит уже -6 дБ. Не зная АЧХ такого пассивного передатчика и приемника, можно предположить, что по уровню затухания -3 дБ общая их полоса сузится и составит всего 4 МГц вместо указанного значения 5 МГц только для пассивного передатчика. И если даже между таким пассивным передатчиком и приемников включить симметричный кабель связи длиной всего 1 метр, то вне зависимости с какой разрешающей способностью мы подключим на вход передатчика видеокамеру (480 твл, 570 твл или 650 твл), на выходе пассивного приемника и на нагрузке 75 Ом мы будем иметь видеосигнал с разрешающей способностью не более 320 твл. А если мы соединим выход видеокамеры со входом видеорегистратора кабелем "витая пара" (без пассивного передатчика и приемника), то "витая пара" с применением кабеля "UTP-CAT-5e" ограничит полосу передаваемого видеосигнала с шириной спектра в 4 МГц по уровню -3 дБ при длине кабеля связи в 40 ...60 метров (а не 1 метр). И какой смысл в приобретении видеокамер с разрешением 420, 480, 600 твл и применять для трансляции видеосигнала пассивные передатчики и приемники видеосигнала по "витой паре"?

На многих сайтах присутствует и информация о том, что для обеспечения качественной передачи видеосигнала по "витой паре" лучше применять пассивный передатчик с активным приемником. И даже указываются расстояния до 1000 метров и более. Тут же возникает вопрос - а что такое "качественная передача видеосигнала" в этом случае? У видеосигнала достаточно много параметров. Возьмем хоты бы эти: отношение "Сигнал/Шум" и "разрешающая способность видеосигнала". Возьмем линию связи длинной 1000 метров с кабелем "UTP-CAT-5e". И если среднее затухание видеосигнала в кабеле связи на частотах 50...100 кГц составит примерно -10 ... -12 дБ, то на частотах 7 МГц (570 твл) затухание сигналов составит уже -52 ... -56 дБ. И если представить себе, некий активный приемник компенсировал затухание кабеля связи на частоте 7 МГц (т.е. поднял АЧХ входного сигнала на частоте 7 МГц на уровень +56 дБ), то, следовательно, он увеличил входные сигналы на этой частоте примерно в 1000 раз. Следовательно, он увеличил и шумы также в 1000 раз. И если на выходе видеокамеры было соотношение "Сигнал/Шум" по уровню - 48 дБ, то, в этом примере, соотношение "Сигнал/Шум" на выходе приемника будет несколько хуже. Следовательно, мы уже теряем в качестве сигнала при его передаче с такой аппаратурой по кабелю связи. Но в параметрах активного приемника (рекламируемого вместе с пассивным передатчиком) редко указывается параметр подъема АЧХ приемника на той или иной частоте. В большинстве случаев в параметрах активного приемника указывается подъем ВЧ входного сигнала + 8 ... + 12 дБ. Но на какой частоте происходит подъем АЧХ приемника - непонятно. Но допустим, что подъем АЧХ приемника происходит на частоте 7 МГц. Производим простой расчет: линия связи с кабелем UTP-CAT-5e при ее длине в 1000 метров вносит затухание в передаваемый видеосигнал на частотах 7 МГц - 52 дБ. Если учесть скрутки проводов в кабеле связи, то можно предположить, что вносимое таким кабелем связи общее затухание на частоте 7 МГц составит -54... -56 дБ. Возникает закономерный вопрос - каким образом пассивный передатчик + активный приемник с коррекцией АЧХ в области высоких частот всего + 12 дБ (как пример) может обеспечить качественную передачу видеосигнала по линии связи с кабелем UTP-CAT-5e при длине линии связи в 1000 метров? Или возникает попутный вопрос - кто и как понимает «качественную» передачу видеосигнала по симметричной линии связи?

В параметрах многих активных передатчиков и активных приемников видеосигнала по «витой паре» указывается параметр – «полоса пропускания 7 МГц» (как пример). О чем говорит данный параметр? Данный параметр говорит только о том, что такой активный передатчик или активный приемник имеет ограничение спектра входного сигнала по уровню – 3 дБ на частотах 7 МГц. Следовательно, при применении такой пары (активных передатчика и приемник видеосигнала), частотный спектр видеосигнала по уровню – 3 дБ будет уже ограничен верхней частотой порядка 6 МГц. И если на вход передатчика будет поступать видеосигнал с разрешением 570 твл, то при длине кабеля всего 1 метр с выхода приемника будет поступать на видеорегистратор видеосигнал с разрешением всего 480 твл.

Для обеспечения действительно качественной передачи видеосигнала по симметричной линии связи необходимо и применение достаточно качественной аппаратуры. При подборе аппаратуры необходимо знать некоторые ее технические параметры, а именно:

  1. Полоса пропускания передатчика и приемника по уровню -3 дБ должна составлять не менее 8…9 МГц для видеосигнала с разрешением 570 твл.
  2. Уровень подъем АЧХ передатчика и приемника на граничной частоте спектра видеосигнала с заданным разрешением.
  3. Рассчитанное затухание сигнала в кабеле связи на граничной частоте видеосигнала заданного разрешения.
  4. Нелинейные искажения активного передатчика и активного приемника видеосигнала.
  5. Значение (сумма) суммарного подъема АЧХ приемника и передатчика на граничной частоте спектра видеосигнала для того или иного разрешением должен быть больше вносимого затухания кабелем связи на этой же частоте. Это связано с дополнительным затуханием передаваемого сигнала в соединительных разъемах или в «скрутках» жил кабеля связи.

В идеальном варианте подъем суммарной АЧХ передатчиком и приемником должен полностью компенсировать вносимое затухание сигнала линией связи. И если, условно, затухание сигналов в линии связи в зависимости от частоты имеет вид, как показано на рисунке 1,

Рис. 1

то суммарный подъем АЧХ передатчика и приемника видеосигнала по кабелю связи должен иметь вид, показанный на рисунке 2

Рис. 2

Получить характеристики подъема АЧХ передатчика и приемника полностью соответствующую зеркальному отражению характеристики АЧХ кабеля связи практически нереально. Суммарная характеристика подъема АЧХ сигнала приемником и передатчиком будет только похожа на характеристику затухания сигнала в линии связи, но не более. И это несоответствие характеристик АЧХ кабеля связи и аппаратуры передачи видеосигнала так же внесет некоторые искажения в выходной видеосигнал, поступающий с выхода приемника на вход видеорегистратора. Потерь в качестве видеосигнала, передаваемого по кабелю связи, избежать невозможно, но задача аппаратуры и оборудования свести эти потери к разумному минимуму.

Многие могут возразить данному материалу и выразить некое недоразумение – а зачем применять достаточно дорогую аппаратуру для передачи видеосигнала от удаленной видеокамеры до входа видеорегистратора с разрешением более, чем 480 твл? Все равно большинство видео регистраторов записывают поступающую информации от видеокамеры с разрешением не более 480 твл. Тут можно сказать следующее:

  • уже достаточно много видеорегистраторов, которые производят запись видеоизображения с разрешением 576 твл (4CIF (D1)   704x576   0,405 Mpixel   до 576 ТВЛ);
  • появились видеорегистраторы с возможностью записи видеосигнала с большим разрешением, чем 576 твл;
  • за последнее время появилось много аналоговых видеокамер с разрешением 600, 650 и даже 700 твл и от этих видеокамер необходимо по линии связи передавать видеосигнал до видеорегистратора или видеомонитора с разрешением видеосигнала, выдаваемого данной видеокамерой.

В любом случае, если для системы видеонаблюдения с применением аналоговых видеокамер приобретаются достаточно дорогие видеокамеры с разрешением 570, 600, 700 твл, то какой смысл для трансляции видеосигнала от этих видеокамер по симметричной линии связи класса «UTP-CAT-5e» (как пример) и длиной 200 – 400 метров применять пассивный передатчик и пассивный приемник, с выхода которого на вход видеорегистратора будет поступать видеосигнал с разрешением 300 твл, а то и менее. Какой смысл в приобретении таких видеокамер для системы видеонаблюдения с высоким разрешением (большим, чем 480 твл)? Но и видеосигнал с разрешением 480 твл надо передавать по линии связи с таким условием, что бы на вход видеорегистратора или видеомонитора поступал видеосигнал с тем же разрешением, а не (как пример) 240 твл.

Правильный подбор оборудования и несложный расчет позволит передавать в системе видеонаблюдения выходной сигнал от удаленной видеокамеры до входа на видеорегистратор с минимальными потерями в качестве и с минимальной потерей разрешения видеосигнала.

Источник: www.sec.ru