Простые сложные кабели: важные требования и основные правила

При разработке структуры современных мультимедийных комплексов инсталляторы нередко допускают распространенную и довольно опасную ошибку – провода, кабели и разъемы приобретают как бы «на сдачу», на остаток денег в бюджете работы, а потом рвут на себе волосы, так как дешевенькие и некачественные кабели способны свести на нет преимущества превосходной и очень дорогой аппаратуры.

Какие же требования предъявляются к кабелям, чтобы их можно было считать хорошими?

В идеале кабели, соединяющие различные типы оборудования, должны вести себя как «перемычки». Это означает, что вход приемного устройства должен работать так, как будто он присоединен непосредственно к передающему устройству. Идеальный кабель должен работать как идеальная «линия передачи», не влияя на сигнал. К сожалению, на практике так не бывает почти никогда. Электрические характеристики соединительных кабелей неидеальны, поэтому они всегда в большей или меньшей степени влияют на передаваемые по кабелям сигналы, ослабляя и искажая их.

Если говорить о коаксиальных кабелях, то для них критична линейная неравномерность волнового сопротивления и наличие распределенных паразитных емкостей C и индуктивностей L, которые неблагоприятно влияют на качество сигнала.

Общее правило заключается в том, что чем длиннее используемые кабели, тем более неблагоприятное воздействие они оказывают на передаваемый сигнал.

Использование кабелей лучшего качества позволяет уменьшить эту проблему. Очень популярным кабелем, используемым для передачи видеосигнала, является кабель марки RG-59. Такой кабель хорошо подходит для небольших расстояний в метр или два, тогда выходные сигналы выглядят так, будто передатчик и приемник соединены непосредственно с помощью идеальной перемычки. На частотах композитного видео до 10 МГц высокочастотное затухание сигнала в этом кабеле составляет около 3 дБ на 100 метров, поэтому ухудшение сигнала не особенно заметно даже на расстоянии в 200 метров. Однако на частоте 300 МГц (частоты, встречающиеся при работе с высоким разрешением или цифровым видео) затухание на 100 метров составляет уже около 20 дБ, что уже очень опасно для сигнала. При работе с цифровым потоковым видео (формат SDI) на скорости передачи 270 Мбит/с затухание порядка 40 дБ может иметь место на расстоянии в 300 метров. Это означает уменьшение амплитуды ВЧ-составляющих сигнала на 99% (т.е. фронты импульсов в сигнале «развалятся» настолько, что цифровой сигнал уже не удастся восстановить на принимающей стороне).

Эмпирические правила предотвращения проблем с кабелем

Длина и качество кабеля:

• Для композитного видео системы PAL или NTSC можно использовать кабель марок RG-59 или RG-6 при расстоянии от источника видео до приемника не более 50-100 метров. На экране не должно быть никакого видимого ухудшения сигнала. При больших расстояниях, до 200-300 метров, следует использовать кабель марки RG-11. Если расстояние больше 300 метров, требуются кабели лучшего качества, такие как Belden 8281 или Belden 1694A, которые также подходят для сигналов цифрового потокового видео в формате SDI. Использование этих кабелей позволяет увеличить максимально возможное расстояние на 50% и больше.
• Для s-Video (системы Y/C, Super-VHS и Hi-8) допускается применение стандартных, недорогих кабелей при расстояниях 5-20 метров. При этом наблюдается совсем небольшое видимое ухудшение сигнала: «размытие» цвета и расплывчатое изображение. При использовании кабелей качества выше среднего не будет никакого ухудшения сигнала. Качество разъема s-Video, на что часто не обращают внимания, играет важную роль в конечном качестве сигнала.
• С аналоговыми смешанными видеосигналами типа Y, R-Y и B-Y или RGB необходимо обращаться очень осторожно (особенно для режимов HDTV). Если источник смешанного видеосигнала – видеомагнитофон или видеокамера, на расстояниях до 30-50 метров можно использовать кабель марки RG-59 или RG-6 для того, чтобы сохранить хорошее качество (особенно для сигнала «Y»). При больших расстояниях, до 100-150 метров, следует использовать кабель лучшего качества: или RG-11, или подходящий кабель Belden (см. выше). Со смешанными сигналами типа сигналов RGB с видеокарты компьютера следует обращаться как с компьютерными источниками сигналов (см. ниже).
• Компьютерные видеокарты с выходными сигналами VGA, XGA и более высокими разрешениями требуют различных подходов в зависимости от рабочего разрешения. Современные общедоступные кабели VGA можно использовать при разрешении от 640x480 до 1024х768 на расстоянии до 3-5 метров. При разрешении 1600х1200 такие кабели можно использовать на расстояниях не больше 1,8 м. Для более высоких разрешений они практически не подходят.
  Когда речь идет о сигналах с видеокарты компьютера или о других высокочастотных сигналах, составной выходной сигнал следует передавать по коаксиальным кабелям, при этом он разделяется на индивидуальные, отдельно изолированные кабельные линии.
  Кабели наилучшего качества, состоящие из отдельных коаксиальных кабелей с общей изоляцией, можно использовать на расстояниях до 20-30 метров, хотя и с некоторым видимым ухудшением качества сигнала. Когда речь идет о сигналах с видеокарты компьютера или о других высокочастотных сигналах, составной выходной сигнал следует передавать по коаксиальным кабелям, при этом он разделяется на индивидуальные, отдельно изолированные кабельные линии с кабелем одного из типов, упомянутых выше. Для сигналов VGA/XGA необходимо использовать пять кабелей для передачи сигналов цветности Red, Green и Blue, а также синхросигналов строчной и кадровой развертки; четыре кабеля необходимы для передачи сигналов Red, Green, Blue и композитного синхросигнала. Три кабеля требуются в случаях, когда передаются сигналы Red, Blue и Green+синхросигнал, или композитный синхросигнал накладывается на все сигналы цветности (Red, Green и Blue).

Решение проблем, связанных с кабелем:

Проблемы, связанные с кабелями, подразделяются на несколько категорий:

• Общее затухание и ослабление сигнала из-за плохо подобранных волновых характеристик. Если вы запитываете длинный кабель композитным видеосигналом с напряжением 1 В, то на выходе напряжение может составлять, например, только 0,9 В.
• Высокочастотные потери из-за реактивного сопротивления кабеля. Подобное высокочастотное затухание при передаче видеосигнала может привести к ухудшению цветности от «размытия» до полной ее потери, уменьшению разрешения изображения и ухудшению четкости.
• Эффекты стоячей волны и отражения из-за несогласованного волнового сопротивления между схемой и кабелем. Видимым результатом подобного эффекта является «звон», когда на кадровой развертке изображения появляются побочные линии, влияя, таким образом, на чистоту изображения.

Если необходимо передавать сигнал на большие расстояния:

Как мы видели ранее, длины кабеля вносят ограничения во всех форматах. Далее следуют возможные решения данной проблемы, которые подразумевают использование качественных кабелей и разъемов:

• Используйте линейные усилители для повышения отношения сигнал/шум;
• Балансный сигнал может быть передан на большее расстояние, чем небалансный;
• Для передачи сигналов на большие расстояния используйте оптоволоконные линии связи;
• Для передачи сигналов на максимальные расстояния используйте радио- или спутниковый канал связи.

Линейные усилители

Линейные усилители позволяют решить следующие проблемы, возникающие при использовании длинных кабелей:

• Затухание общего уровня сигнала;
• Затухание высокочастотной части спектра сигналов из-за паразитной реактивности кабелей;
• Несогласованность волнового сопротивления кабеля с волновыми сопротивлениями передатчика и приемника сигналов.

Линейные усилители должны устанавливаться как можно ближе к источнику видеосигнала для получения лучшего отношения сигнал/шум. Линейные усилители, как правило, оснащены подстроечными регуляторами уровня сигнала. Некоторые из них используются для усиления и компенсации полного затухания сигнала, другие – для управления высокочастотными затуханиями, и называются компенсаторами или высокочастотными регуляторами. В компенсаторах применяется частотнозависимое усиление сигнала с целью компенсации высокочастотного завала АЧХ кабеля. Линейные усилители помогают при несогласованности волнового сопротивления источника с волновым сопротивлением линии, так как их выходное сопротивление равно волновому сопротивлению кабеля.

Линейные усилители различаются по своим функциям в зависимости от области их применения:

• Самыми простыми являются линейные усилители для композитного видеосигнала;
• Линейные усилители для сигналов S-Video (Y/C) имеют отдельное управление для Y и C. Иногда линейные усилители Y/C сигналов имеют дополнительное управление, например, регулировку фазы сигнала цветности;
• Линейные усилители для соединения с помощью витой пары имеют простое управление, как у линейных усилителей композитного сигнала;
• Линейные усилители для видеосигнала смешанного типа, сигналов RGB или VGA/XGA более сложные. Например, в случае с сигналами VGA/XGA, один регулятор может управлять тремя различными сигналами.
• Линейные усилители для цифрового потокового видео формата SDI имеют встроенную схему двойной коррекции: компенсации и повторной синхронизации сигнала. При передаче цифровых сигналов на большие расстояния их форма искажается. Искажения формы сигнала при использовании длинных кабелей корректируются схемами повторной синхронизации (перетактирования).

При использовании высококачественного линейного усилителя эффективный рабочий диапазон может увеличиться от 2 до 10 раз в зависимости от формата сигнала и марки используемого кабеля. Иногда можно встретить системы с линиями передачи видеосигнала длиной 300-500 метров, в которых используются высококачественные кабели и один или больше последовательно включенных линейных усилителей.

Осциллограммы искаженного и восстановленного перетактированием цифрового сигнала

Линейные усилители можно включать каскадно. Включение в цепь линейных усилителей последовательно (например, один усилитель на каждые 80 метров при передаче композитного видеосигнала) – довольно обычное дело. При передаче смешанного сигнала или сигнала Y/C, линейные усилители должны включаться ближе друг к другу, на расстоянии 40-50 метров, даже при условии использования достаточно хороших кабелей.

Для передачи сигналов высокого разрешения с видеокарты компьютера на большие расстояния наилучший способ – использовать вместо многожильного кабеля VGA/XGA отдельные коаксиальные кабели RGB и коаксиальные линейные усилители. Если это невозможно, примите во внимание, что линейный усилитель должен включаться в цепь сигнала максимум каждые 20‑50 метров (в зависимости от используемого разрешения), и это только при условии применения кабелей высокого качества.

При передаче сигнала на большие расстояния с использованием линейного усиления часто возникают проблемы с заземлением, например, из-за помех от сети переменного тока и образования паразитных контуров заземления, возникающих из-за наличия разности потенциалов между точками заземления. Чтобы решить эти проблемы, часто бывает необходимо использовать изолированный провод заземления и балансную схему усиления.

Передача сигнала по витой паре

Применение витой пары может оказаться самым подходящим методом передачи видеосигналов на большие расстояния – от 100 метров до 1 км. Подобная система включает в себя видео- или аудио-видео передатчик, который формирует балансный сигнал, и приемник, выполняющий обратное преобразование.

Для передачи сигнала подходит почти любой тип витой пары или двухпроводного кабеля, однако многое зависит от качества кабеля. Низкокачественные провода витой пары, которые имеют высокую емкость или чрезмерно экранированы, ограничивают эффективный диапазон системы. Для витой пары нехарактерны проблемы с заземлением.

Системы для композитного видео на витой паре, работающие на расстояниях порядка 500 метров между источником и приемником, довольно обычны. Линейные усилители, специально разработанные для витой пары, увеличивают дальность соединения. Эмпирическое правило гласит, что если система хорошо работает на расстоянии 500 метров, линейный усилитель способен увеличить дальность соединения в два раза.

Современные приборы, использующие витую пару, хорошо работают также с сигналами s-Video (YC), компонентным (YUV) и VGA/XGA, обеспечивая их передачу на расстояния до 300 м.

Передача сигнала по оптоволокну

Для передачи сигналов на расстояния свыше 1 км рекомендуется использовать оптоволоконные линии связи. В них электрические сигналы преобразуются в лучи света и передаются по оптоволокну. Луч света обычно инфракрасный. Оптоволоконная система включает в себя оптический передатчик и оптический приемник.

Существуют два типа оптоволокна: многомодовое и одномодовое. Использование многомодовых систем позволяет передавать аналоговый композитный видеосигнал на расстояние до 5 км. Одномодовое оптоволокно позволяет передавать сигнал на расстояние до 25 км. Для передачи сигнала на расстояния до 50 км используют лазерные передатчики и приемники. Для оптоволоконных линий также разработаны линейные усилители, но они гораздо сложнее обычных.

Передача сигнала по радиоканалу

Передатчики и приемники сигнала СВЧ или спутниковые системы приема-передачи данных могут расширить диапазон передачи на многие километры, но это совсем другая технология, и поэтому данные методы здесь не рассматриваются.

Проблемы, связанные с передачей аудиосигналов

Передача аудиосигналов на большие расстояния также может породить массу проблем. Аудиосигналы могут иметь малую мощность (линейные, с микрофона или балансные) или большую – для акустических систем. Системы передачи аудиосигналов гораздо менее чувствительны к рассогласованию волнового сопротивления, чем системы передачи видео.

Основные затруднения, возникающие при передаче аудио:

• Аудиокабели с высокой проходной емкостью могут вызвать самовозбуждение усилителей;
• На аудиокабели могут влиять электрические шумы и помехи, что снижает качество сигнала и ухудшает отношение сигнал/шум;
• Рассогласование волнового сопротивления кабеля и аппаратуры вызывают уменьшение уровня и ухудшение качества сигнала.
• Качество работы пары «усилитель-акустическая система» может деградировать из-за снижения высокого коэффициента демпфирования усилителя за счет сопротивления кабеля.

Все эти проблемы более или менее решаемы.

Высокоемкостные аудиокабели:

Аудиокабели с высокой проходной емкостью могут вызвать ухудшение сигнала и нестабильность каскадов выходного усилителя. Чтобы избежать этих проблем, в каскадах выходного усилителя необходимо использовать стабильные микросхемы усиления, с соответствующими выходными резисторами, развязывающими усилитель от неблагоприятного воздействия кабеля.

Влияние шума:

Электрический шум может накапливаться в длинных проводах, вызывая тем самым ухудшение качества аудиосигнала. Проблема становится более серьезной при передаче сигналов малой мощности, например, с микрофона.

Существуют два способа решения данной проблемы:

• Первый способ заключается в использовании кабелей хорошего качества с соответствующей экранировкой. Экранировка существенно понижает накопление шума. Такой метод применим для сигналов линейного уровня на расстояниях до 20-50 метров с использованием кабелей, не прилегающих к источникам электрического шума (см. выше).
• Другой способ, обычно используемый в широковещательных системах, состоит в применении системы сбалансированных проводов. В типичной системе используется трехпроводная конструкция – два провода для сигналов противоположной полярности и третий, заземляющий и/или экранирующий провод. Таким методом на выходе достигается очень чистый сигнал, хотя такая система и стоит дороже из-за более сложной электронной схемы. При использовании балансной схемы расстояние уверенной передачи сигнала линейного уровня может быть эффективно увеличено до 100-300 метров, опять же с использованием кабелей, не прилегающих к источникам электрического шума (см. выше).

Сигналы с микрофона напряжением несколько милливольт более чувствительны к внешнему влиянию. Эффективное расстояние передачи микрофонных сигналов низкого уровня при использовании системы сбалансированных проводов составляет 50–150 метров (в десять раз больше, чем при использовании простых несбалансированных экранированных проводов). Очень часто в наши дни для того, чтобы улучшить соотношение сигнал/шум, уровень сигнала приподнимается. Этот метод основывается на предположении, что внешнее воздействие постоянно. В прошлом уровни аудио/видеосигнала величиной 1 В были нормой. Сегодня уровни сигнала 6–30 В, передающиеся по системе сбалансированных аудиопроводов, стали обычным делом.

Затухание и ухудшение сигнала из-за волнового сопротивления кабеля:

Кабели вносят определённое сопротивление в цепь прохождения сигнала. Иногда резистивная часть этого составного волнового сопротивления очень велика, что создает делитель напряжения с сопротивлением нагрузки. В результате имеем ухудшение уровня сигнала. Схема активного усиления компенсирует изменения уровня сигнала, в ней сигнал усиливается на приемнике, или, что предпочтительней, на передатчике, он может быть точно отрегулирован пользователем с помощью внутреннего или внешнего управления. В некоторых случаях определенные полосы пропускания в пределах спектра аудиосигнала ослабляются из-за емкости кабеля. Это обычно влияет именно на высокочастотный диапазон. Чтобы преодолеть эту проблему, в цепь сигнала должен быть включен полосовой усилитель или эквалайзер.

Деградация качества выхода усилителя из-за сопротивления кабеля:

В акустической системе с усилителем кабели, ведущие к усилителю, если они имеют недостаточное сечение, создают с сопротивлением динамика делитель напряжения, уменьшая уровень сигнала. Эту проблему можно решить с помощью регулятора громкости на усилителе. Гораздо более серьезная проблема состоит в снижении коэффициента демпфирования усилителя из-за сопротивления кабеля. В результате имеем ухудшение качества и звук «как из бочки». Использование проводов с большой проводимостью и низкой емкостью помогает преодолеть эту проблему.

Заключение

Кабели и передача сигналов на большие расстояния могут быть серьезной проблемой, но понимание физической природы таких проблем, точное определение своих задач и использование приемов, описанных выше, помогут преодолеть возникающие трудности даже для систем, работающих на больших расстояниях.