Условия оптимальной работы оборудования передачи видеосигнала по проводным линиям связи

Сейчас все большей и большей популярностью пользуется аппаратура с помощью которой можно осуществлять передачу видеоизображения от удаленной видеокамеры до монитора (регистратора) по двухпроводной линии связи. Это связано с тем, что:

- двухпроводная линия связи типа «витая пара» дешевле, чем РК - кабель с малыми потерями сигнала. Использование витой пары реально позволяет по одному многопарному кабелю одновременно передавать несколько видеосигналов, причем количество передаваемых сигналов по одному кабелю ограничивается только количеством витых пар в кабеле.

- длинная линия связи с применением РК – кабеля (и в особенности воздушная линия связи) подвержена влиянию электромагнитных наводок от соседних кабелей электропроводки, атмосферных явлений, влияния мощных электромагнитных полей от ЛЭП и т.п. Если на длинную линию связи с применением РК – кабеля наводится электромагнитная помеха, то избавиться от данной помехи практически невозможно, т.к. частотные составляющие спектра наведенной помехи зачастую находятся в полосе передаваемого видеосигнала. При «вырезании» теми или иными фильтрами сигналов наведенной помехи «вырезается» и полезный сигнал от видеокамеры. В этом случае для ослабления влияния паразитных электромагнитных помех на длинную линию связи с применением РК – кабеля необходимо применять дорогостоящие РК – кабели имеющие двойную экранирующую оплетку или прокладывать данную линию связи с применением металлического рукава и его дополнительно заземлять. Металлорукав имеет защитные свойства от внешних электромагнитных наводок на уровне – (50 … 60) ДБ, но прокладывать такие линии связи достаточно дорого.

Принципиально другое решение избавления от наводимых паразитных электромагнитных помех на длинную линию связи с передачей аналоговых сигналов и в т.ч. видеосигнала обеспечивает аппаратура передачи аналоговых сигналов по симметричной двухпроводной линии связи. Суть данного решения заключается в том, что передающее устройство (передатчик) формирует из стандартного однополярного не симметричного аналогового сигнала двухполярный симметричный парафазный сигнал. В этом случае на выходе передатчика мы не имеем общего (нулевого) провода и сигнального провода, как в случае выхода сигнала от видеокамеры или с видео усилителя, а имеем выходной симметричный дифференциальный двухполярный сигнал. Данный сигнал поступает на длинную симметричную линию связи. Часто применяют двухпроводную линию связи «витая пара», где оба провода имеют общую скрутку с определенным шагом.

По омическому сопротивлению оба провода в такой двухпроводной линии связи имеют одинаковое значение и если есть некий разброс, то он не превышает, как правило, 1-2%. Паразитная емкость такой линии связи достаточно равномерно распределена вдоль всей линии. По этому, такие линии связи и называют симметричными. На приемник поступает от передатчика ослабленный аналоговый сигнал по линии «А» и линии «В» двухпроводной линии связи и данные сигналы находятся по отношению к друг другу в противофазе. Приемное устройство, как правило, строится с применением дифференциального операционного усилителя. Он выполняет единственную функцию, а именно - сложение сигналов по формуле (сигнал «А» - сигнал «В»)х К усиления. Но так как на выходе передатчика данные сигналы находятся уже в противофазе, то сигнал «В» имеет знак «-» по отношению к сигналу «А». Следовательно, на входном каскаде операционного усилителя приемника происходит сложение поступающих по двухпроводной линии связи сигналов «А» и «В» и умножение их на установленный коэффициент усиления.

На выходе приемника получается уже стандартный аналоговый сигнал, что и на входе передатчика. Но если на длинную двухпроводную линию связи воздействует электромагнитная помеха, то она одинаково воздействует как на линию «А», так и на линию «В» двухпроводной линии связи. Следовательно, на вход приемника по проводу «А» будет поступать полезный сигнал «А» + Uпомехи, а по проводу «В» будет поступать полезный сигнал - «В» + U помехи. На входе дифференциального усилителя в приемнике произойдет следующая операция, а именно: (+«А» + Uпомехи – (-«В» + U помехи) Х К усиления).

Данную запись можно представить как: (+«А» + U Помехи +«В» - U помехи) Х К усиления, что тождественно: (+«А» + «В» + Uпомехи – U помехи)Х К усиления. Или (сокращая U помехи) данное выражение примет вид: (+«А» + «В»)Х К усиления. Отсюда видно, что дифференциальный усилитель приемника автоматически вычитает из поступающих по длинной двухпроводной линии связи амплитуду наложенной помехи, а полезные сигналы складывает и усиливает. Вот в этом и заключается принцип передачи аналоговых сигналов и в т.ч. и видеосигнала по симметричной двухпроводной линии связи.

Ни чего нового для схемотехники передачи аналоговых сигналов по симметричным линиям связи тут нет. Теперь мы рассмотрим простой вопрос: при каких необходимых условиях такая система передачи аналоговых сигналов от входа передатчика до выхода приемника работает оптимально? И именно «оптимально» а не «хорошо», ибо техника должна работать «не хорошо», а обеспечивать заданные электрические характеристики. А понятие для техники «работает хорошо» достаточно расплывчато. Постараемся сформировать такие условия и дать к ним разъяснения.

Условие №1 – двухпроводная линия связи должна быть симметричной, т.е. иметь одинаковое омическое сопротивление между проводом «А» и проводом «В». В противном случае, сигналы от передатчика будут приходить на входы приемника не одинаковые по амплитуде, что вызовет искажение выходного сигнала приемника относительно входного сигнала передатчика. Это основное условие для симметричной линии свяи.

Дополнительным условием может служить то, что двухпроводная линия связи должна иметь равномерно распределенную по длине паразитную емкость кабеля, одинаковый шаг скрутки по всей длине. Если это условие выполняется, то это значит, что на вход дифференциального усилителя приемника будут поступать одинаковые сигналы по амплитуде «А» и «В» но в противофазе, т.е. сдвинутые по фазе относительно друг друга ровно на 180 градусов. Как правило, в современных двухпроводных линиях связи «витая пара» данное условие выполняется.

Условие №2 – выходные дифференциальные сигналы на выходе передатчика должны иметь одинаковую амплитуду, необходимую по величине, что бы на вход приемника поступали данные сигналы достаточной амплитуды для их обработки входным дифференциальным усилителем приемника. Это условие достигается достаточно легко регулировкой коэффициента усиления усилителя, стоящего в передатчике.

Условие №3 – Выходные сигналы передатчика должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга ровно на 180 градусов. Это достаточно важное условие, т.к. дифференциальный усилитель приемника производит математическое вычитание сигнала «А» из сигнала «В», но поступающего со знаком «-», т.е. производит их сложение. И если по тем иди иным причинам связанными со схемотехникой передатчика (или с применяемыми в нем радиоэлементами) выходные сигналы передатчика будут иметь иное значение сдвига по фазе относительно друг друга, то выходной сигнал дифференциального усилителя приемника будет иметь искажения.

Условие №4 – дифференциальный операционный усилитель приемника должен иметь такие электрические характеристики, которые позволяют производить сложение сигналов, поступающих по его входам «А» и «В» с такой точностью, чтобы исключить искажение выходного сигнала по отношению к входному сигналу передатчика. А это достигается при условии одинакового входного сопротивления усилителя по входам «А» и «В», одинаковой входной паразитной емкости по входам «А» и «В», а так же и одинаковыми токами в каскадах усиления по входам «А» и «В». Естественно, что нет в природе идеального дифференциального операционного усилителя и каждый операционный усилитель имеет те или иные погрешности. Многие фирмы, производящие операционные усилители, стремятся свести к минимуму погрешности тех или иных операционных усилителей. И это достигается путем лазерной подгонки параметров радиоэлементов, которые на кристалле микросхемы включены в данную микросхему. Лазерная подгонка параметров в процессе производства операционных усилителей приближает их значения близко к параметрам идеального дифференциального усилителя. Но такие микросхемы достаточно дорогие по отношению к микросхемам без лазерной подгонки в процессе их производства.

Условие №5 – для обеспечения качественной работы передатчика и приемника, дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом должен иметь двухполярное симметричное питание (согласно рекомендаций по его применению), что обеспечивает условие симметрии его выходных сигналов относительно «земли» или нулевой точки схемы передатчика. Это так же справедливо и относительно питающих напряжений дифференциального усилителя приемника. В противном случае будут возникать дополнительные искажения передаваемого сигнала из-за не симметричных токов утечки.

Условие №6 – применяемые в приемниках и передатчиках дифференциальные операционные усилители должны иметь высокие скоростные показатели для обеспечения высокоточного преобразования входных – выходных сигналов, подавления паразитных наведенных сигналов на линию связи. К таким параметрам можно отнести, например, как частоту единичного усиления для операционного усилителя на уровне и данный параметр должен быть не менее 200 – 250 МГц, так и параметр по скорости нарастания выходного сигнала со значением 400 – 800 В / мксек. и выше.

Мы рассмотрели далеко не все, но на наш взгляд основные условия для аппаратуры передачи аналоговых сигналов по симметричным двухпроводным линиям связи, которые напрямую влияют на качественные показатели аппаратуры такого класса. Но мы намеренно выше опустили один из важных параметров приемника, который характеризует непосредственно ту функцию такой аппаратуры, как подавление помех, наводимых на длинную двухпроводную линию связи. Выше мы в основном рассмотрели те условия, которые необходимы для качественного преобразования входного аналогового сигнала в противофазные симметричные сигналы, которые передаются по симметричной двухпроводной линии связи, и условия для качественного обратного преобразования симметричного сигнала поступающего на входы приемника по линии связи в стандартный сигнал, аналогичный входному сигналу на входе передатчика. Действующая для длинную двухпроводную линию связи электромагнитная наводка наводит в проводе «А» и проводе «В» одинаковую электрическую наводку.

Возникающие импульсы напряжения от наводки в проводе «А» и проводе «В» будут иметь одинаковую амплитуду и фазу по отношению друг к другу. Это справедливо, если провода «А» и «В» двухпроводной линии связи одинаково удалены от источника электромагнитной наводки. И если полезные сигналы в проводах «А» и «В» противофазны по отношению друг к другу, то наведенные сигналы в данных проводах находятся в одной фазе, т.е. синфазны. Все операционные усилители наряду с другими параметрами, характеризуются параметром подавления синфазной помехи. Как правило, данный коэффициент составляет у большинства операционных усилителей значение порядка – 60…. – 90 ДБ. Следовательно, полезные сигналы по входам дифференциального операционного усилителя будут складываться и усиливаться, а поступающие синфазные сигналы по тем же входам дифференциального операционного усилителя будут подавляться на -60… - 90 ДБ.

Но повторимся, что все это справедливо, если выполняются описанные выше условия и применяются в аппаратуре соответствующие дифференциальные операционные усилители, которые обеспечивают данные устловия. Усилитель, установленный в передатчике должен обеспечивать работу на симметричную линию связи с характеристическим сопротивлением 100 – 150 Ом, а усилитель, установленный в приемнике должен обеспечивать работу на нагрузку 75 Ом. Если применить иные операционные усилители (с другими электрическими параметрами), то для обеспечения нормальной работы передатчика надо дополнительно устанавливать дополнительные радиоэлементы, которые нарушают необходимый баланс электрических сигналов. Это приводит как к возникновению искажений сигнала, так и дополнительным шумам в полезном сигнале. А самое главное, что резко падает параметр компенсации дифференциальным усилителем наведенных помех на линию связи.

В связи с тем, что специализированные операционные усилители достаточно дороги, то можно разработать и изготовить передатчики и приемники на иных микросхемах, или применить две микросхемы операционных усилителей для обеспечения выходного дифференциального сигнала. Но большинство операционных усилителей не имеют мощного выхода для работы на двухпроводную линию связи. Можно применить для каждого плеча выходного сигнала передатчика свою микросхему, но такое решение приведет к сдвигу фаз между выходными сигналами, отличным от 180 градусов. Это обусловлено тем, что даже одинаковые микросхемы имеют разброс электрических параметров.

Так же при применении в передатчике слаботочных микросхем вызовет необходимость устанавливать в передатчик дополнительные каскады усиления по выходному току для согласования передатчика с характеристическим сопротивлением двухпроводной линии связи. Такие дополнительные усилители будут иметь различные характеристики быстродействия вследствие разброса параметров радиоэлементов. Следствием является то, что в выходных сигналах передатчика уже нет четкого сдвига по фазе на 180 градусов во всей полосе спектра передаваемого сигнала. И это достаточно трудно обеспечить, т.к. видеосигнал имеет частотный спектр от (40 – 50) Гц до (5.5 – 6) МГц. И обеспечить одинаковую задержку видеосигнала на всех значениях частот частотной полосы передаваемого по линии сигнала ровно на 180 градусов практически невозможно в такой схеме передатчика, изготовленного не на одном кристалле микросхемы, а на дискретных радиоэлементах. Выходные сигналы передатчика будут отличаться и по амплитуде в пределах допуска аппаратуры, с помощью которой они настраиваются, что так же приводит к искажению выходного сигнала на выходе приемника.

Если даже для компенсации всех этих погрешностей установить в приемнике до 5-7 регулировок, которые предназначены для выравнивания поступающих входных сигналов по амплитуде, выравниванию поступающих входных сигналов по фазе в разных областях частотного спектра, то можно в лабораторных условиях и с применением специальных приборов добиться более-менее качественной передачи аналогового сигнала по длинной линии связи используя передатчики и приемники в которых не применяются специализированные микросхемы. Но как произвести достаточно сложные по точности настройки регулировки и без специальных приборов на объектах (в «полевых» условиях»), где устанавливают системы видеонаблюдения? Как правило, монтажники аппаратуры делают это «на глаз» по видеоизображению на мониторе. А если в передатчике и приемнике операционные усилители включены по схеме с однополярным питание, то устанавливаются дополнительные регулировки компенсации токов утечки и разделительные емкости. Это так же приводит к сдвигу фазы выходных сигналов передатчика.

Безусловно, что приемники и передатчики, изготовлены на дискретных радиокомплектующих, по ценовой характеристики получаются дешевле. Но дополнительные регулировки на приемнике ни когда не обеспечат получения качественного изображения по сравнению с той аппаратурой, в которой применяются специализированные для данной аппаратуры радиоэлементы с лазерной подгонкой их параметров в процессе их производства, а в самой схеме передатчиков и приемников отсутствуют фазосдвигающие радиоэлементы, такие как индуктивности и емкости. Нельзя забывать, что при передаче видеоизображения спектр сигнала достаточно велик от 50 Гц до 6 МГц.

И обеспечить выравнивание фаз сигнала (или точнее обеспечение разницы фаз сигналов ровно в 180 градусов) за счет внешних RC – цепей и одинаково во всем спектре частот передаваемого сигнала практически невозможно. Возможно по этим причинам некоторые производители подобной техники, как правило, в паспортах или инструкциях на данные приемники и передатчики указывают практически один параметр – это максимальная дальность передачи сигнала по двухпроводной линии связи и только. А о таких параметрах, как нелинейные искажения выходного сигнала в полосе или на разных частотах передаваемого спектра, коэффициент подавления синфазного сигнала - просто умалчивается.