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    挑战同轴视频干扰

    作者:施工队长    来源:成都系统集成公司    更新时间:2010-6-30 18:31:05    设计指数:          ★★★ 

      “干扰”一直是监控工程设计和施工中的一个令人头疼的“心病”。我们愿与业界朋友一起努力,共同向这一工程难题发起挑战。这里把初步研究成果正式向业界公开,抛砖引玉,供大家研究实践,共同提高。

      一、 同轴电磁干扰传统理论与认识

      1. 穿过缝隙论:干扰电磁场透过同轴电缆的外导体屏蔽层缝隙或屏蔽层破损处,辐射到、耦合到、感应到芯线上,从而形成干扰的。

      2. 趋肤深度穿透论:在视频干扰的低频段,计算电磁波的趋肤深度大于屏蔽层厚度,认为干扰仍会穿透屏蔽层,辐射到芯线上;

      3. 在这些理论和认识指导下,同轴电缆的结构也逐渐发生变化:从原来只有一个编织层的单屏蔽层同轴电缆,发展到一层铝箔加一层编织网的双屏蔽电缆,继而发展到“铝箔+编织网+铝箔+编织网”的“四屏蔽同轴电缆”,力求形成了一个“又厚又无缝”的外导体屏蔽层。但即使这样,当工程中电缆很长时,还是有干扰产生。于是人们觉得,同轴电缆是一种抗干扰性能不太强的传输线。

      二、 对电磁干扰形成机制重新认识

      eie实验室通过实验和理论分析,对外部干扰电磁场在同轴电缆传输系统中产生干扰的形成机制,初步形成了以下认识:

      1. 干扰”穿透”论依据似乎不足。视频信号的上边频为6MHz,波长50米。50Hz干扰电磁波的波长为6百万米或6000Km。电磁理论与实践表明,当网状导体孔隙直径小于1/10波长时,电磁波的穿透功率基本可以忽略;一般64编以上的同轴电缆编织网的平均孔隙大约1毫米左右,远远小于波长,完全可以等效为一个“无缝面导体”。干扰电磁场在导体表面产生感应电流,表面感应电流又产生相位相反的反电磁场,在导体外表面电场强度始终为零,而感应电流为最大值。又由于电缆外导体直径同样远远小于波长,编织网又是良导体,所以干扰电流在电缆外屏蔽层周围是均匀分布的,即任意一个横截面都是等电位的。电磁场理论和实验也已证明,一个等电位导体圆筒,其内部空间是等电位空间,即在同轴电缆外导体内部空间里,没有干扰产生的交变电磁场。同轴芯线,处在这个等电位空间里,不可能产生干扰感应电动势,如同电磁屏蔽室的原理一样。从同轴传输线基本理论方面看,信号在同轴线内部的传输,是以在内外导体限定的空间内,并以固定场结构模式传输的。外界干扰信号要进入同轴电缆传输,必须有一种有效的输入结构和激励条件,显然对干扰来说,这是不具备的。所以说“干扰穿透”的理论和实践依据似乎不足。

      2. 干扰电磁场在同轴电缆外导体纵向阻抗上产生感应电动势。 在充满电磁波的空间环境中,同轴电缆外导体如同一根接收天线(线天线),空间干扰电磁场照样会在外导体表面产生纵向交变感应电流。实际工程中当电缆很长时,外导体纵向电阻(阻抗)虽然很小,但不为零。于是较强的干扰感应电流,便会在外导体纵向电阻上产生一定幅度的感应电动势。用Vi代表这个实际产生的感应电动势。同样,如果电缆两端接地,交流同相地电位差或异相压差环路干扰,也会在外导体纵向电阻上形成干扰电动势。我们统一都用Vi表示这种客观存在的干扰感应电动势。

      3. 外界干扰是怎样混到视频信号中的?

      同轴电缆,不管具有一层,两层还是四个屏蔽层,电气上都是互相导通的一个同轴外导体屏蔽层,只是具体结构和厚度不同而已。同轴电缆视频传输等效电路如下图所示。

      摄像机输出视频幅度Vo=2Vp-p,输出阻抗为75Ω,同轴电缆内导体等效阻抗为Rc, 外导体等效阻抗为Rd, Vi是干扰在同轴外导体纵向阻抗上形成的感应电动势(大小正比于Rd,严格讲正比于纵向电抗Zd),末端设备对传输线来说是一个Rh=75Ω匹配负载。显然,终端负载Rh从传输回路中取得的信号电压,是视频信号Vo和干扰电动势Vi共同作用的结果。

      Vab=(Vo ×75)÷[75×2+Rc+Rd)] + (Vi×75) ÷[75×2+Rc+Rd)]

      其中,第一项为负载获得的有效视频信号

      Voh=(Vo ×75)÷[75×2+Rc+Rd)],

      第二项为负载获得的有效干扰信号

      Vih=(Vi×75) ÷[75×2+Rc+Rd)],

      当电缆很短时,内外导体电阻可以忽略,Rc+Rd=0,这时,有效视频信号

      Voh=(Vo ×75)÷75×2+0)= Vo ×75÷75×2= Vo/2=1Vp-p;

      因为干扰感应电动势Vi正比于(Rc+Rd),此时Vi=0,Vih =0;

      值得注意的是干扰信号Vi是由电缆纵向分布参数(阻抗或电阻)决定的,不是一个集中的点信号源,重要的是它串联在视频信号传输回路中,负载在取得摄像机视频信号的同时,也必然取得干扰信号。干扰的性质属于“加性干扰”,不管视频信号有没有,它始终存在。

      4. 同轴电缆外导体屏蔽性能分析:

      同轴电缆外导体,既是视频信号地,同时也是有效抵抗电磁干扰的屏蔽层。外界电磁场充斥着所有空间,只是有强弱之分,只要在具体应用场合里,干扰电动势与有用信号之比小到可以忽略,就可以认为没有干扰。同轴电缆外导体面积很大,阻抗很低,大部分干扰形成的感应电动势都可以忽略,这就是它的屏蔽作用。有线电视系统采用公用调频广播与通信波段作为增补频道,用同轴电缆进行远距离电视节目传输,而相互没有干扰,就是同轴电缆具有优异屏蔽性能的实践验证。反方面的例证是,在监控工程中,因同轴电缆屏蔽网断裂,或电缆头接触不良等,都会造成外导体阻抗增大,使原来可以忽略的弱干扰,变成了不能忽略的强干扰。我们可以把这种本不应该产生却又在具体工程中冒出来的干扰叫做“失误干扰”,“失误干扰”产生的概率很大,约占工程干扰总数的一半到一多半。

      5. 减小干扰影响的可能办法:

      根据上面分析,我们可以对同轴电缆视频传输,提出以下几种减小干扰影响的途径和可能办法:

      ★ 减少传输距离,缩短电缆长度(可行性很小);

      ★ 用粗电缆或多层屏蔽电缆(事倍功半,不太可取);

      ★ 提高输入信号幅度,增大信噪比(也不太可取);

      ★ 使用中继放大,增大信噪(也不太可取);

      ★ 电缆单端接地或都不接地(一般可行);

      三、 抗干扰电缆—— “e电缆”简介:SYWV75-5/eie,是一种抗干扰同轴电缆的型号与品牌标志,它是由eie实验室开发并拥有自有知识产权的产品。这种电缆的简称为“e电缆”,外观和尺寸与传统4屏蔽物理发泡同轴电缆没有区别。用于视频传输环境中,具有优异的、抗强电磁干扰能力。在此,我们首次公开这一技术。

      1.“e电缆”是一种“双屏蔽、双绝缘同轴电缆”。如下图

      

     

      它的结构从内到外依次是:

      ① 内导体芯线;

      ② 物理发泡层(第一绝缘层);

      ③ 铝箔和编织网共同组成的同轴外导体(第一屏蔽层);

      ④ 第二绝缘层;

      ⑤ 铜编织网第二屏蔽层⑥外护套。

      “e电缆”结构与4屏蔽物理发泡同轴电缆基本一样。

      2. 内导体芯线、物理发泡绝缘层和第一屏蔽层,组成标准SYWV75-5同轴电缆,用于视频信号传输,第一屏蔽层是视频信号地。信号传输仍然是要保证芯线和第一屏蔽层的有效连接。不同的是:外面的第二屏蔽层与里面第一屏蔽层之间是一个绝缘层,内外屏蔽层互不导通,第二屏蔽层不是信号地,它是真正的外界干扰屏蔽层,它给视频传输线提供了一个“柔性屏蔽室”环境。

      3. “e电缆”抗干扰原理:从“外界干扰是怎样混到视频信号中的”分析已经知道,单屏蔽层电缆会产生干扰的原因是,屏蔽层是信号传输回路的一部分,而干扰电动势又直接串联在信号传输回路中。“e电缆”的情况不同,尽管干扰也会在第二屏蔽层上产生感应电动式Vi,但Vi与信号传输回路绝缘,所以不会在信号传输回路中产生干扰电压。这就是“e电缆”的基本抗干扰原理。

      4. “e电缆”的抗干扰性能描述:

      ① 干扰在第二屏蔽层上产生的感应电动式Vi与信号传输回路绝缘,所以不能直接在信号传输回路中产生干扰电压。

      ② 尽管内外屏蔽层之间是绝缘的,但两层导体之间仍有分布电容Co存在,外屏蔽层感应电动势可以通过分布电容Co耦合到内屏蔽层上,间接形成干扰Vio。

      ③ 分布电容Co的耦合作用与频率有关,对50Hz干扰及电机,电火花等常见的强干扰,频率都很低,Co的容抗Zco很大,远远大于内屏蔽层纵向电阻Rd(几欧姆到几十欧姆),这样外屏蔽层感应电动势Vi,必须经过Co高容抗Zco与低电阻Rd高比率分压衰减,才是耦合到内屏蔽层上的有效干扰电动势Vio,显然抗干扰能力也就大幅度提高;

      ④ 干扰频率越低,“e电缆”的抗干扰能力越强,对常见的、威胁最大的低频超强电磁干扰,具有优异的抗干扰特性;

      ⑤ 即使对视频的高频段干扰,也具有明显的抗干扰能力。

      5.“e电缆”的上述抗干扰特性,在对这种电缆进行的抗干扰模拟试验和工程实际干扰环境的抗干扰试验中得到了验证,取得了十分满意的效果,现正积极推荐工程应用。

      “e电缆”的开发成功和不断完善,将给监控工程的设计和施工带来福音。应用“e电缆”,可以实现在强电磁干扰情况下的“安全布线和施工”,而不再会被干扰所困惑。


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