电视监控系统的传输方式和常用线缆

电视监控系统的传输方式和常用线缆在监控系统中，监控图象的传输是整个系统的一个至关重要的环节，选择何种介质和设备传送图象和其它控制信号将直接关系到监控系统的质量和可靠性。目前，在监控系统中用来传输图象信号的介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤，对应的传输设备分别是同轴视频放大器、双绞线视频传输设备和光端机。同轴电缆是较早使用，也是使用时间最长的传输方式。后来，由于远距离和大范围图象监控的需要以及人们对监控图象质量的要求提高，监控网络中开始大量使用光纤来传输图象信号。至于双绞线被使用到图象监控网络中则是近来的事，它的出现主要很好地解决了两个方面的问题：一方面，它解决了200米至2000米距离范围内高质量图象信号传输的问题，因为在这段距离范围内同轴电缆传输难以达到要求而光纤传输又显得不太经济；另一方面，它解决了大规模密集型监控网络的布线问题，双绞线自身的尺寸和柔软性克服了大量使用同轴电缆时的布线难题。当然，双绞线还具有抗干扰能力强、价格便宜等优点。正是由于双绞线很好地解决了长期困扰着人们的这些问题，所以它在监控网络的应用立即引起了业界广泛的关注，在较短的时间内已经被大量使用到工程实践中，并且取得了很好的应用成果。每个监控工程都有其自身的特点和特殊性，因此在组建监控网络时需要充分考虑这些具体情况，选用最为合适的图象和信号传输方式。鉴于同轴电缆、双绞线和光纤是目前监控系统中使用最广的三种传输介质，我们可以从几个方面对它们作一些分析和比较。一、 特点和传输特性分析1、 同轴电缆同轴电缆具有价格较便宜、铺设较方便的优点（相对于光纤而言），所以，一般在小范围的监控系统中，由于传输距离很近，使用同轴电缆直接传送监控图象对图象质量的损伤不大，能满足实际要求。但是，根据对同轴电缆自身特性的分析，当信号在同轴电缆内传输时其受到的衰减与传输距离和信号本身的频率有关。一般来讲，信号频率越高，衰减越大。视频信号的带宽很大，达到6MHz，并且，图象的色彩部分被调制在频率高端，这样，视频信号在同轴电缆内传输时不仅信号整体幅度受到衰减，而且各频率分量衰减量相差很大，特别是色彩部分衰减最大。所以，同轴电缆只适合于近距离传输图象信号，当传输距离达到200米左右时，图象质量将会明显下降，特别是色彩变得暗淡，有失真感。在工程实际中，为了延长传输距离，要使用同轴放大器。同轴放大器对视频信号具有一定的放大，并且还能通过均衡调整对不同频率成分分别进行不同大小的补偿，以使接收端输出的视频信号失真尽量小。但是，同轴放大器并不能无限制级联，一般在一个点到点系统中同轴放大器最多只能级联2到3个，否则无法保证视频传输质量，并且调整起来也很困难。因此，在监控系统中使用同轴电缆时，为了保证有较好的图象质量，一般将传输距离范围限制在四、五百米左右。另外，同轴电缆在监控系统中传输图象信号还存在着一些缺点：1） 同轴电缆本身受气候变化影响大，图象质量受到一定影响；2） 同轴电缆较粗，在密集监控应用时布线不太方便；）同轴电缆一般只能传视频信号，如果系统中需要同时传输控制数据、音频等信号时，则需要另外布线；4） 同轴电缆抗干扰能力有限，无法应用于强干扰环境；5） 同轴放大器还存在着调整困难的缺点。2、双绞线双绞线的使用由来已久，电话传输使用的就是双绞线，在很多工业控制系统中和干扰较大的场所以及远距离传输中都使用了双绞线，我们今天广泛使用的局域网也是使用双绞线对。双绞线之所以使用如此广泛，是因为它具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、价格低廉等许多优点。由于双绞线对信号也存在着较大的衰减，所以传输距离远时，信号的频率不能太高，而高速信号比如以太网则只能限制在100m以内。对于视频信号而言，带宽达到6MHz,如果直接在双绞线内传输，也会衰减很大，所以视频信号在双绞线上要实现远距离传输，必须进行放大和补偿，双绞线视频传输设备就是完成这种功能。加上一对双绞线视频收发设备后，可以将图象传输到1至2km。双绞线和双绞线视频传输设备价格都很便宜，不但没有增加系统造价，反而在距离增加时其造价与同轴电缆相比下降了许多。所以，监控系统中用双绞线进行传输具有明显的优势：1） 传输距离远、传输质量高。由于在双绞线收发器中采用了先进的处理技术，极好地补偿了双绞线对视频信号幅度的衰减以及不同频率间的衰减差，保持了原始图象的亮度和色彩以及实时性，在传输距离达到1km或更远时，图象信号基本无失真。如果采用中继方式，传输距离会更远。2） 布线方便、线缆利用率高。一对普通电话线就可以用来传送视频信号。另外，楼宇大厦内广泛铺设的5类非屏蔽双绞线中任取一对就可以传送一路视频信号，无须另外布线，即使是重新布线，5类缆也比同轴缆容易。此外，一根5类缆内有4对双绞线，如果使用一对线传送视频信号，另外的几对线还可以用来传输音频信号、控制信号、供电电源或其它信号，提高了线缆利用率，同时避免了各种信号单独布线带来的麻烦，减少了工程造价。3）抗干扰能力强。双绞线能有效抑制共模干扰，即使在强干扰环境下，双绞线也能传送极好的图象信号。而且，使用一根缆内的几对双绞线分别传送不同的信号，相互之间不会发生干扰。）可靠性高、使用方便。利用双绞线传输视频信号，在前端要接入专用发射机，在控制中心要接入专用接收机。这种双绞线传输设备价格便宜，使用起来也很简单，无需专业知识，也无太多的操作，一次安装，长期稳定工作。）价格便宜，取材方便。由于使用的是目前广泛使用的普通5类非屏蔽电缆或普通电话线，购买容易，而且价格也很便宜，给工程应用带来极大的方便。3、光纤光纤和光端机应用在监控领域里主要是为了解决两个问题：一是传输距离，一是环境干扰。双绞线和同轴电缆只能解决短距离、小范围内的监控图象传输问题，如果需要传输数公里甚至上百公里距离的图象信号则需要采用光纤传输方式。另外，对一些超强干扰场所，为了不受环境干扰影响，也要采用光纤传输方式。因为光纤具有传输带宽宽、容量大、不受电磁干扰、受外界环境影响小等诸多优点，一根光纤就可以传送监控系统中需要的所有信号，传输距离可以达到上百公里。光端机可以提供一路和多路图象接口，还可以提供双向音频接口、一路和多路各种类型的双向数据接口（包括RS232、RS485、以太网等），将它们集成到一根光纤上传输。光端机为监控系统提供了灵活的传输和组网方式，信号质量好、稳定性高。近些年来，由于光纤通信技术的飞速发展，光纤和光器件的价格下降很快，使得光纤监控系统的造价大幅降低，所以光纤和光端机在监控系统中的应用越来越普及。不过，使用光纤和光端机需要一定的专业知识和专用设备，这给工程施工和用户使用带来了一定的困难。另外，对于短距离、小规模的监控系统来说，使用光纤传输也显得不够经济。二、 技术性能分析1、同轴电缆在监控系统中，使用75Q、-5的同轴电缆较为常见。一般，这种同轴电缆的分布电容在50-60pF/m左右，再加上电缆的直流电阻，会使被传输信号受到衰减。测试表明，频率为5MHz的信号在75Q、-5的同轴电缆内传输100m时，将被衰减5dB左右，信号频率越高，受到的衰减越大。图象信号是一种高频宽带信号，图象彩色部分位于频率高端，当用同轴电缆传输彩色图象信号时，其亮度和色彩都会受到衰减，特别是随着传输距离增加图象的色彩会变淡甚至失真。在实验室进行测试发现，彩色图象信号在75Q、-5的同轴电缆内传输200m左右时，其幅度和色彩已经有明显的衰减。如果要传输更远距离，只有加入同轴视频放大器。下图为75Q、-5的同轴电缆传输200m距离时的实验室测试波形（第17行）：同轴电缆一、概述1、 基带同轴电缆同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。有两种广泛使用的同轴电缆。一种是50欧姆电缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75欧姆电缆，用于模拟传输，即下一节要讲的宽带同轴电缆。这种区别是由历史原因造成的，而不是由于技术原因或生产厂家。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。同轴电缆的带宽取决于电缆长度。lkm的电缆可以达到1Gb/s~2Gb/s的数据传输速率。还可以使用更长的电缆，但是传输率要降低或使用中间放大器。目前，同轴电缆大量被光纤取代，但仍广泛应用于有线电视和某些局域网。2、 宽带同轴电缆使用有限电视电缆进行模拟信号传输的同轴电缆系统被称为宽带同轴电缆。“宽带”这个词来源于电话业，指比4kHz宽的频带。然而在计算机网络中，“宽带电缆”却指任何使用模拟信号进行传输的电缆网。由于宽带网使用标准的有线电视技术，可使用的频带高达300MHz(常常到450MHz)；由于使用模拟信号，需要在接口处安放一个电子设备，用以把进入网络的比特流转换为模拟信号，并把网络输出的信号再转换成比特流。宽带系统又分为多个信道，电视广播通常占用6MHz信道。每个信道可用于模拟电视、CD质量声音(1.4Mb/s)或3Mb/s的数字比特流。电视和数据可在一条电缆上混合传输。宽带系统和基带系统的一个主要区别是：宽带系统由于覆盖的区域广，因此，需要模拟放大器周期性地加强信号。这些放大器仅能单向传输信号，因此，如果计算机间有放大器则报文分组就不能在计算机间逆向传输。为了解决这个问题，人们已经开发了两种类型的宽带系统：双缆系统和单缆系统。双缆系统双缆系统有两条并排铺设的完全相同的电缆。为了传输数据，计算机通过电缆1将数据传输到电缆数根部的设备，即顶端器(head-end),随后顶端器通过电缆2将信号沿电缆数往下传输。所有的计算机都通过电缆1发送，通过电缆2接收。单缆系统另一种方案是在每根电缆上为内、外通信分配不同的频段。低频段用于计算机到顶端器的通信，顶端器收到的信号移到高频段，向计算机广播。在子分段(subsplit)系统中，5MHz~30MHz频段用于内向通信，40MHz~300MHz频段用于外向通信。在中分(midsplit)系统中，内向频段是5MHz~116MHz，而外向频段为168MHz~300MHz。这一选择是由历史的原因造成的。宽带系统有很多种使用方式。在一对计算机间可以分配专用的永久性信道；另一些计算机可以通过控制信道，申请建立一个临时信道，然后切换到申请到的信道频率；还可以让所有的计算机共用一条或一组信道。从技术上讲，宽带电缆在发送数字数据上比基带(即单一信道)电缆差，但它的优点是已被广泛安装。3、同轴电缆网络同轴电缆网络一般可分为三类:•主干网。主干线路在直径和衰减方面与其他线路不同,前者通常由有防护层的电缆构成。•次主干网。次主干电缆的直径比主干电缆小。当在不同建筑物的层次上使用次主干电缆时,要采用高增益的分布式放大器,并要考虑电缆与用户出口的接口。•线缆。同轴电缆不可绞接,各部分是通过低损耗的连接器连接的。连结器在物理性能上与电缆相匹配。中间接头和耦合器用线管包住,以防不慎接地。若希望电缆埋在光照射不到的地方,那么最好把电缆埋在冰点以下的地层里。如果不想把电缆埋在地下,则最好采用电杆来架设。同轴电缆每隔100米设一个标记,以便于维修。必要时每隔20米要对电缆进行支撑。在建筑物内部安装时,要考虑便于维修和扩展,在必要的地方还需提供管道,保护电缆。同轴电缆一般安装在设备与设备之间。在每一个用户位置上都装备有一个连接器,为用户提供接口。接口的安装方法如下:细缆将细缆切断，两头装上BNC头，然后接在T型连接器两端。粗缆粗缆一般采用一种类似夹板的Tap装置进行安装，它利用Tap上的引导针穿透电缆的绝缘层，直接与导体相连。电缆两端头设有终端器，以削弱信号的反射作用。二、参数指标1、主要电气参数⑴同轴电缆的特性阻抗同轴电缆的平均特性阻抗为50±2Q，沿单根同轴电缆的阻抗的周期性变化为正弦波，中心平均值±3Q,其长度小于2米。同轴电缆的衰减一般指500米长的电缆段的衰减值。当用10MHz的正弦波进行测量时,它的值不超过8.5db(17db/公里);而用5MHz的正弦波进行测量时，它的值不超过6.0db(12db/公里)。同轴电缆的传播速度需要的最低传播速度为0.77C(C为光速)。同轴电缆直流回路电阻电缆的中心导体的电阻与屏蔽层的电阻之和不超过10毫欧/米(在20°C下测量)。2、同轴电缆的物理参数同轴电缆是由中心导体、绝缘材料层、网状织物构成的屏蔽层以及外部隔离材料层组成，其结构如图1所示。同轴电缆具有足够的可柔性,能支持254mm(10英寸)的弯曲半径。中心导体是直径为2.17mm±0.013mm的实芯铜线。绝缘材料必须满足同轴电缆电气参数。屏蔽层是由满足传输阻抗和ECM规范说明的金属带或薄片组成，屏蔽层的内径为6.15mm,外径为&28mm。外部隔离材料一般选用聚氯乙烯(如PVC)或类似材料。3、对电缆进行测试的主要参数有:导体或屏蔽层的开路情况。导体和屏蔽层之间的短路情况。导体接地情况。在各屏蔽接头之间的短路情况。三、规格型号同轴电缆可分为两种基本类型,基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前基带常用的电缆,其屏蔽线是用铜做成的网状的，特征阻抗为50(如RG-8、RG-58等)；宽带同轴电缆常用的电缆的屏蔽层通常是用铝冲压成的，特征阻抗为75(如RG-59等)。粗同轴电缆与细同轴电缆是指同轴电缆的直径大还是小。粗缆适用于比较大型的局部网络,它的标准距离长、可靠性高。由于安装时不需要切断电缆，因此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置。但粗缆网络必须安装收发器和收发器电缆，安装难度大，所以总体造价高。相反，细缆安装则比较简单，造价低，但由于安装过程要切断电缆，两头须装上基本网络连接头(BNC),然后接在T型连接器两端，所以当接头多时容易产生接触不良的隐患，这是目前运行中的以太网所发生的最常见故障之一。为了保持同轴电缆的正确电气特性，电缆屏蔽层必须接地。同时两头要有终端器来削弱信号反射作用。无论是粗缆还是细缆均为总线拓扑结构,即一根缆上接多部机器,这种拓扑适用于机器密集的环境。但是当一触点发生故障时,故障会串联影响到整根缆上的所有机器,故障的诊断和修复都很麻烦,因此,将逐步被非屏蔽双绞线或光缆取代。最常用的同轴电缆有下列几种:RG—8或RG—1150QRG-5850QRG-5975QRG-6293Q计算机网络一般选用RG-8以太网粗缆和RG-58以太网细缆。RG-59用于电视系统。RG-62用于ARCnet网络和IBM3270网络。四、布线结构在计算机网络布线系统中,对同轴电缆的粗缆和细缆有三种不同的构造方式,即细缆结构、粗缆结构和粗/细缆混合结构。1、细缆结构细缆网络结构如图2所示。图2细缆网络结构示意图图2如纜网络结构示意图硬件配置网络接口适配器:网络中每个结点需要一块提供BNC接口的以太网卡、便协式适配器或PCMCIA卡。BNC-T型连接器:细缆Ethernet上的每个结点通过T型连接器与网络进行连接,它水平方向的两个插头用于连接两段细缆，与之垂直的插口与网络接口适配器上的BNC连接器相连。电缆系统:用于连接细缆以太网的电缆系统包括:•细缆(RG-58A/U):直径为5毫米，特征阻抗为50欧姆的细同轴电缆。・BNC连接器插头:安装在细缆段的两端。BNC桶型连接器:用于连接两段细缆。・BNC终端匹配器:BNC50欧姆的终端匹配器安装在干线段的两端,用于防止电子信号的反射。干线段电缆两端的终端匹配器必须有一个接地。中继器:对于使用细缆的以太网,每个干线段的长度不能超过185米,可以用中继器连接两个干线段,以扩充主干电缆的长度。每个以太网中最多可以使用四个中继器,连接五个干线段电缆。技术参数・最大的干线段长度:185米。・最大网络干线电缆长度:925米。・每条干线段支持的最大结点数:30。・BNC-T型连接器之间的最小距离:0.5米。特点^5*目习士件勿X衣。・造价较低。・网络抗干扰能力强。・网络维护和扩展比较困难。・电缆系统的断点较多,影响网络系统的可靠性。

2、粗缆结构 图3粗缆以太网结构示意图图32、粗缆结构 图3粗缆以太网结构示意图图3祖缆以太网结构示意图1)硬件配置建立一个粗缆以太网需要一系列硬件设备,包括:(1)网络接口适配器:网络中每个结点需要一块提供AUI接口的以太网卡、便提式适配器或PCMCIA卡。收发器(Transceiver):粗缆以太网上的每个结点通过安装在干线电缆上的外部收发器与网络进行连接。在连接粗缆以太网时，用户可以选择任何一种标准的以太网(IEEE802.3)类型的外部收发器。收发器电缆:用于连接结点和外部收发器，通常称为AUI电缆。电缆系统:连接粗缆以太网的电缆系统包括:•粗缆(RG-11A/U):直径为10毫米，特征阻抗为50欧姆的粗同轴电缆，每隔2.5米有一个标记。・N-系列连接器插头:安装在粗缆段的两端。・N-系列桶型连接器:用于连接两段粗缆。・N-系列终端匹配器:N-系列50欧姆的终端匹配器安装在干线电缆段的两端，用于防止电子信号的反射。干线电缆段两端的终端匹配器必须有一个接地。中继器:对于使用粗缆的以太网,每个干线段的长度不超过500米,可以用中继器连接两个干线段,以扩充主干电缆的长度。每个以太网中最多可以使用四个中继器,连接五段干线段电缆。2)技术参数・最大干线段长度:500米。・最大网络干线电缆长度:2500米。每条干线段支持的最大结点数:100。•收发器之间最小距离：2.5米。•收发器电缆的最大长度：50米。3）特点•具有较高的可靠性,网络抗干扰能力强。•具有较大的地理覆盖范围,最长距离可达2500米。•网络安装、维护和扩展比较困难。•造价高。3、粗/细缆混合结构1）硬件配置在建立一个粗/细混合缆以太网时,除需要使用与粗缆以太网和细缆以太网相同的硬件外,还必须提供粗缆和细缆之间的连接硬件。连接硬件包括：・N-系列插口到BNC插口连接器。・N-系列插头到BNC插口连接器。2）技术参数・最大的干线长度：大于185米,小于500米。・最大网络干线电缆长度：大于925米,小于2500米。为了降低系统的造价,在保证一条混合干线段所能达到的最大长度的情况下,应尽可能使用细缆。可以用下面的公式计算在一条混合的干线段中能够使用的细缆的最大长度t=（500-L）/3.28，其中:L为要构造的干线段长度,t为可以使用的细缆最大长度。例如,若要构造一条400米的干线段,能够使用的细缆的最大长度为：（500-400）/3.28=30（米）。3）特点・造价合理。・网络抗干扰能力强。・系统复杂。・网络维护和扩展比较困难。・增加了电缆系统的断点数,影响网络的可靠性。2、 双绞线在用双绞线作为传输介质时，一般使用普遍使用的5类UTP电缆。其特性阻抗在100Q左

右，分布电容约15pF/m，与同轴电缆不同，信号在双绞线内以平衡方式传输，但也会受到衰减，在传输距离为150m左右时视频信号的衰减曲线如下图所示：FREQUENCY(kHz)是完成平衡-非平衡转换、阻抗匹配、以及放大补偿等作用，有了双绞线视频传输设备和双绞线配合使用，就可以保证在1.5Km的距离范围内都能高质量地传输视频信号。在实验室使用专用仪器对双绞线传输图象信号的性能指标进行了测试，结果如下：(1)传输距离为300m时，指标：DGW1%；DPW1°；SNR三65dB第17行测试波形如下图：(2)传输距离为1200m时，指标：DGW2%；DPW2°,SNR三60dB第17行测试波形如下图：3、光纤光纤是远距离监控图象传输的必然选择，它能提供上百公里的传输距离，并且能提供很好的图象传输质量。在实验室使用专用仪器对光纤传输图象信号的性能指标进行了测试，结果如下：测试仪器：TektronixTSG-271PAL制信号发生器、TektronixVN700A视频信号分析仪被测设备：武汉微创光电技术有限公司WTOS-02S4000非压缩数字视频传输设备、烽火通信股份有限公司生产的G.652光纤指标：DGW1%；DPW1°；SNR三70dB第17行测试波形如下图：光纤传输是三种传输方式中成本最高的一种，现在单模光纤的价格一般在每纤每米2元左右，光端机的价格大约为每路图象2000元左右，再加上工程中的辅料比如光纤跳线、光法兰盘以及光纤熔接费用等等，使得光纤监控网络的造价相对较高。但是，光纤传输具有很多突出的优点，所以传输距离在二、三公里以上的监控网络中、一些环境干扰强的场所、以及对质量和可靠性要求很高的监控场所大都还是选用光纤作为传输介质。同轴电缆在一、二百米左右距离范围内使用较为广泛，在这种范围内使用同轴电缆不需要其他设备，使用简便，传输质量也基本能满足要求。但是，当传输距离增加时，同轴电缆在性价比上和双绞线相比就处于劣式。一般，75Q、-5的同轴电缆市价在1.5元/m,同轴放大器价格在300元/台；5类UTP电缆的价格0.8元/m,双绞线视频传输设备的价格为600元/套，下面就距离为300m和600m两种情况对同轴电缆和双绞线的传输成本作一些比较。假定在某个监控网