Главная » Законы физики в видеотехнике
Статьи

Законы физики в видеотехнике

Да простят меня те, кто знает всё (ну если не всё, то, по крайней мере, школьный курс физики), но в последние годы мне довелось повидать много плохих и даже очень плохих установок систем видеонаблюдения. Многие были для меня загадкой, но некоторые просто резали глаз пренебрежением основными законами физики. Хотя видел я и талантливые, тщательно продуманные решения, когда от полубытовой полуигрушечной техники добивались всего, на что она способна и даже чуть больше.

Вот я и подумал: наверное, многие уже забыли, чему их учили в школе. Может, кому-то пригодится, если я опишу самые яркие практические случаи проявления физики в технике. А в заглавие я вынес цифру из поговорки моего учителя физики: "Ошибка в расчётах на 30% простительна физику-экспериментатору, но ошибка в 30 раз свидетельствует о непонимании основных законов природы".

Закон Ома

Закон, надеюсь, помнят все: I=U/R, то есть ток равен напряжению делить на сопротивление. Или наоборот: U=I*R, то есть напряжение равно ток умножить на сопротивление. Одно из неприятных проявлений этого закона - падение напряжения на токоведущих проводах, про сопротивление которых забыли.

Удельное сопротивление меди

Медь - прекрасный проводник. Самый лучший из общедоступных. Однако не идеальный. Сопротивление провода диаметром 1,0 мм2 и длиной 100 метров составляет около 2 Ом. Вообще-то, это сопротивление зависит от технологии производства провода и его температуры, а также от степени помятости провода, усилия натяжения и чего-нибудь ещё, но с точностью до 30% будем считать - 2 Ома. Это можно запомнить, как мировую константу. Это исходная точка. На практике провода сечением 1,0 мм2 встречаются не так уж часто, но пересчитать нетрудно, например:

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b91352

Камеры надо питать

Предположим, вы подвели питание (12 Вольт) к видеокамере широко распространённым проводом сечением 0.2 мм2. Это в пять раз тоньше, поэтому сопротивление будет в пять раз больше нашей исходной цифры. Это уже 10 Ом. Предположим, длина провода до камеры составила 150 метров. Значит, сопротивление провода будет ещё больше - 15 Ом. Теперь смотрим в паспорт видеокамеры и видим, что она потребляет ток 300 мА. Вспоминаем закон Ома и получаем падение напряжения 4.5 Вольта. Питание подведено двумя проводами, по обоим идёт ток (по одному - туда, по другому - обратно) и на каждом из них упадёт по четыре с половиной вольта. То есть всего 9 вольт потерялись по дороге, а для камеры из поданных 12 Вольт осталось всего-то ничего - только 3 Вольта. Результат - не работает. Что же делать? Наивный дилетант скажет - нет проблем! Надо взять источник питания напряжением побольше, чтобы хватило и на паразитное падение на проводах и на камеру осталось, сколько положено. Стало быть, 21 Вольт источник питания. Вообще-то, весьма нестандартный номинал, но, допустим, мы поискали и нашли такой или даже сделали специально. Что же получится?

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b91353

Закон Кирхгофа

Этот закон, наверное, не все помнят по имени, но знают уж точно все: если куда-то что-то втекает, то оно оттуда и вытекает. В частности, электрический ток - течёт по всем подключенным проводникам. По каким-то больше, по каким-то меньше, но в сумме сколько втекло, столько и вытекло. Самое сложное - понять, по каким проводам какой ток потёк. Уверенно можно сказать одно - весь ток возникает в источнике питания и потом по второму проводу туда же и возвращается. А по дороге делает полезные вещи, например, создаёт изображение на экране видеомонитора.

Мнение электронов может не совпадать с вашим

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b91356

У дешёвых камер один из контактов питания соединён с общим проводом (массой) видеокамеры. Поэтому легко образуется земляная петля и часть видеосигнала идёт по проводу питания (рис.1).

Когда видеокамера одна и монитор один - это неважно. Это всего лишь несколько ухудшает согласование кабеля. Но если у вас в системе несколько камер, то ситуация сразу становится неприемлемой (рис.2). Небольшая доля сигнального тока от камеры номер 1 через общее заземление мониторов 1 и 2 (или через корпус их общего квадратора) проходит, в частности, по экранирующей оплётке кабеля от камеры номер 2. И создаёт на ней маленькое падение напряжения, складывающееся с выходным сигналом камеры номер 2. Результат - на мониторе номер 2 бегают серенькие привидения из камеры номер 1.

Чем толще все провода, чем меньше выходное сопротивление источника питания, тем меньше этот эффект, но полностью от него можно избавиться только применяя камеры с питанием переменным током и встроенным изолирующим трансформатором питания. В таком случае просто нет прямой связи между проводами питания и сигнальными, потому все токи текут именно там, где вы запланировали.

Вы не один на планете земля

Созданная вами система находится не в космосе и даже не в пустыне. Она подключена к розетке 220 В, а отдельные устройства заземлены (сознательно, по требованиям техники безопасности, или случайно - просто потому что стоят на земле). Ваша система видеонаблюдения оказывается частью глобальной сети, включающей в себя гидроэлектростанции, трамваи и прокатные станы. Это уже не слабенький сигнальный ток, описанный выше - это тысячи и миллионы ампер, протекающих по земле мимо вашего объекта в разных направлениях. И эти миллионы ампер не побрезгуют и вашей тоненькой проволочкой, соединяющей камеру с монитором. Хорошо, если сгорит только проволочка (рис. 3). Конечно, в большинстве случаев ничего не горит, но качество изображения, если это можно назвать изображением, оставляет желать лучшего.

Чтобы не допустить таких неприятностей камеры устанавливаются изолированными. Кожух можно заземлить, но тогда камеру надо изолировать от кожуха. Впрочем, у хороших камер даже корпус самой камеры изолирован от её внутренностей. Однако не все устройства можно изолировать от земли. Например, большинство мониторов не имеет двойной изоляции, они должны быть заземлены. Поэтому, если видеосигнал сначала заходит в один пост наблюдения, а затем идёт в другое здание, в другой пост наблюдения, то земляная петля почти неизбежна. Почти, ибо существуют изолирующие трансформаторы для видеосигнала или даже системы передачи неэлектрического сигнала (по оптическому волокну). И то и другое не очень дёшево, но что же делать - большие системы дешёвыми не бывают.

Волны в кабеле

Основным способом передачи видеосигнала в настоящее время является коаксиальный кабель. Это не случайно - такой тип кабеля наиболее дёшев и надёжен в широком диапазоне применений. Впрочем, всё написанное ниже относится и к витой паре и к любому другому типу проводника. Суть проблемы в том, что свет (и прочие электромагнитные колебания) распространяются быстро, но не мгновенно. Поэтому изменения сигнала на выходе из видеокамеры не приводят мгновенно к таким же изменениям на входе видеомонитора. Эти изменения распространяются по кабелю со скоростью света - 300 000 км/сек, а на самом деле даже меньше - в материале кабеля электромагнитные волны распространяются в полтора - два раза медленнее. Таким образом, уже 300 метров кабеля означает задержку в 2 микросекунды (все расчёты, как всегда, с точностью ~30%).

Волновое сопротивление - это не совсем сопротивление

Все слышали, что у кабеля есть "волновое сопротивление", оно же "импеданс". Не вдаваясь в детали напомню, что оно означает: это величина резистора, который можно подключить к концу кабеля, так что при этом волна, бегущая по кабелю полностью уйдёт в этот резистор, как будто бы это было бесконечное продолжение кабеля. Это сам по себе нетривиальный факт - что обычное резистивное сопротивление для волны неотличимо от кабеля, но оставим это физикам. Для нас, инженеров-практиков, главное, что в таком случае волна вся уходит в приёмник сигнала.

Отражение сигнала

d0b1d0b5d0b7d18bd0bcd18fd0bdd0bdd18bd0b91357

Если же согласование нарушено - например, в системе видеонаблюдения, рассчитанной на кабель с импедансом 75 Ом, применён компьютерный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, то некоторая доля волны отразится от монитора. Примерно 30%. Эта волна побежит обратно к видеокамере, там тоже отразится и в результате на приёмном конце окажутся две волны - одна первая (основная), и вторая - которая пробежала по кабелю туда-обратно ещё раз. Эта волна значительно слабее, процентов 10 от основной. И хуже всего, что она отстаёт от основного сигнала на 4 микросекунды (на кабеле 300 метров). Между прочим, развёртка на экране монитора проходит строку за 64 микросекунды. Так что отставшая волна создаст блёклые привидения, смещённые от основного изображения на 7-8% от ширины экрана. Этот тот же эффект, который происходит при отражениях сигналов эфирного телевещания от высоких зданий. Правда, снести соседние небоскрёбы обычно не в нашей власти, а вот при передаче видеосигнала по кабелю всё в наших руках - и лишь мы сами можем создавать себе проблемы.

Сигнал делится пополам

Надеюсь, предыдущий пассаж убедил вас в необходимости применения кабеля с правильным импедансом. А именно - 75 Ом. На такое волновое сопротивление кабеля рассчитана вся аппаратура систем видеонаблюдения. Мониторы имеют входное сопротивление 75 Ом, а камеры - выходное сопротивление 75 Ом. Обратите внимание - камеры тоже имеют выходное сопротивление. Это значит, что при отключенной нагрузке сигнал на выходе камеры вдвое больше номинального. Видел я одного "деятеля" - он утверждал, что при отключении нагрузки в мониторе сигнал становится "лучше". Это просто у него кабель был настолько плохой, сигнал настолько затухал, что ему было уже не до согласования - удвоение сигнала позволяло хоть как-то вытащить сигнал и это называлось "лучше". В нормальной ситуации удвоенный сигнал приводит к перегрузке входных цепей монитора или по крайней мере к некоторому ухудшению передачи градаций серого.

Отражение на неоднородностях (скрутках)

К сожалению, понятие "волновое сопротивление кабеля" относится к идеальному кабелю. Реальный кабель не совсем эквивалентен омическому сопротивлению, поэтому некоторое отражение всё-таки происходит. Более того, кабель сначала подключен к разъёму, тот - коротенькими проводочками к какой-то электронной схеме и лишь там стоит согласующее сопротивление. Это совсем не то же самое, что идеальное точечное сопротивление, установленное на срезе кабеля. Все эти переходные элементы нарушают идеальную картину и означают нарушение согласования. Однако если они находятся очень близко к концу кабеля - это не так страшно. Чтобы это отражение стало заметным -отражённой волне надо сбегать вдоль всего кабеля в обе стороны, при этом она значительно ослабнет. А вот если кабель где-нибудь посередине порван и его нарастили "скруткой" - это хуже. Скрутка на расстоянии около 100 метров от края - это худший случай. Отражённый сигнал достаточно смещён относительно основного, но ещё недостаточно ослабляется затуханием в кабеле.

Распределённое отражение

Сам кабель тоже не идеален. Даже если вы не испортили его при прокладке (скрутками или просто деформациями), он изначально не слишком однороден. Где-то есть дефекты, перепады состава материала диэлектрика или проводника - такой параметр (распределённое отражение волны) обычно приводится на кабели в техдокументации. Это уже один из параметров, по которым кабели отличаются "лучше-хуже". Впрочем, не самый главный.

Затухание сигнала

Значительно важнее такой параметр, как затухание сигнала в кабеле. Причём, внимание! Затухание сигнала разное на разных частотах.

Высокочастотное - потери в диэлектрике

Как правило, для кабеля приводится значения затухания на частотах 100 - 500 МГц. В лучшем случае, на частоту 10 МГц. Этот параметр очень важен, если вы собираетесь передавать по кабелю телевизионный модулированный сигнал, особенно дециметровых диапазонов. Однако низкочастотный видеосигнал, применяемый обычно в системах видеонаблюдения, занимает полосу от 50 Гц до 5 МГц. С одной стороны, это хорошо, что частоты низкие - затухание меньше. А с другой стороны - это огромный диапазон - отношение самой низкой частоты к самой высокой составляет 100000. И самое страшное - что одни частоты будут затухать сильнее, другие слабее - это уже искажения сигнала - тут никакой усилитель не поможет. Конечно, усилители обычно имеют раздельную регулировку усиления "по низким" и "по высоким", но компенсировать неравномерную частотную характеристику, конечно, не смогут.

Низкочастотное - по сопротивлению постоянному току

Особенно часто проблемой оказывается затухание по низким частотам - по постоянному току. Волновое сопротивление кабеля определяется отношением диаметров центральной жилы и экрана. Поэтому у тонких кабелей центральная жила недопустимо тонкая и имеет очень высокое омическое сопротивление. У стандартного РК-75-4 (примерный аналог RG-59U) сопротивление центральной жилы составляет около 5 Ом на 100 метров. Максимально допустимое общее сопротивление в зависимости от требований к качеству сигнала составляет 10-20 Ом (для RG-59U это 200-400 метров кабеля). Как нетрудно догадаться, для встречающегося иногда тоненького кабеля РК-75-1.5 (вторая цифра - диаметр внутренней изоляции) погонное сопротивление в 7 раз выше, а значит и в семь раз меньше допустимая длина: 30, максимум 60 метров. Вот так-то.

А ещё бывает кабель с центральной жилой в виде стальной проволоки, покрытой тонким слоем меди. Он прочнее и дешевле обычного, но: предназначен только для высокочастотных сигналов (слышали про скин-слой? - высокочастотные сигналы распространяются в тонком поверхностном слое). Для низкочастотных сигналов существенно, что удельное сопротивление стали в несколько раз выше, чем у меди, а стало быть, допустимое расстояние передачи сигнала по такому кабелю в несколько раз меньше (50-100 метров).

Фазовые искажения

Однако неравномерность амплитудно-частотной характеристики - ещё не самое страшное. В какой-то мере это можно компенсировать раздельными регулировками усиления низких и высоких частот в специальном усилителе-корректоре. Таким образом удаётся поднять допустимое расстояние распространения раза в два - если говорят, что RG-59 позволяет передавать на 300 метров, то с усилителем сгодится и метров на 600. А кабель типа RG-11 сгодился бы, наверное и до 2-3 километров. Если бы искажения были связаны только с неоднородностью амплитудно-частотной характеристики.

Однако есть ещё и фазовые искажения, связанные с тем что волны разных частот распространяются с разными скоростями. Такие искажения исправить практически невозможно. Проявляется этот эффект в виде размазывания или, наоборот, звона на контуров объектов. Слишком уж велик перепад частот НЧ видеосигнала - от 50 Гц до 5 МГц. Самая высокая частота во 100 000 раз выше самой низкой! Скорость распространения волн в таком диапазоне меняется на несколько процентов даже у лучших применяемых ныне материалов. Поэтому, если сигнал распространяется на километр за 10 микросекунд, то разные его составляющие при этом разбегаются почти на микросекунду, то есть примерно на 1/100 экрана (строка = 64 микросекунды) - в результате вы получаете разрешение видеосистемы на уровне 100 ТВ линий. Вот так-с.

Некоторые кабели по этому параметру чуть лучше, некоторые чуть хуже. Но разброс невелик, два-три раза. Всё определяется диэлектриком (изолятором), а выбор небогат - полиэтилен, поливинил, фторопласт. Вспененный полимер несколько лучше монолитного, но тоже ненамного. Сильно выделяется лишь кабель с воздушным, а ещё лучше - вакуумным изолятором. Впрочем ценой такой кабель тоже выделяется. Кстати, у витой пары этот параметр чуть лучше, чем у коаксиального кабеля с литым диэлектриком и хуже, чем у кабеля со вспененным.

Так что не верьте слухам, что НЧ видеосигнал можно как-то передать более чем на километр. Получится именно "как-то". То есть на экране будет видно "что-то". На расстояния 2 и более километров видеосигнал ходит только модулированным, на высокочастотной несущей - от 50 МГц и далее, вплоть до лазерного излучения в волоконно-оптических системах. В таком случае полоса передаваемых частот занимает диапазон, например, от 70 до 75 МГц и фазовых искажений почти нет.

Автор: А.М.Омельянчук

Взято с http://os-info.ru

27.01.2010



------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Облако тегов:

Когда не достигают желаемого, делают вид, что желали достигнутого.