| |
Кабельные корректоры
Владимир Куземко, Константин
Шебзухов
В телевизионных комплексах
постоянно приходится сталкиваться с необходимостью передачи различных
видеосигналов на большие расстояния. В идеальном случае линия связи
должна быть "невидимой", не внося никаких искажений в
проходящий сигнал. Реальная линия - кабельная, оптическая или радиорелейная
- вне зависимости от вида сигналов, проходящих по ней, вносит свои
искажения, шумы и задержки. Это касается как аналоговых, так и цифровых
сигналов. В настоящее время основное место в передаче видео- и звуковых
сигналов занимают кабельные линии: коаксиальные и витая пара.
Рассмотрим передачу аналоговых сигналов. Существует
оборудование для передачи композитного сигнала по витой паре на
расстояние до нескольких километров, но эта технология имеет ряд
существенных недостатков: температурная и механическая нестабильность
витой пары, непостоянство и невоспроизводимость ее электрических
характеристик. Все эти факторы сужают область применения этой технологии
до систем видеонаблюдения, от которых не требуется вещательного
качества сигналов. Поэтому далее мы не будем упоминать о технологии
передачи видеосигналов по витой паре.
 |
|
Рис. 1. Тест сигнал после
прохождения длинной линии
|
Для композитных аналоговых сигналов
проход через длинную линию виден как уменьшение четкости и контрастности,
уменьшение резкости и цветовой насыщенности (для PAL), возникновение
цветовых "тянучек" и пропадание цветности (для SECAM). При
передаче компонентных сигналов на большие расстояния также наблюдается
уменьшение контрастности и цветовой насыщенности. Типичная картина
искажений видна на примере тест-строки (рис. 1) и проявляется как
затягивание фронтов прямоугольных импульсов [1], уменьшение амплитуды
пакетов [2], 2-Т [3] и 20-Т [4] импульсов.
Как определить приемлемость качества линии?
Критерии допустимого ухудшения качества
сигнала устанавливаются соответствующими стандартами, например,
ГОСТ Р 50725-94 "Соединительные линии в каналах изображения".
Требования этого и других родственных стандартов весьма жестки (особенно
CCIR 601) и рассчитаны на "идеальное" качество сигналов.
В реальном случае допустимое ухудшение качества определяется не
требованием стандарта, а классом оборудования и проходящих сигналов,
так что границы допустимого могут быть значительно шире. К примеру,
при использовании оборудования класса S-VHS нет смысла предъявлять
к остальным элементам тракта требования, многократно превышающие
показатели данного формата записи.
|
Таблица 1. Длина кабельной линии (м), вносящей
максимально допустимые потери для соответствующего класса
требований
|
| |
CCIR-601-2
|
ГОСТ Р 50725-94
|
BETACAM SP
|
S-VHS
|
| Шнур ШГЭС |
0,5
|
0,7
|
1,5
|
3
|
| Кабель Canare LV-61 или RG-59 |
1,5
|
30
|
60
|
80
|
| Кабель РК-75-4-37 |
3
|
50
|
100
|
120
|
| Кабель РК-75-13-11 |
5
|
80
|
150
|
180
|
В таблице 1. представлена приблизительная
длина кабельной линии, вносящей максимально допустимые потери для
соответствующего класса требований. Для оценки длины линий, не требующих
коррекции, соответствующие значения нужно разделить на 2..5, в зависимости
от реального размера системы и количества соединительных линий в
тракте сигнала.
В идеальном случае, любые линии большей длины требуют
коррекции, однако обычно стараются использовать минимальное число
корректоров, концентрируя их на входе центрального коммутатора,
микшера или модулятора.
При прохождении каждого из участков тракта сигнал получает
различные искажения, которые можно разделить на линейные и нелинейные.
Линейные искажения, в большинстве случаев, являются обратимыми и
поддаются коррекции. Нелинейные обратимы далеко не всегда, и их
коррекция представляет собой достаточно сложную задачу. Линейные
искажения одинаково влияют на все элементы сигнала, нелинейные могут
воздействовать на них по-разному. Например, в выходном каскаде передатчика
возникают нелинейные амплитудные искажения, сильно изменяющие форму
синхроимпульса и почти не влияющие на смысловую часть сигнала.
Рассмотрим причины типичных искажений, возникающих в
видеосигнале при прохождения длинных коаксиальных линий, и соответствующие
способы коррекции.
|
|
|
Рис. 2. Запаздывающие переотражения
|
|
|
|
Рис. 3. Колебательные искажния АЧХ
|
Переотражения. Одно из основных требований
к коаксиальным линиям - согласование сопротивлений источника и приемника
с волновым сопротивлением кабеля. В противном случае, в точках соединения
кабеля с источником и потребителем, а также на неоднородностях кабеля
(например, при соединении кабелей различного типа) будет наблюдаться
отражение волны, что на временной характеристике тракта видно, как
запаздывающие переотражения (рис. 2), а на частотной - как колебательные
искажения АЧХ (рис. 3). По смещению запаздывающего переотражения или
по положению неоднородностей АЧХ нетрудно вычислить длину несогласованного
участка. Но даже при идеальном согласовании сопротивлений могут возникать
искажения из-за несовершенной конструкции самого кабеля, который является
достаточно нестабильной системой. Стабильность волнового сопротивления
кабеля связана с точностью его изготовления, при этом даже самые лучшие
кабели имеют отклонения геометрических размеров в различных сечениях
порядка 2%. Уже при длинах в 5…10 м в некоторых типах кабелей можно
заметить характерные искажения, видимые как небольшие затягивания
фронтов, а иногда и размытые контуры объектов. Даже при достаточно
высоком качестве кабеля и точном согласовании коэффициент обратного
отражения редко бывает лучше -40 дБ.
|
|
|
Рис. 4а. Затягивание фронта
прямоугольного импульса
|
 |
| Рис. 4б. Зависимость коэффициента передачи
тракта от частоты |
Частотные искажения, вносимые в сигнал коаксиальными линиями,
в диапазоне частот до 20 кГц обусловлены переменным волновым сопротивлением
кабеля, а в диапазоне выше 20 кГц - возрастающим, с ростом частоты
затуханием в кабеле. Возрастание сопротивления кабеля с увеличением
частоты обусловлено скин-эффектом. Это явление вызывает во временной
области затягивание фронта прямоугольного импульса (рис. 4а), а в
частотной области выглядит как уменьшающийся с ростом частоты коэффициент
передачи тракта (рис. 4б).
Частотные потери, связанные с затуханием в диэлектрике,
в диапазоне частот реального видеосигнала практически незаметны и
становятся существенными лишь в радиодиапазоне.
Еще одна проблема, возникающая при передаче сигналов по
коаксиальным линиям - это проникновение помех в проходящий сигнал.
Эти помехи могут быть синфазными, наводящимися как на центральную
жилу, так и на оплетку кабеля, или дифференциальными, складывающимися
с полезным напряжением сигнала. Основным источником синфазных 50 и
100 Гц помех является разность потенциалов земли на приемном и передающем
концах. Источником дифференциальных помех является нарушение симметрии
линии.
Таким образом, задача кабельной коррекции состоит в том,
чтобы:
• максимально эффективно подавить помехи, возникающие
при прохождении тракта. Это достигается: для синфазных помех - дифференциальным
приемом с корректным заземлением источника и приемника и разрывом
земель в цепи "источник - приемник", а для дифференциальных
- привязкой уровня черного на приемном конце;
• скорректировать частотную характеристику тракта для
компенсации потерь, вносимых коаксиальной линией;
• согласовать сопротивления источника и приемника с волновым
сопротивлением тракта для исключения переотражений.
 |
| Рис. 5. Коэффициент передачи корректора |
Эти задачи требуют различного подхода к решению и, в общем
случае, не перекрываются. Так, например, нельзя с помощью частотной
коррекции устранить несогласование.
Для частотной коррекции, как правило, применяются многополюсные
многозвенные регулируемые частотнозависимые цепи в обратной связи
усилителя корректора. Они обеспечивают в частотной области характеристику,
обратную показанной на рис. 4б, коэффициент передачи которой (рис
5.) увеличивается с ростом частоты. Реальная форма искажений определяется
(рассчитывается или измеряется) для каждого конкретного типа кабеля.
Многие производители корректоров, предполагая, что будет использоваться
определенный тип кабеля, предлагают стандартные цепи коррекции,
что дает возможность оператору установить регулятор в положение,
соответствующее длине линии и, тем самым, произвести оптимальную
коррекцию в необходимой полосе частот. Если заранее неизвестен тип
используемого кабеля, пользователю обычно предоставляется возможность
корректировать АЧХ в нескольких точках, добиваясь оптимальной коррекции
искажений.
  |
| Рис. 6а. АЧХ корректора |
Рис. 6б. Действие корректирующих
цепей на форму прямоугольного импульса |
На рис. 6а показана типичная АЧХ корректора, где
указаны области коррекции, соответствующие каждой из регулирующих
цепей. Во временной области эта схема отображена на рис. 6б. Каждая
из цепей имеет свою постоянную времени и воздействует на отдельные
компоненты сигнала. На рис. 6в отображен эффект коррекции 150 м кабеля
корректорами производства фирмы ЛЭС.
Рекомендации:
• используйте кабель максимального качества. Кабель с
большим диаметром внутренней изоляции и с более плотной оплеткой обычно
улучшает ситуацию. Это происходит вследствие улучшения электрической
проводимости оплетки и уменьшения потерь в диэлектрике;
• при необходимости нарастить длину кабельной линии пользуйтесь
кабелем того же типа, соединяя куски разъемами BNC и переходниками
с волновым сопротивлением 75 Ом. Следите за качеством разъемов и контактов;
• при проектировании комплекса старайтесь избегать прокладки
сигнальных линий вместе с силовыми и осветительными кабелями;
• для правильной установки параметров коррекции используйте
сигналы тестовых строк (ГОСТ 18471-83), вводимые в передаваемые изображения
у источника сигнала, и телевизионный осциллограф с блоком выделения
строки (WFM) на приемном конце. Анализируя искажения различных элементов
тест-строки можно отрегулировать корректор для достижения максимальной
достоверности передачи сигнала;
• о задержках сигналов необходимо помнить при работе с
аналоговыми микшерами или коммутаторами. Для устранения задержек нужно
сфазировать сигналы или подобрать длину кабеля.
Рассмотрим передачу цифровых видеосигналов по коаксиальным
линиям.
В настоящее время наиболее распространенным является последовательный
компонентный цифровой формат передачи SDI (270 Мбит/с). Параметры
этого формата неоднократно описаны на страницах журнала. Мы коснемся,
прежде всего, аспектов, связанных с передачей цифровых сигналов по
длинным линиям.
 |
| Рис. 7. Спектр сигнала SDI |
С точки зрения пользователя, цифровой сигнал является
предпочтительным, т.к. ослабление сигнала в соединительных линиях
не отражается напрямую на содержательной части сигнала.
Не вдаваясь в смысловую часть, с электрической точки зрения,
при передаче цифровых сигналов приходится сталкиваться с теми же проблемами,
что и при передаче аналоговых сигналов: ослабление по амплитуде, завал
фронтов (ухудшение высокочастотных компонентов), зашумление. Если
сравнить спектр сигнала SDI (рис. 7, 0…1500 МГц) со спектрами аналоговых
сигналов (0…10 МГц), то станет видно, что спектр цифровых сигналов
значительно шире (в одинаковом масштабе спектр PAL (рис. 8) и SECAM
(рис. 9) будут выглядеть вертикальной чертой в левом углу на фоне
спектра SDI). Влияние частотной характеристики кабеля на сигналы с
таким широким спектром значительно заметнее. Все это накладывает серьезные
ограничения на длину линии передачи (не более 300 м) и на качество
кабеля.
 |
 |
| Рис. 8. Спектр сигнала PAL |
Рис. 9. Спектр сигнала SECAM |
 |
| Рис. 10. Зависимость количества ошибок от
длины кабеля |
С какими проблемами приходится сталкиваться
при передаче сигналов SDI? Учитывая, что формат SDI разрабатывался
как внутристудийный для идеальных линий передачи, в нем не были предусмотрены
некоторые важные элементы: избыточность, помехозащищенное кодирование
и средства контроля целостности потока. Это не играет роли при небольших
расстояниях передачи, но в реальной практике, при передаче на большие
расстояния в несколько сотен метров, эти недостатки стали заметны
и потребовали расширения возможностей протокола. При увеличении длины
линии, уровень ошибок довольно долго будет незаметным, но затем очень
быстро увеличится, начиная с некоторого момента (рис 10). Появление
ошибок заметно как выбивание отдельных точек или строк. Увеличение
количества ошибок выше определенного приводит к катастрофическому
ухудшению качества сигнала, вплоть до полного исчезновения. (Один
известный медведь мог бы сказать на это: "SDI - это очень странный
предмет, только что был, и вот уже нет") На рис. 11б видно, что
после прохождения 150 м кабеля амплитуда сигнала заметно падает, фронты
искажаются, а величина раскрытия глазковой диаграммы (белая область
в центре) значительно сужается. На рис. 11в хорошо видно, что после
прохождения 300 м кабеля сигнал на осциллографе практически не виден
на фоне высокочастотного шума и с трудом может быть восстановлен.
 |
 |
 |
| Рис. 11а. Сигнал после прохождения
10 м |
Рис. 11б. Сигнал после прохождения
150 м |
Рис. 11в. Сигнал после прохождения
300 м |
Для сохранения качества цифрового тракта на входе практически
всех устройств устанавливаются автоматические кабельные корректоры.
Анализируя спектр полученного сигнала, они компенсируют частотные
потери, внесенные кабелем.
 |
| Рис. 11г. Измерение "джиттера" |
Усиливая сигнал, корректор усиливает также и шумы, попавшие
в спектр сигнала. Это приводит к размытию границ переходов, что количественно
характеризуется "дрожанием" (jitter) (рис. 11г). Для восстановления
формы сигнала в большинстве цифровых устройств также применяются устройства
восстановления несущей (reclocker). Комбинация этих устройств обеспечивает
практически полное восстановление параметров сигнала при небольших
длинах соединительных линий.
Как выяснить, насколько близко параметры линии подошли к критическому
барьеру?
Удобство цифровых сигналов сочетается с трудностями определения
реального качества тракта. Как видно из рис. 10, увеличение длины
линии на 10…15 м приводит к полной деградации тракта. При длинах кабелей,
приближающихся к критическим, даже небольшое изменение условий (сопротивление
контактов в разъемах, замена элементов тракта) приводит к внезапному
исчезновению сигнала.
Существует несколько способов оценки реального состояния
тракта:
• подавая на вход линии сигналы с генератора (в том числе,
так называемые "патологические сигналы" SDI) можно проанализировать
глазковую диаграмму и измерить jitter и выброс на фронтах;
• в служебную область сигнала могут быть добавлены контрольные
данные, которые анализируются средствами EDH (Error Detection and
Handling), что позволяет оценить, насколько близко находится тот барьер,
за которым качество сигнала резко падает. Кроме того, EDH, постоянно
контролируя тракт, позволяет локализовать источник ошибок. Стоимость
такого метода довольно высока, потому что все оборудование должно
иметь блоки вставки и анализа EDH. Эти блоки также могут быть выполнены
как отдельные устройства;
• наиболее простой метод оценки близости критического
барьера заключается в следующем: если удлинение кабельной линии на
10 м не приводит к заметному визуальному ухудшению изображения, то
у данной линии имеется достаточный "запас прочности". Если
качество картинки визуально ухудшилось, необходимо принимать меры.
Этот метод можно применять на стадии построения комплекса.
Основные правила построения трактов цифровых сигналов
SDI:
• применяйте кабели, специфицированные для цифровых сигналов.
Они отличаются от обычных (video) маркировкой "digital",
более высокими требованиями к геометрии и, обычно, дополнительным
фольговым экраном;
• старайтесь применять качественные разъемы с волновым
сопротивлением 75 Ом;
• для организации длинной кабельной линии необходимо,
чтобы отрезки тракта между устройствами, имеющими коррекцию, были
не более 150…250 м, т.к. основные производители автоматических кабельных
корректоров специфицируют максимальную корректируемую длину кабеля
именно в этих пределах;
• осторожно относитесь к недорогим устройствам обработки
SDI, не содержащим корректора и восстановителя несущей. Использование
таких устройств заведомо ухудшает параметры тракта.
Все сказанное выше справедливо и для подобных SDI форматов
передачи цифрового видео SDDI и SDTI, использующих тот же транспортный
уровень.
[дальше]
|
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
