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        技術動態
        圖象監控網絡中使用雙絞線作為傳輸介質的優缺點
        發布日期:2013-1-19 發布者:anfang 共閱10630次 文章字體:
            在監控系統中,監控圖象的傳輸是整個系統的一個至關重要的環節,選擇何種介質和設備傳送圖象和其它控制信號將直接關系到監控系統的質量和可靠性。目前,在監控系統中用來傳輸圖象信號的介質主要有同軸電纜、雙絞線和光纖,對應的傳輸設備分別是同軸視頻放大器、雙絞線視頻傳輸設備和光端機。同軸電纜是較早使用,也是使用時間最長的傳輸方式。后來,由于遠距離和大范圍圖象監控的需要以及人們對監控圖象質量的要求提高,監控網絡中開始大量使用光纖來傳輸圖象信號。至于雙絞線被使用到圖象監控網絡中則是近來的事,它的出現主要很好地解決了兩個方面的問題:一方面,它解決了200 米至2000 米距離范圍內高質量圖象信號傳輸的問題,因為在這段距離范圍內同軸電纜傳輸難以達到要求而光纖傳輸又顯得不太經濟;另一方面,它解決了大規模密集型監控網絡的布線問題,雙絞線自身的尺寸和柔軟性克服了大量使用同軸電纜時的布線難題。當然,雙絞線還具有抗干擾能力強、價格便宜等優點。正是由于雙絞線很好地解決了長期困擾著人們的這些問題,所以它在監控網絡的應用立即引起了業界廣泛的關注,在較短的時間內已經被大量使用到工程實踐中,并且取得了很好的應用成果。
            每個監控工程都有其自身的特點和特殊性,因此在組建監控網絡時需要充分考慮這些具體情況,選用最為合適的圖象和信號傳輸方式。鑒于同軸電纜、雙絞線和光纖是目前監控系統中使用最廣的三種傳輸介質,我們可以從幾個方面對它們作一些分析和比較。
        一、特點和傳輸特性分析
        1、 同軸電纜
            同軸電纜具有價格較便宜、鋪設較方便的優點(相對于光纖而言),所以,一般在小范圍的監控系統中,由于傳輸距離很近,使用同軸電纜直接傳送監控圖象對圖象質量的損傷不大,能滿足實際要求。
            但是,根據對同軸電纜自身特性的分析,當信號在同軸電纜內傳輸時其受到的衰減與傳輸距離和信號本身的頻率有關。一般來講,信號頻率越高,衰減越大。視頻信號的帶寬很大,達到6MHz,并且,圖象的色彩部分被調制在頻率高端,這樣,視頻信號在同軸電纜內傳輸時不僅信號整體幅度受到衰減,而且各頻率分量衰減量相差很大,特別是色彩部分衰減最大。所以,同軸電纜只適合于近距離傳輸圖象信號,當傳輸距離達到200 米左右時,圖象質量將會明顯下降,特別是色彩變得暗淡,有失真感。
            在工程實際中,為了延長傳輸距離,要使用同軸放大器。同軸放大器對視頻信號具有一定的放大,并且還能通過均衡調整對不同頻率成分分別進行不同大小的補償,以使接收端輸出的視頻信號失真盡量小。但是,同軸放大器并不能無限制級聯,一般在一個點到點系統中同軸放大器最多只能級聯2 到3 個,否則無法保證視頻傳輸質量,并且調整起來也很困難。因此,在監控系統中使用同軸電纜時,為了保證有較好的圖象質量,一般將傳輸距離范圍限制在四、五百米左右。
        另外,同軸電纜在監控系統中傳輸圖象信號還存在著一些缺點:
        1)同軸電纜本身受氣候變化影響大,圖象質量受到一定影響;
        2)同軸電纜較粗,在密集監控應用時布線不太方便;
        3)同軸電纜一般只能傳視頻信號,如果系統中需要同時傳輸控制數據、音頻等信號時,則需要另外布線;
        4)同軸電纜抗干擾能力有限,無法應用于強干擾環境;
        5)同軸放大器還存在著調整困難的缺點。
        2、雙絞線
             雙絞線的使用由來已久,電話傳輸使用的就是雙絞線,在很多工業控制系統中和干擾較大的場所以及遠距離傳輸中都使用了雙絞線,我們今天廣泛使用的局域網也是使用雙絞線對。雙絞線之所以使用如此廣泛,是因為它具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、布線容易、價格低廉等許多優點。由于雙絞線對信號也存在著較大的衰減,所以傳輸距離遠時,信號的頻率不能太高,而高速信號比如以太網則只能限制在100m 以內。對于視頻信號而言,帶寬達到6MHz,如果直接在雙絞線內傳輸,也會衰減很大,所以視頻信號在雙絞線上要實現遠距離傳輸,必須進行放大和補償,雙絞線視頻傳輸設備就是完成這種功能。加上一對雙絞線視頻收發設備后,可以將圖象傳輸到1 至2km。雙絞線和雙絞線視頻傳輸設備價格都很便宜,不但沒有增加系統造價,反而在距離增加時其造價與同軸電纜相比下降了許多。所以,監控系統中用雙絞線進行傳輸具有明顯的優勢:
            1)傳輸距離遠、傳輸質量高。由于在雙絞線收發器中采用了先進的處理技術,極好地補償了雙絞線對視頻信號幅度的衰減以及不同頻率間的衰減差,保持了原始圖象的亮度和色彩以及實時性,在傳輸距離達到1km 或更遠時,圖象信號基本無失真。如果采用中繼方式,傳輸距離會更遠。
            2)布線方便、線纜利用率高。一對普通電話線就可以用來傳送視頻信號。另外,樓宇大廈內廣泛鋪設的5 類非屏蔽雙絞線中任取一對就可以傳送一路視頻信號,無須另外布線,即使是重新布線,5 類纜也比同軸纜容易。此外,一根5 類纜內有4 對雙絞線,如果使用一對線傳送視頻信號,另外的幾對線還可以用來傳輸音頻信號、控制信號、供電電源或其它信號,提高了線纜利用率,同時避免了各種信號單獨布線帶來的麻煩,減少了工程造價。
           3)抗干擾能力強。雙絞線能有效抑制共模干擾,即使在強干擾環境下,雙絞線也能傳送極好的圖象信號。而且,使用一根纜內的幾對雙絞線分別傳送不同的信號,相互之間不會發生干擾。
            4)可靠性高、使用方便。利用雙絞線傳輸視頻信號,在前端要接入專用發射機,在控制中心要接入專用接收機。這種雙絞線傳輸設備價格便宜,使用起來也很簡單,無需專業知識,也無太多的操作,一次安裝,長期穩定工作。
            5)價格便宜,取材方便。由于使用的是目前廣泛使用的普通5 類非屏蔽電纜或普通電話線,購買容易,而且價格也很便宜,給工程應用帶來極大的方便。
        3、光纖
             光纖和光端機應用在監控領域里主要是為了解決兩個問題:一是傳輸距離,一是環境干擾。雙絞線和同軸電纜只能解決短距離、小范圍內的監控圖象傳輸問題,如果需要傳輸數公里甚至上百公里距離的圖象信號則需要采用光纖傳輸方式。另外,對一些超強干擾場所,為了不受環境干擾影響,也要采用光纖傳輸方式。因為光纖具有傳輸帶寬寬、容量大、不受電磁干擾、受外界環境影響小等諸多優點,一根光纖就可以傳送監控系統中需要的所有信號,傳輸距離可以達到上百公里。光端機可以提供一路和多路圖象接口,還可以提供雙向音頻接口、 一路和多路各種類型的雙向數據接口(包括RS232、RS485、以太網等),將它們集成到一根光纖上傳輸。光端機為監控系統提供了靈活的傳輸和組網方式,信號質量好、穩定性高。近些年來,由于光纖通信技術的飛速發展,光纖和光器件的價格下降很快,使得光纖監控系統的造價大幅降低,所以光纖和光端機在監控系統中的應用越來越普及。
            不過,使用光纖和光端機需要一定的專業知識和專用設備,這給工程施工和用戶使用帶來了一定的困難。另外,對于短距離、小規模的監控系統來說,使用光纖傳輸也顯得不夠經濟。
        二、 技術性能分析
        1、同軸電纜
             在監控系統中,使用75Ω、-5 的同軸電纜較為常見。一般,這種同軸電纜的分布電容在50-60pF/m 左右,再加上電纜的直流電阻,會使被傳輸信號受到衰減。測試表明,頻率為5MHz的信號在75Ω、-5 的同軸電纜內傳輸100m 時,將被衰減5dB 左右,信號頻率越高,受到的衰減越大。圖象信號是一種高頻寬帶信號,圖象彩色部分位于頻率高端,當用同軸電纜傳輸彩色圖象信號時,其亮度和色彩都會受到衰減,特別是隨著傳輸距離增加圖象的色彩會變淡甚至失真。在實驗室進行測試發現,彩色圖象信號在75Ω、-5 的同軸電纜內傳輸200m 左右時,其幅度和色彩已經有明顯的衰減。如果要傳輸更遠距離,只有加入同軸視頻放大器。下圖為75Ω、-5的同軸電纜傳輸200m 距離時的實驗室測試波形(第17 行):

        2、 雙絞線
            在用雙絞線作為傳輸介質時,一般使用普遍使用的5 類UTP 電纜。其特性阻抗在100Ω 左
        右,分布電容約15pF/m,與同軸電纜不同,信號在雙絞線內以平衡方式傳輸,但也會受到衰減,
        在傳輸距離為150m 左右時視頻信號的衰減曲線如下圖所示:

        在監控系統中使用雙絞線傳輸圖象信號時要使用雙絞線視頻傳輸設備,它的作用主要是完成平衡-非平衡轉換、阻抗匹配、以及放大補償等作用,有了雙絞線視頻傳輸設備和雙絞線配合使用,就可以保證在1.5Km 的距離范圍內都能高質量地傳輸視頻信號。在實驗室使用專用儀器對雙絞線傳輸圖象信號的性能指標進行了測試,結果如下:
        (1) 傳輸距離為300m 時,指標:DG≤1% ;DP≤1°;SNR≥65dB
        第17 行測試波形如下圖:
        (2) 傳輸距離為1200m 時,指標:DG≤2% ;DP≤2°,SNR≥60dB
        第17 行測試波形如下圖:
        3、光纖
            光纖是遠距離監控圖象傳輸的必然選擇,它能提供上百公里的傳輸距離,并且能提供很好的圖象傳輸質量。在實驗室使用專用儀器對光纖傳輸圖象信號的性能指標進行了測試,結果如下:
            測試儀器:Tektronix TSG-271 PAL 制信號發生器、Tektronix VN700A 視頻信號分析儀
        被測設備:武漢微創光電技術有限公司WTOS-02 S4000 非壓縮數字視頻傳輸設備、烽火通信股份有限公司生產的G.652 光纖
        指標:DG≤1% ;DP≤1°;SNR≥70dB
        第17 行測試波形如下圖:
        三、 經濟性分析
            光纖傳輸是三種傳輸方式中成本最高的一種,現在單模光纖的價格一般在每纖每米2 元左右,光端機的價格大約為每路圖象2000 元左右,再加上工程中的輔料比如光纖跳線、光法蘭盤以及光纖熔接費用等等,使得光纖監控網絡的造價相對較高。但是,光纖傳輸具有很多突出的優點,所以傳輸距離在二、三公里以上的監控網絡中、一些環境干擾強的場所、以及對質量和可靠性要求很高的監控場所大都還是選用光纖作為傳輸介質。
            同軸電纜在一、二百米左右距離范圍內使用較為廣泛,在這種范圍內使用同軸電纜不需要其他設備,使用簡便,傳輸質量也基本能滿足要求。但是,當傳輸距離增加時,同軸電纜在性價比上和雙絞線相比就處于劣式。一般,75Ω、-5 的同軸電纜市價在1.5 元/m,同軸放大器價格在300 元/臺;5 類UTP 電纜的價格0.8 元/m,雙絞線視頻傳輸設備的價格為600 元/套,下面就距離為300m 和600m 兩種情況對同軸電纜和雙絞線的傳輸成本作一些比較。
        (1) 假定在某個監控網絡中有8 個監控點,每個監控點距控制中心約300m 左右。
        使用同軸電纜時——
        1.5 元/m×300m×8=3600 元;
        使用雙絞線時——
        由于每四路圖象可以共用一根5 類UTP 電纜,所以網絡中只需2 根5 類UTP 電纜:
        0.8 元/m×300m×2+600 元/套×8=5280 元。
        (2) 假定在某個監控網絡中有8 個監控點,每個監控點距控制中心約600m 左右。
        使用同軸電纜時——
        為保證圖象質量,每路圖象要加入一級放大器:
        1.5 元/m×600m×8+300 元/臺×8=9600 元;
        使用雙絞線時——
        由于每四路圖象可以共用一根5 類UTP 電纜,所以網絡中只需2 根5 類UTP 電纜:
        0.8 元/m×600m×2+600 元/套×8=5760 元。
            從以上分析可以看出,隨著傳輸距離增加,越發顯示出雙絞線傳輸在成本上的優勢。如果網絡中還有控制信號等其它信號傳輸,雙絞線傳輸的成本優勢會更加明顯。另外,傳輸距離進一步加大時,比如達到1 公里左右,則同軸電纜傳輸已經難以達到傳輸質量要求了,而雙絞線則可以在傳輸1.5 公里左右時仍能保證較好的圖象質量。
        四、工程建議
            在實際工程中,選用何種傳輸方式需要結合工程的具體情況和工程預算來綜合考慮。對于傳輸距離超過2Km 的監控網絡,應該考慮選用光纖和光端機。如果傳輸距離達到數公里或者幾十公里,就只有使用光纖了。另外,在一些干擾很強的場合,比如受到工業干擾和電磁干擾的地方,為了保證圖象質量,也建議使用光纖傳輸。
            同軸電纜和雙絞線的選用,則需要更多地分析和比較。由于雙絞線傳輸是一種新出現的技術,而同軸電纜的使用已經有很長的歷史,所以更需要充分發掘雙絞線傳輸的特點和優勢,為工程設計和施工提供方便、節省造價。傳輸距離在四、五百米至1.5 公里左右時,雙絞線無疑能發揮極好的性能和價格優勢,對于二、三百米以內的監控網絡,如果規模很小,使用同軸電纜是合理的,造價也是較低的。但是,實際工程也會有它的特殊性,即使距離很近,如果網絡規模很大,比如有上百個的監控點,這時使用同軸電纜布線就會困難,而雙絞線則可以使這一難題迎刃而解。再者,如果環境干擾較大,如果使用雙絞線則可以有效抗干擾,保證圖象傳輸質量。另外,雙絞線的布線方便性和靈活性使得樓宇大廈等一些短距離、密集型的監控網絡也逐漸開始用它來代替同軸電纜,并且很好地融合到了綜合布線工程中去。
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