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電纜的選擇與技術(shù)應用

更新時(shí)間:2014-01-24      更新時(shí)間:2014-01-24      瀏覽次數:743

1.電纜的類(lèi)型

電纜由于應用在很多不同的環(huán)境,以致在外形上看起來(lái)由很大的區別。但不論任何的電纜類(lèi)型,它們都是作為信號傳輸的一種導體。這些不同類(lèi)型的電纜,在傳輸不同信號的質(zhì)量表現也有區別,除了部分特殊的應用,目前應用于音視頻傳輸的電纜大致以單根導線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、同軸線(xiàn)和光纖為主.

1.1.單根導線(xiàn)

單根導線(xiàn)是電纜zui基本的一種類(lèi)型(如電線(xiàn)),它由一條或一組在被塑料保護層包圍的導線(xiàn)組成,這種電纜普遍用于傳輸低頻的信號,比如電源、音頻、計算機的ID碼.

1.2.雙絞線(xiàn)

雙絞線(xiàn)是一個(gè)通用的稱(chēng)呼,導線(xiàn)的數量和絞合的類(lèi)型并沒(méi)有限制,但在電纜的結構上只有兩種類(lèi)型:帶屏蔽網(wǎng)的雙絞線(xiàn)(STP:ShieldedTwistedPair)和不帶屏蔽網(wǎng)的雙絞線(xiàn)(UTP:UunshieldedTwistedPair).

雙絞線(xiàn)普遍在電信、互聯(lián)網(wǎng)、專(zhuān)業(yè)音響中普遍應用,這種電纜由兩條或兩條以上獨立的、互相絕緣的線(xiàn)纜連續絞合組成,被互相絞合的其中兩條電纜稱(chēng)為組,傳輸阻抗一般為100_,單根導線(xiàn)的直徑規格在20AWG(美國線(xiàn)纜標準:0.91mm)到24AWG(0.61mm)之間。雙絞線(xiàn)是一種比較廉價(jià)的電纜,每一組導線(xiàn)具備同等的抗*力,可以有效抑制外界的電磁干擾(EMI),也有效屏蔽了傳輸信號對外界的電磁干擾.

UTP電纜zui普遍應用在電信傳輸和計算機網(wǎng)絡(luò )環(huán)境,根據絞合的類(lèi)型不同分為五類(lèi)、超五類(lèi)和六類(lèi)電纜,一般可以達到100Mbps(每秒100百萬(wàn)位)的傳輸率。STP電纜在導線(xiàn)組的外圍增加了一層編織金屬網(wǎng)或錫箔,更有利于提高信號抑制外界無(wú)線(xiàn)電電波的沖擊。STP電纜的每個(gè)連接頭的金屬外殼都必須保持與屏蔽網(wǎng)的良好接觸.

1.3.同軸電纜

同軸電纜(Coaxial)是一種由兩個(gè)導體組成的合成物,如下圖:同軸電纜的中心導線(xiàn)用于傳輸信號,金屬屏蔽網(wǎng)起了兩個(gè)作用:一是作為信號的公共地線(xiàn)為信號提供電流回路,二是作為信號的屏蔽網(wǎng),抑制電磁噪音對信號的干擾。中心導線(xiàn)與屏蔽網(wǎng)介于半發(fā)泡的聚丙烯絕緣層之間,絕緣層決定了電纜的傳輸特性,而且有效保護了中間的導線(xiàn).

同軸電纜被廣泛應用于音視頻或射頻的傳輸,傳輸阻抗一般為75_,已經(jīng)成為視頻的標準阻抗(早期也會(huì )利用50_阻抗特性進(jìn)行視頻傳輸)。標準的同軸電纜一般比雙絞線(xiàn)的價(jià)格更昂貴,因為同軸電纜可靠的物理特性,能夠提供優(yōu)良的音視頻表現。信號的頻率、分辨率以及電纜的有效傳輸距離在音視頻系統中起了決定作用.

1.4.光纖

光纖電纜(OpticCable)信號長(cháng)距離傳輸的選擇,光纖傳輸是一種基于光電轉換取代電子傳輸的技術(shù)手段。光纖傳輸的簡(jiǎn)易原理是:模擬電信號傳給光發(fā)射機,經(jīng)信號緩沖電路和驅動(dòng)電路,將輸入的電壓信號轉變成電流信號,驅動(dòng)發(fā)光管或者激光器。這樣,輸入的電信號轉換為光信號,通過(guò)光對準和引導,耦合進(jìn)入光纖。

光信號經(jīng)光纖傳輸后,在接收端光信號被一個(gè)波長(cháng)相配的光電二極管轉換成原來(lái)的電子源,經(jīng)低噪聲線(xiàn)性放大器放大后再輸出。
光纖信號傳輸避免了傳統電纜傳輸的許多缺點(diǎn),具備很多電纜傳輸*的優(yōu)點(diǎn);

優(yōu)異的抗電磁干擾:長(cháng)距離電纜傳輸中,電纜自身就是一根巨大的天線(xiàn),會(huì )拾取周?chē)臻g存在的電磁波信號,特別是在顯示系統更為突出,這類(lèi)干擾信號在圖像顯示中表現出無(wú)法消除的顆粒噪音,光纖電纜的核心是玻璃,而且傳輸的是光信號,不容易受外界電磁波的干擾.

很小的體積:大多數的光纖與人體的頭發(fā)一般粗細.

很低的衰減:因為光纖傳輸是依靠玻璃導管完成,不存在信號因為電纜電阻、容抗引起的大幅度衰減,光纖極大的提高了傳輸的帶寬能力和傳輸距離。光纖的高度安全:光纖傳輸的信號內容不容易被竊聽(tīng).

雖然光纖似乎是信號傳輸的*方法,但也有一些不利點(diǎn);

較高的價(jià)格:光纜、發(fā)射器、接收器價(jià)格昂貴

較高的人工:在光纜的布管布線(xiàn)過(guò)程,需要眾多的人力資源和特殊工具。雖然光信號在光纖中傳輸損耗很低,但是在發(fā)射端和接收端進(jìn)行的電光、光電轉換對信號的衰減卻很厲害。所以要保證無(wú)插損傳輸,就必須在傳輸中加入高增益多級放大器,還要保證電路能穩定工作.

2.電纜的結構

多數的視頻電纜只是在兩個(gè)相鄰設備之間連接,這么短的距離,似乎沒(méi)有很多需要考慮的問(wèn)題。但是在一個(gè)完善的視頻系統中,這些視頻設備甚至遍布于建筑的每一個(gè)角落,傳輸線(xiàn)纜*成了至關(guān)重要的因素。傳輸線(xiàn)纜的那些因素會(huì )zui直接影響視頻信號的zui終效果?我們以同軸電纜的單一傳輸為例進(jìn)行說(shuō)明。

2.1.導線(xiàn)的結構類(lèi)型

導線(xiàn)指電纜中心用于傳輸電子的導體,zui普遍使用的材料是銅。銅線(xiàn)是有效的傳輸方式之一,其他的材料包括鋁、銀和黃金.

同軸電纜根據線(xiàn)徑的不同,外形的大小有差異。導線(xiàn)的結構分為兩種:?jiǎn)胃娎|和多根電纜組合。單根電纜的結構容易成型,但保護外皮和絕緣層比較堅硬,所以顯得沒(méi)有什么柔性。多根電纜由許多小線(xiàn)徑的電纜絞合成型,增加了線(xiàn)纜的柔性。一般認為單根電纜的傳輸質(zhì)量要優(yōu)于多根組合的模式.

2.2.導線(xiàn)直徑的計量

原則上,同等的條件越粗的電纜越能進(jìn)行更長(cháng)距離的傳輸,因為同樣的長(cháng)度,粗電纜比細電纜具備更低的直流阻抗.

2.3.電介體

電介體也即是電纜的絕緣體,在同軸電纜中擔任了雙重的角色:一是電介體介于導線(xiàn)與屏蔽網(wǎng)之間,形成了保護導線(xiàn)的重要組織;另一個(gè)更重要的角色是它確定了電纜的物理特性。比如電纜的阻抗和容抗。阻抗為75_電纜的電介體通常是半發(fā)泡的聚乙烯.

2.4.屏蔽網(wǎng)

屏蔽網(wǎng)在電纜中把導線(xiàn)和電介體嚴密的包圍起來(lái),起了兩個(gè)作用:一是作為信號的公共地線(xiàn)為信號提供電流回路,二是作為信號的屏蔽網(wǎng),抑制電磁噪音對信號的干擾。

屏蔽網(wǎng)的結構以金屬編織網(wǎng)和錫箔zui常見(jiàn)。金屬編織網(wǎng)比錫箔具備更低的直流阻抗,但對電磁干擾的屏蔽率只有90%,錫箔對電磁干擾的屏蔽率高達。所以很多專(zhuān)業(yè)的線(xiàn)纜會(huì )采取金屬編織網(wǎng)與錫箔雙重屏蔽結構,可以更有效的提高信號的信噪比.
2.5.保護層

保護層是對電纜內部所有成份進(jìn)行全面保護的一層外皮,很容易受氣溫、化學(xué)藥品、液體和日光的影響。電纜的保護層必須適應任何條件的安裝環(huán)境。這些標準被NEC(NationalElectricCode)管理而且有UL(美國保險商實(shí)驗所)認證:

阻燃認證:電纜保護層的常用原料是絕緣良好且廉價(jià)的PVC(聚氯乙烯),阻燃認證要求電纜不但有特殊的防火保護層,而且要使用特別的絕緣材料,可以防止電纜暴露產(chǎn)生的煙火事件。通過(guò)阻燃認證的電纜可以在戶(hù)外空間使用,室內應用可以不需要管道防護.

無(wú)鹵素認證:大部分電纜的PVC保護層在制造過(guò)程都會(huì )廣泛應用鹵素(Halogen)作為混合物,鹵素具備*的阻燃和絕緣化學(xué)特性,但在高溫下會(huì )產(chǎn)生有毒的煙霧(主要成分是瓦斯)。無(wú)鹵素的電纜保護層在高溫時(shí)不會(huì )產(chǎn)生煙霧和有毒的氣體,這是歐洲的安全標準(編號:IEC33203、IEC61034和IEC754-1)

3.電纜的性能和規格

3.1.長(cháng)度

信號的衰減與電纜的長(cháng)度成正比,電纜越長(cháng),衰減越大,這是電纜的物理定律。電纜的長(cháng)度一般用英尺或公尺來(lái)標注,音視頻信號通過(guò)長(cháng)距離的電纜會(huì )造成信號的衰減,對zui終效果的影響體現在信噪比降低、亮度降低、圖像模糊和同步不良,這些明顯的差異也成了對比電纜質(zhì)量的依據(單位長(cháng)度的電纜對傳輸同等信號的不同衰減量)。

3.2.頻率

電纜的容抗和導線(xiàn)材料決定了傳輸信號頻率的范圍,在合適的傳輸距離內,如果出現圖像模糊,多數是電纜沒(méi)有達到高頻傳輸的要求,造成信號的高頻段損失(圖像的細節)。

3.3.干擾

電纜同時(shí)也是一條巨大的天線(xiàn),會(huì )吸收空間存在的電磁波。如果電纜沒(méi)有屏蔽或屏蔽效果不良,任何類(lèi)型的電磁干擾都會(huì )直接作用于有用的信號,降低信號的信噪比

3.4.溫度

如同所有的電子電路一樣,電纜的物理特性也會(huì )受環(huán)境溫度的影響,電纜的物理參數在不同的溫度范圍有不同的表現。在工程應用時(shí),電纜典型在墻壁、天花板和儀器架上覆設,因為這些地方的通風(fēng)條件不會(huì )很理想,容易產(chǎn)生較高的溫度。因此,選擇電纜的允許使用溫度范圍應該適用于這些環(huán)境.

3.5.斜率

斜率是描述雙絞線(xiàn)不同長(cháng)度對信號傳輸產(chǎn)生的時(shí)間差,取決于雙絞線(xiàn)的絞合工藝和絞合類(lèi)型,當產(chǎn)生較大的時(shí)延誤差時(shí),需要對電纜進(jìn)行斜率補償.

3.6.阻抗

阻抗是描述電纜技術(shù)規格的重要參數之一,它為信號的正確流程建立了基線(xiàn)。

這個(gè)信號的流程維護了整個(gè)系統的動(dòng)力轉換。
想像水流通過(guò)一條大口徑的水管,只要水管直徑保持一直,水流的結構和流程不會(huì )有變化。當這個(gè)水流被引入到一條小口經(jīng)的水管時(shí),情況發(fā)生了變化:由于瓶頸的存在,水流的結構被打亂,所有的水流不能同時(shí)通過(guò)瓶頸,引起部分水流產(chǎn)生反方向流動(dòng),而且zui后還是被主流再次導入水的流程.

電纜傳輸阻抗的失配也會(huì )造成類(lèi)似上述的現象:電子信號被再次導入對zui初的信號影響稱(chēng)為反射,傳送波與反射波相互干擾的結果使電壓幅度形成駐波,用VSWR(電壓駐波比)表示.

在視頻系統中,阻抗匹配是系統設計中需要嚴肅看待的問(wèn)題。早期在同軸電纜BNC類(lèi)型的連接頭同時(shí)存在50Ω和75Ω兩種規格,現在視頻阻抗統一75Ω,50_阻抗的電纜和連接頭目前只會(huì )在射頻信號中應用。短距離的阻抗失配會(huì )影響圖像的高頻細節,引起畫(huà)面出現“鬼影現象".

3.7.衰減

電纜對信號的衰減也稱(chēng)為插入損耗,單位是分貝(dB),正規的電纜會(huì )提供一張損失表,描述電纜在單位長(cháng)度對不同頻率的衰減值。比如某電纜的衰減值表示為-2.2dB/30m@100MHz是指這條電纜在30米長(cháng)度時(shí),傳輸100MHz帶寬信號時(shí)會(huì )產(chǎn)生-2.2dB的插入損耗。電纜的插入損耗是累積的,而且對不同頻率的信號衰減值也不一樣。同樣帶寬的信號,電纜長(cháng)度增加一倍,插入損耗也是增加一倍,比如上述的電纜在60米長(cháng)度時(shí),傳輸100MHz帶寬信號時(shí)會(huì )產(chǎn)生-4.4dB的插入損耗。

雖然設計好電纜的插入損耗是必要的,但很多時(shí)候由于沒(méi)有預先的計算,電纜插入損耗對系統的高頻損失屢見(jiàn)不鮮。在這種情況下,前端電子補償可能是*的解決方法。所以大部分的接口和線(xiàn)路驅動(dòng)器都包含了可以調整的補償電路,一般都具備電平(或增益)和峰值調整。

利用30米的ExtronBNC5-Mini電纜傳輸150MHz帶寬信號,在信號不經(jīng)過(guò)任何均衡和放大時(shí),在150MHz頻段出現了接近-12dB的插入損耗,而且0~150MHz頻段的傳輸曲線(xiàn)非常陡峭;利用電子器材(比如接口、均衡器、放大器)對信號進(jìn)行適當的電平和峰值調整后,不但將電纜的插入損耗減少到-3dB以?xún)?,而且?~150MHz頻段的傳輸曲線(xiàn)得到了非常平滑的響應.

4.1.電平控制

電平控制是為了補償電纜插入對整個(gè)信號幅度的衰減,由于電纜的插入很容易對信號幅度造成5%或更多的衰減,比如一個(gè)模擬0.7V的信號,5%的電纜插入損耗可以達到35mV的信號衰減。通常電平控制被設定用于補償低頻部分的衰減,并恢復信號在正常的振幅電平(比如0.7V)

4.2.峰值控制

峰值控制是為了補償電纜插入對信號高頻部分的衰減,高頻段信號的衰減主要影響圖像的細節。峰值控制可以克服高頻信號在電纜傳輸產(chǎn)生的衰減曲線(xiàn),但不會(huì )過(guò)渡提升信號的高頻信息,高頻信號的損失可能會(huì )另外產(chǎn)生噪音。在測試系統標準的時(shí)候,電平控制和峰值控制可以同時(shí)使用。在測試設備和顯示器材的一些數據表明,依靠經(jīng)驗去計算電纜傳輸距離是造成系統失敗的真正原因,雖然大部分設計師都已經(jīng)意識到電纜是任何系統設計的zui弱環(huán)節,但還是被安排在zui后考慮的一項內容.

4.3.直流電阻

電阻的一種定義是“物質(zhì)以熱的形式妨礙電子流通的一種物理特性”,電阻是一種減慢電子的流動(dòng)的導體的特性,單位是Ω(歐姆),用于簡(jiǎn)單表示導體對電流的衰減。

電纜的直流電阻一般用Ω/千米表示,由電纜的材料、線(xiàn)徑、尺寸和溫度決定。直流電阻影響信號的電壓(振幅),長(cháng)距離的電纜傳輸或高阻值電纜都會(huì )使圖像顯得黯淡。舉例來(lái)說(shuō),一個(gè)0.7Vp-p的視頻信號經(jīng)由60米長(cháng)的電纜(電纜直流阻值41Ω)傳輸進(jìn)行顯示,顯示端得到的真實(shí)可用的信號電平大約只有0.63Vp-p(信號電平損失大約10%)。良好的復合視頻線(xiàn)纜一般每千米的直流電阻應該在35Ω以下。

4.4.電容容量

電容的定義是“在兩個(gè)導體之間的電介體會(huì )儲存電荷的一種特性”,可以解釋電纜也是一個(gè)電容器,具備充電、放電的能力,在電纜中電容的單位用pF/m(微微法/每米).

同軸電纜存在的電容會(huì )影響視頻信號的銳度和細節,這是由于視頻信號可能存在一些黑色-白色的轉變,電纜的電容特性會(huì )影響這個(gè)信號轉變中上升和下跌的時(shí)間,也就是影響了視頻信號在銳度和細節方面的改變。良好的復合視頻線(xiàn)纜一般每米的電容分布應該在60pF以下。

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