В настоящее время видеопрезентации с разрешением 1024Х768 и более пикселей стали обычными. Передача такого видеосигнала требует полосы пропускания до 300 МГц. Для подключения широкополосных источников видеосигнала к современным видеопроекторам, плазменным и LCD мониторам нужны кабели соответствующего качества. Действительно, кабели являются самым уязвимым местом любой схемы передачи видеосигналов. Попробуем разобраться в том, как правильно выбрать кабель из всего многообразия видеокабелей, предлагаемых производителями и поставщиками.

1. Факторы, определяющие выбор кабеля

На российском рынке известна кабельная продукция многих мировых производителей, таких как Extron, Altinex, Canare, Klotz, Supra, Kramer. Существует и масса кабелей неизвестного происхождения. Естественно, что возникает соблазн купить кабель подешевле. И часто. сэкономив на кабеле, инсталлятор просто губит проект.

Длина кабеля. С увеличением длины кабеля увеличивается затухание сигнала при прохождении через кабель. Величина затухания зависит от качества материалов, применяемых для изготовления кабеля. Большое затухание сигнала сказывается на потере яркости и четкости картинки.

Внешние наводки. Кабель, как и любой проводник, может работать как антенна. Поэтому при недостаточной экранировке на полезный видеосигнал могут значительно повлиять внешние электромагнитные наводки вплоть до невозможности просмотра.

Температура кабеля. Параметр, который определяется температурными условиями эксплуатации кабеля. В этом смысле нужно учитывать температурную стабильность параметров кабеля и применять кабель, рассчитанный на применение в заданном диапазоне температур.

Основным кабелем для передачи видеосигнала является коаксиальный кабель, поэтому остановимся на нем подробнее.

2. Строение коаксиального кабеля

Основной показатель, формирующий параметры кабеля - его конструкция. Ответственные производители уделяют немало внимания электрическим параметрам используемых проводников и изоляционных материалов.Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника, внутреннего диэлектрика, экрана и внешней оболочки.

Рис.1. Структура коаксиального кабеля

2.1. Проводник

Центральный проводник кабеля предназначен для передачи сигнала из одной точки в другую. Его делают из материалов, хорошо проводящих электрический сигнал. Обычно используется медь, которая подходит для этих целей по своим электрическим, механическим и стоимостным параметрам. Другие материалы также могут применяться в каких-то специальных целях. К ним можно отнести алюминий, серебро и золото. Центральный проводник может быть как одножильный, так и многожильный.

Одножильный - это центральный проводник, выполненный в виде одного прямого проводника (Рис. 2). Одножильный проводник хорошо формуется, но не очень гибкий. Поэтому кабели с одножильным проводником обычно используются в стационарных инсталляциях.

Витой многожильный - представляет собой проводник, состоящий из множества тонких проводников, свитых вместе (Рис. 3). Эти кабели гибкие, они легче и применяются в основном в мобильных инсталляциях. Однако характеристики такого кабеля будут несколько ниже, чем кабеля с одножильным проводником того же типоразмера.

На российском рынке широко используются кабели американских производителей, которые производятся в соответствии с американским стандартом проводов AWG (American Wire Gauge). Поэтому было бы полезно привести данные этого стандарта по нормированию центрального проводника коаксиальных кабелей.

Таблица 1. Перевод американских обозначений AWG диаметра жил кабеля в метрические единицы.

2.2. Внутренний диэлектрик

Стоит заметить, что некоторые производители вспенивают диэлектрик химическим способом. В результате получается низкоплотный полиэтиленовый компаунд, подверженный механическим повреждениям и нестабильный к воздействию окружающей среды в виде температуры и влажности.

2.3. Экран

Экран выполняет две важных роли. Он работает как второй проводник, подключенный к общему земляному проводу оборудования. В то же время он экранирует сигнальный проводник от посторонних излучений. Существуют различные методы экранировки для кабелей, выполняющих различные задачи. Это экран из фольги, плетеный экран и комбинации из фольги и оплетки.

Оплетка - экран, который изготавливается из множества тонких проводников, сплетенных в виде сетки, охватывающей центральный проводник с внутренним диэлектриком (Рис. 3). Оплетка обычно обладает меньшим сопротивлением, чем фольга, и обладает лучшей устойчивостью к постороннему электромагнитному полю и электромагнитным наводкам. Наводки могут иметь различный характер и происхождение. Это могут быть как низкочастотные наводки (например, от промышленной сети питания), так и высокочастотные (ВЧ шум от работы электронных приборов и при искрении электрических машин). Оплетка может сочетаться с другими видами экранов, например, с алюминиевой или медной фольгой для обеспечения необходимого процента экранировки.

2.4. Оболочка

Стандартный кабель - имеет обычную, чаще всего поливинилхлоридную оболочку, которая защищает кабель (или мультикор) от механических воздействий и влаги, а также играет роль электрической изоляции.

Гологенонесодержащий - низкого выделения дыма и паров, отсутствия галогенов в материале оболочки кабеля требуют европейские правила техники безопасности (IEC33203 тест на горючесть, IEC61034 тест на дымовыделение, IEC754-1 коррозионная стойкость).

Для передачи RGBHV, S-Video и компонентных сигналов несколько коаксиальных кабелей могут объединяться в мультикор с общей оболочкой. Количество коаксиальных кабелей в мультикоре может быть от двух до шести, кроме того в мультикор могут добавляться балансные аудиопары и силовые проводники, что делает их еще более универсальными (Рис. 5).

Рис.5. Мультикор 5BNC + 2 балансные аудиопары

3. Основные параметры кабеля

Перед тем как остановить свой выбор на конкретном кабеле, лучше всего внимательно изучить и сравнить между собой их основные параметры.

3.1. Импеданс - основной показатель, определяющий возможность передачи энергии сигнала по кабелю между источником и приемником. Все элементы на пути сигнала, разъемы и сам кабель должны иметь один импеданс. Несоблюдение этого правила приводит к внутренним отражениям в кабеле, что может привести к появлению на изображении двойных контуров. Самой частой причиной появления отражений являются некачественные разъемы или их установка, а также применение разъемов и кабелей разного импеданса.

3.2. Затухание - показатель потерь энергии сигнала внутри кабеля. Этот параметр нормируется на частоте 100 Мгц для длины 100 м или 100 футов (32,5 м) (Рис. 6). Каждый кабель имеет свои частотные свойства, поэтому ослабление на разных частотах тоже разное, и чем частота выше, тем ослабление больше.

Рис. 6. График затухания для кабелей Extron на 100 футах.

На практике значения затухания для 100 МГц бывает недостаточно, и производители в своих каталогах на кабель приводят спецификации с таблицами затуханий для разных частот. Так что уже по количеству позиций затухания от частоты можно понять, насколько серьезно производитель подходит к параметрам сигнала (Рис. 7). 

Рис.7. Спецификация на кабель

Большую часть спецификаций на кабельную продукцию приходится на таблицу уровней затухания в дБ в диапазоне частот для стандартной длины кабеля (Рис. 7). Обычно это 100 футов или 100 м. В зависимости от рекомендаций производителя, таблица составляется с частотами, кратными 1, 5, 10, 20 МГц. Но некоторые каталоги включают специфические частоты 72, 135, 177, 270 МГц и др., эти частоты используются для передачи цифровых видеосигналов. Сигналы SDI (Serial Digital Interfaсe) используют специальные скорости или битрейты.

3.3. Сопротивление - показатель качества проводника, буквально показывающий, какая часть энергии сигнала превратится в тепло. Результат таких потерь - снижение уровня сигнала, а соответственно динамической яркости изображения.

Сопротивление зависит от материала проводника, его размеров и температуры. Лучшие кабели имеют сигнальные проводники из химически чистой меди или покрываются тонким слоем серебра.

4. Выбор кабеля исходя из требуемого качества изображения

4.1. Расчет фактических потерь

Пример 1. Требуется передать сигнал RGBHV.
Максимальная частота сигнала в проектируемой системе 100 МГц. Длина кабельной трассы 40м. Допустимое затухание в кабеле 3 дБ. Находим в таблице для частоты 100 МГц значение затухания для 100 м. Пусть это будет -6,79 дБ для кабеля Extron SHR/RG6. Исходя из этого, получим коэффициент пересчета: 3дБ / 6,79дБ = 0,44. Теперь вычислим максимальную длину кабеля: 100м.х 0,44 = 44м. Длина кабельной трассы в 40м. укладывается в максимальную рассчитанную длину кабеля и, следовательно, кабель Extron SHR/RG6 может быть рекомендован для использования в системе.

4.2. Гармонические искажения и качество изображения

Другими словами видеоимпульс, который соответствует одному пикселю, должен иметь фронт и спад импульса достаточной крутизны. Только тогда пиксель будет четким, не размытым (Рис. 8).

Рис. 8 Осциллограмма исходного видеосигнала.

Естественно, что при прохождении сигналов в кабеле гармоники, имеющие большую частоту по сравнению с основной частотой сигнала, получат большее затухание.

Поэтому видеоимпульс, прошедший через кабель, поступит на видеомонитор с меньшей амплитудой, что скажется на уменьшении яркости картинки и уменьшенной крутизной фронта и спада видеоимпульса, что выразится в размытости пикселя (Рис. 9). 

Таким образом, при превышении определенной длины кабеля потери в нем приводят сначала к уменьшению яркости, а затем к размытости пикселей и появлению характерного темного шлейфа от темных элементов изображения. Этот шлейф особенно заметен на строчках текста и на других линейных структурах видеоизображения. Это заметно на нижеприведенных рис.10-13.

Рис.10. Исходный сигнал

Рис.11. Затухание -3дБ

Рис.12. Затухание -6дБ

Рис.13. Затухание -9дБ

4.3. Расчет длины кабеля по третьей гармонике

Например, произведем расчет для сигнала RGBHV с разрешением 1024х768 и кадровой частотой 60Гц. Полоса пропускания такого сигнала составляет 65 МГц.
Поделив пополам, получим основную частоту сигнала 32,5 МГц. Помня о том, что 80% мощности спектра сигнала содержится до третьей гармоники, получим: 32,5 Х 3 = 97,5 МГц. Округлим полученную частоту до 100 МГц.
Предположим, что в качестве средства отображения видеоинформации взят видеопроектор с минимальным уровнем сигнала на входе -3 дБ.
Обратимся к модельному ряду кабелей Extron. Предположим, что нам необходимо подключить видеопроектор к презентационному компьютеру, находящемуся в этом же помещении. Для этих целей наиболее подойдет мультикор серии mini HR (26 Gauge).
Посмотрим таблицу затуханий в зависимости от частоты в каталоге кабелей Extron. Из таблицы видно, что на частоте 100 МГц затухание сигнала на 100 метрах составит -17,6 дБ. Получим коэффициент пересчета: 3дБ / 17,6дБ = 0,17.
Длина кабеля составит: 100м Х 0,17 = 17м.
Если полученной длины оказывается недостаточно для подключения видеопроектора к компьютеру, выбирается другой типономинал кабеля с меньшим затуханием, например, RG59/НR-1 (20 Gauge).
Для кабеля RG59/НR-1 (20 Gauge) затухание для 100МГц составит -7,5дБ на 100м.
Коэффициент пересчета: 3дБ / 7,5дБ = 0,26.
Длина кабеля составит: 100м Х 0,26 = 26м.
Для подключения компьютера к видеопроектору потребуется 5 кабелей по 26м., с разъемами BNC на концах.

4.4. Электронная компенсация потерь в кабеле

Интерфейс или линейный драйвер путем увеличения выходного уровня сигнала, а также внесением предискажений АЧХ, может частично или полностью компенсировать вносимые кабелем потери и искажения сигнала.

Регулировка усиления - увеличивает уровень полного видеосигнала, чтобы компенсировать активное (омическое) сопротивление кабеля. Потери в кабеле за счет электрического сопротивления могут составлять до 5% и более от общих потерь. Так, стандартный уровень видеосигнала 0,7V может упасть до 35mV. Электрические потери в кабеле увеличиваются пропорционально его длине.

Обычно регулировкой усиления (Gain) увеличивают низкочастотные составляющие видеосигнала с тем, чтобы обеспечить на приемной стороне стандартный уровень видеосигнала (0,7V), а ВЧ коррекцией (Peaking) корректируется АЧХ сигнала в области высокочастотных составляющих видеосигнала, чтобы компенсировать их затухание в кабеле.

Типичное значение ВЧ коррекции +3дБ, но при необходимости существуют драйверы с коррекцией +12дБ и более (Рис. 14).

Подходящий линейный драйвер или усилитель-распределитель можно найти в каталогах Altinex и Extron.

5. Выбор и монтаж разъемов

Довольно часто один единственный некачественный разъем приводит к потере качества изображения всей системы. Некачественный обжим или пайка зачастую приводят к отражениям сигнала в кабеле, потерям и искажениям. Ведущие производители кабеля выпускают также и разъемы для кабеля, либо указывают в спецификациях рекомендуемый тип разъема другого производителя, обеспечивающий качественную разделку разъема на кабель.

Видеокабели Canare комплектуются своими разъемами обжимного типа для каждого типа кабеля.

Кабели Extron до недавнего времени комплектовались преимущественно разъемами BNC обжимного типа от АМР. Теперь в спецификациях появились и <родные> разъемы BNC и RCA. Причем при разделке этих разъемов используется новая технология, использующая не традиционный обжим, а компрессию. 

Монтаж обжимных BNC разъемов

1. Специальным инструментом зачищается конец кабеля (Рис. 15).

Рис.15. Зачищенный коаксиальный кабель.

2. На кабель надевается пластиковый колпачок или термоусадочная трубка и обжимное кольцо (Рис. 16).
3. На центральный проводник кабеля надевается центральный пин разъема (Рис. 16).

Рис.16. На коаксиальный кабель надевается термоусадочная трубка, обжимное кольцо и центральный пин.

5. Предварительно распушив оплетку кабеля, с усилием вставить кабель в разъем до фиксации центрального пина в разъеме (Рис. 17).

Рис.17. Центральный пин вставляется в корпус разъема до фиксации, затем на оплетку кабеля надвигается обжимное кольцо.

7. Обжимными клещами произвести обжим кольца (Рис. 18).

Рис.18. Обжимное кольцо обжимается клещами, затем на кольцо надвигается термоусадочная трубка.

Монтаж компрессионных BNC разъемов

Установка выполняется в три шага, как показано на рисунке 19.

Рис.19. Технология разделки компрессионного разъема на кабель.

Для качественной разделки разъемов на кабель лучше использовать фирменный обрезной и обжимной инструмент, рекомендованный для данного типа кабеля и разъемов, иначе качество контакта гарантировать проблематично.Только обеспечив надежный контакт кабеля с разъемом и надежную фиксацию кабельного разъема в разъеме аппаратном, мы можем быть уверены, что наши усилия по расчету и выбору кабеля не пропали даром. Ибо электроника - это наука о контактах.