双绞线视频传输技术分析

 

双绞线实测衰减和失真数据与测试照片，标准视频传输通道概念和通道特性照片，产品实现的通道特性，通道缺陷照片与分析，客观的看待双绞线传输.

第一部分：双绞线视频基带传输衰减和频率失真——线缆实测数据；
测试电缆：宁波一舟电缆，2006.4.30.生产，UTP超五类4对非屏蔽电缆，型号：D135-G  305米/箱，产品执行标准：YD/T1019-2001
测试设备：eie实验室TEK-VM700A视频检测系统，TEK-TSG271标准视频信号源等
典型超5类双绞线1000米，传输衰减和频率失真实测数据
低频:7.19db；0.5M:12.91db；1M:18.80db；2M:26.50 db；4M:37.73db；4.8M:41.55db；5.8M:45.69db；
超5类双绞线说明：
1.低频：指几十千赫兹以下的频率，1000米衰减—7.2db(43.65%),1500米衰减—10.8db(28.8%),2000米衰减—14.4db(19%);
2.高频5.8M，1000米衰减45.69db（0.52%），1500米衰减—68.53db(3.7*10-4),2000米衰减—91.38db(2.7*10-5)
为了方便多数熟悉同轴传输而对双绞线传输还陌生的朋友，这里再给出同轴电缆的传输特性实测数据，以便在比较中加深理解：
75-5电缆1000米传输衰减和频率失真实测数据
低频:3.95db；0.5M:6.43db；1M:8.78db；2M:12.2db；4M:17.7db；4.8M:19.7db；5.8M:21.7db
[75-5电缆说明]：
1.低频：1000米衰减—3.95db(63.5%)；1500米衰减—5.925db(50%)；2000米衰减—7.9db(40%)；
2.高频5.8M，1000米衰减21.7db（8.2%）；1500米衰减—32.55db(2.36%)；2000米衰减—43.4db(0.676%)；
[比较]
1.      双绞线用于视频基带传输，需要知道“这是一种价格相对便宜，但传输特性很差的传输线”；
2.      与同轴电缆比较，430米双绞线的传输衰减与频率失真和1000米75-5电缆相当；
3.      1000米双绞线高频与低频衰减差异为45.69-7.2db=38.49db,这就是频率失真，而1000米75-5电缆，频率失真为21.7-3.95=17.75db,分贝数差2倍多；电缆越长频率失真越大；这就是视频基带传输必须面对的严峻课题，也是应该如实向工程设计施工的朋友说清楚的问题；
4.      双绞线用于视频基带传输，传输设备需要具有更大的补偿衰减和频率失真的能力；或者说，相同补偿能力的传输设备，同轴传输具有远几倍的传输距离；所谓同轴电缆只适合3、5百米内的近距离传输，1-2公里最适合双绞线传输，完全是某些商家的虚假误导宣传。
5.      工程上，选择不同的传输方式时，这是应该考虑到的实际问题之一；

[双绞线与同轴电缆传输特性照片及分析]





[波形说明]：
1.      0—6M扫频测试信号（上图1）：这是一种专用的视频测试标准信号，幅度为1Vp-p,行同步头为-0.3V,色同步头为0.3Vp-p;“图像信号”是等幅（0.7Vp-p）的0.2M—6MHz的扫频正弦信号；
2.      把这个标准信号像摄像机信号一样的馈入到同轴传输电缆，在电缆末端75欧姆负载上得到的信号，就是这段电缆的“幅频传输特性”，也就是频率失真特性。双绞线传输测量基本一样，不同的是必须有前后两端的收发传输器，在短线（0距离）传输时，应保证视频信号0-6MHz频带内，全部1：1的传输特性，才能用于长线测试。
3.      从照片可以直观看出，频率失真特性都是“频率越高，衰减越大”，它改变了视频源信号中原有的高低频分量的相对比例关系，低频衰减对应图像的对比度下降变淡，高频大幅度衰减对应清晰度和色度严重下降。频率失真是视频基带传输技术面对的最严峻的课题；
4.      比较两种波形形状可以或得深刻的印象：双绞线的频率失真，要比同轴电缆大得多。
5.      传输器的基本作用是补偿相应的传输衰减和频率失真，传输器的“幅频传输特性”显然应该始终保持与线缆传输特性“相反、互补”，才能恢复视频源信号特性。

第二部分：标准视频传输通道
[视频传输通道与通道失真]
视频传输通道与通道特性：
1）      摄像机通过同轴电缆把视频信号传输到监控室的主机或监视器，这条同轴电缆就是一个“视频传输通道”，这条电缆的传输特性，也就是它的“通道特性”；
2）      一条同轴电缆+一个视频放大器，也可以组成一个“视频传输通道”；“通道特性”是这条同轴电缆衰减特性+视频放大器传输特性的合成特性；
3）      一对UTP双绞线，加两端的收发设备，也可以组成一个“视频传输通道”；“通道特性”是这条双绞线衰减特性+前后传输器特性的合成特性；
4）      同样，还有微波视频传输通道，光缆视频传输通道，射频视频传输通道，数字视频传输通道等等。
显然，这些不同传输方式，都有自己的实际“通道特性”，共同的概念是：“通道特性”都是描述输入的视频特性和输出的视频特性的传输关系。显然，理想的“通道特性”应该是把输入的视频信号特性1：1的、100%的传输过去，而实际传输特性与理想传输特性的差异，就是“失真”，“失真”程度有大有小，用“失真度”来做客观描述，失真度技术指标有很多，最基本的就是“幅频特性”失真度，技术指标是在0-6MHz频带内，“幅频特性”误差不能超过“-3db”,从技术指标上评价，超过这个“-3db”技术指标的传输系统（通道），就属于“通道特性不合格”。



传输线缆，有客观技术标准（国标），性能上这个标准也是幅频特性——不同频率的的衰减量；试想，这个标准如果是通过传输一个视频信号，凭主观看图像效果来衡量，我想劣质电缆就会泛滥成灾了；同样道理，传输设备也有客观的技术标准，符合技术标准的线缆和符合技术标准设备的工程组合，应能形成符合“通道特性技术标准”的“视频传输通道”。
这里需要注意的是，“通道特性技术标准”，是指设备与器材的技术标准，这是客观标准，符合这个标准的，在传输的图像上，肉眼是看不出来失真的，这就是对视频传输设备的技术标准要求。在传输设备和器材工程应用中，视频信号是多环节传输与转换的，失真度是一步一步积累的，图像质量也随之一步一步劣化，只有对传输设备按照技术标准要求生产，才能确保实际工程应用中，图像不至于劣化到不可接受的程度。

[宣传和认识上的误区]
1.      把“通道特性”的客观技术标准，说成和理解成“主观图像感觉标准”，只要能接受就行；
2.      在这个误区引导下，有些传输产品的生产，也是按照主观感觉图像质量来生产，虽然感觉有些失真，但觉得“还可以接受”，就出厂，然后宣传：“1200米看不出失真，可以和光端机媲美”。使行业更加混乱，最终倒霉的还是那些奋斗在工程一线的朋友和公司。

[通道特性与图像质量]
不同的视频通道特性对应不同的图像质量。看下图：



[左图]：上面为“0距离”双绞线传输特性（无源传输器达不到这个水平），0-6M全频带“无失真”传输；下面为对应的480线图像的传输质量；
[中图]：上面为300米双绞线传输特性（比无源300米传输略好），总体幅度有衰减，高频衰减更严重；下面为300米双绞线对应传输的图像质量，可以比较出：图像对比度下降，变淡，有明显的模糊感觉，这是高频严重不足造成的；
[右图]：上面为1200米双绞线传输特性（没有补偿），总体幅度和高频衰减所剩无几了；色同步头看不到了；下面为对应传输的图像，彩色已丢失；
通道特性与图像质量的对应关系，早已是理论和实践统一的科学规律，图像是主观印象，但很难取得客观统一又能准确描述和测量的标准；视频传输通道特性，可以取得客观统一的“技术标准”，可以不看图像直接测量通道特性，可以规定产品生产的技术标准，可以有通用的市场标准；达到标准的传输特性，一定是：输入600线的黑白视频信号，输出也是600线的黑白视频图像；输入480线彩色视频信号，输出的一定也是480线的彩色视频图像；输入380线的彩色视频信号，输出的一定也是彩色380线的图像。这才是合格的视频传输通道；显然这与传输一个特定镜头的监控图像，用主观是否可以接受的衡量标准，有本质的区别。
这里要明确的是，通道特性好坏与图像质量的优劣是一一对应的，通道特性有客观标准，是可以排除人为因素，用准确的技术指标进行描述和客观测量的;



“一条双绞线+前后双绞线传输器”形成实际的视频传输通道特性：
一种是0-6M全频带“标准通道”，其传输特性失真度允许误差是“-3db”，如左图；
另一类是0-6M幅频特性有严重缺陷的视频传输通道，如右图，问题一目了然。
一）常见双绞线传输器的通道特性
下图是国内市场常见的，宣传力度也不少的“外国”产品和几种国内产品的实测通道特性照片。通道特性大同小异，照片具有典型代表性。



[测试条件]：
UTP超5类非屏蔽双绞线1200米，产品标称传输距离：1200-1500米，幅度可以连续控制（大多产品不能连续控制），频率均衡用拨码控制；
[照片说明]：实际测试的双绞线长度为1200米（准确值为305*4=1220米）
1.      图1拨码开关设置：前、后端都设置为1200米档位，通道特性呈现严重欠补偿失真；
2.      图2拨码开关设置：前端设为1500米，后端设置为1200米档位，通道特性有些改善，但仍是欠补偿失真；
3.      图3拨码开关设置：前端设为1200米、后端设置为1500米档位，3.5M以下低频有提升，但仍欠补偿，高频3.5M以上严重丢失的欠补偿失真；
4.      图4拨码开关设置：前、后端都设置为1500米档位，通道特性出现低频较大的过补偿，高频3.5M以上又严重丢失的欠补偿失真；在这些档位之间，产品再没有可以控制的设置了；
[产品通道特性分析]
1）      1200米的标称传输距离上，产品四种可能设置档位，都存在严重的“通道缺陷”——通道带宽实际只有3.5M左右，是截止频率为3.5M左右的“低通滤波器”；这好比是一条“标称”6车道的高速公路，而实际只有三个半车道，拨码分档的“粗略补偿”效果，好比路面的“不平度超标”；
2）      从图3、4可以看出，对应1200米双绞线传输的高频（3M以上）衰减，传输器的高频补偿能力远远不够。实测这类标称1200—1500米的产品，勉强可以用到900米左右，“勉强”是指把失真度要求适当放宽；
3）      用这种带宽3.5M左右通道特性，传输我国PAL-D制式0-6M的视频信号，要实现“看不出失真”和“图像可以和光端机媲美”，可能吗？难怪有的网友说：“实际效果和宣传的根本不一样”，事出有因；
4）      目前测试的这些产品，都是朋友们在工程应用中购买的，设备传输特性基本一样，还没测到优于这些特性的产品，我不能说没有，希望只是我还没见到；如哪个厂家朋友很自信，可以把这种通道特性实测结果在这里介绍出来；
5）      这些产品在工程中已经用了不少，但这并不能掩盖这是一类具有严重通道缺陷的产品；
4年前，我就向与我争论的网友质疑过通道特性问题：光说能传输1200米，1800米，2000米，是否能介绍一下，双绞线在这些距离上，低频和6M的实际衰减各是多少？传输器实际能提供的补偿能力（增益）又是多少？遗憾的事，4年来还没有一个厂家正面回答过；

二）[EIE品牌ET3010加权平衡传输器通道特性]
[产品特点]：①产品采用频率加权放大和加权抗干扰两项专利技术，实现0-6M标准视频传输通道；②1200米内任何距离，无级连续可调精密补偿技术；③根据干扰环境需要，既可使用非屏蔽双绞线传输，也可使用屏蔽双绞线传输；④加权平衡传输器系列产品中，还有可以把双绞线抑制干扰的能力，再提高4到15倍以上的产品和把传输距离提高到1600-1800米的产品；
[视频传输通道特性]
测试条件：
UTP超5类非屏蔽双绞线1200米；通道特性照片如下：



[照片说明]：
图1为低频幅度补偿到1Vp-p,可调均衡补偿不足，呈现通道特性严重欠补偿状态；
图2为低频幅度补偿到1Vp-p,可调均衡补偿，仍然不足，呈现通道特性尚有一定的欠补偿状态；
图3为低频幅度补偿到1Vp-p,可调均衡补偿，已调到0-6M通道特性全补偿状态，幅频特性失真度在“-3db”以内，点击照片放大可见，5-6M频标线之间的上突出和6M频率的下降都少于3db；
图4为低频幅度补偿到1Vp-p,增大可调均衡补偿，呈现出低频过补偿，高频6M欠补偿的通道特性；
[产品通道特性分析]
1)      从图1到图4补偿状态，产品频率均衡补偿是连续可调控制变化的，在欠补偿和过补偿中间，就有最佳补偿状态——调出标准传输通道。这项采用频率加权连续可调专利技术的精密均衡补偿功能，与拨码开关粗框的分段补偿有着本质区别；
2)      产品在1200米内任何距离上，基本都可以调出标准传输通道特性；这是产品采用频率加权放大和加权抗干扰两项专利的技术要点。
3)      产品传输距离的确定：EIE确定加权平衡传输器最大传输距离，是以传输器能够实现0-6M完全补偿的最大传输距离（超5类）来确定的。上图所示的ET3010加权平衡传输器，标称最大传输距离为1200米，是因为图3所示的补偿特性，6M已开始有点下降，但还没有超出“-3db”的技术标准要求；但当把双绞线传输距离加大到1500米测试时，通道特性已经出现严重的“通道缺陷”，所以1500米不能作为产品有效标称传输距离；如下图。



第三部分：客观的看待双绞线传输
双绞线传输的特点和自身优势，几年来的宣传已经无以复加，有过之而无不及。夹杂的虚假误导宣传，在安防行业造成了很多误区。我们在推出EIE品牌“加权平衡传输器”的同时，也希望同行朋友能在以下几个方面客观的看待双绞线传输技术：
1）      双绞线价格相对便宜，也具有应用上的自身特点和优点。但这种便宜的代价是：传输特性差，需要付出更大的补偿代价；代价一是，要实现有效距离内的完全补偿，传输设备需要具备更强的补偿能力，复杂度和性能都要大幅度提高，价格不可能很便宜；代价二是，有严重通道缺陷的传输器价格便宜，却要付出传输质量降低的工程代价，这个“代价”是厂商转嫁给工程商承担的；
2）      双绞线方式的传输距离，理论上和实践上都要比同轴电缆传输少很多，工程设计必须有个清醒的认识；①在没有传输设备、只用线缆传输的情况下比较：75-5同轴电缆在120米左右以内，可以实现标准通道的传输质量，300米之内，图像接受度也很高，而双绞线没有传输设备却“寸步难行”；②在有传输设备情况下比较：75-5同轴电缆在2000米以内，无前端无中继，只需要用一个末端加权视频恢复设备，就可以实现全补偿的标准通道传输特性，6M频率补偿能力需要40-43db（100多倍）;而2000米双绞线，却必须有前后双端传输设备，要实现全补偿，6M频率设备的补偿能力需要92-100db（10万多倍），目前还没见过哪家的产品能够做到这一点；③前后双端都有传输设备，75-5同轴电缆可以在3000米以内实现全补偿；
3）      双绞线在合适的工程场合，可以实现一条电缆传输4路图像，性价比较高；但盲目设计，也可能出现一条电缆4对双绞线只传输一路信号的尴尬局面；工程设计一定要坚持根据现场情况，合理组合不同传输方式的原则；
4）      双绞线方式的平衡传输原理，使它具有较高的共模抑制特性，也具有较好的抗干扰能力。但还没有理论和实验证实，它的抑制干扰能力比同轴电缆还要强，更不能相信所谓“具有超强的抗干扰能力”等一些不实之词。因为平衡是相对的有限的，电路的共模抑制有效工作范围并不大。所以实际工程应用中，当出现干扰情况后，便束手无策。这就是用户常说的“根本不像原来说的那么好”；正因为这样，加权平衡传输产品系列中还有抗干扰传输型号，可以把双绞线抑制干扰的能力提高4-15倍以上，解决一些常见的干扰；
5）      实验表明，双绞线线对之间的“串扰”规律是：频率越高串扰越大，不是“相互毫无影响”；工程设计时，还要慎重对待，一切都要有科学实验来证实。