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演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

2007-06-11 上海文广新闻传媒集团技术运营中心 董耀 依马狮网


    【摘要】 我们正处于广播电视数字化进程中,我们对于数字演播室节目质量提出更高的要求,而信号质量直接影响到节目质量。选用符合国家行业标准的数字演播室设备当然是关键,但是连接设备的电缆线往往受到忽视。其实,电缆线的选择、放置、连接对信号传输影响是相当大的。这篇文章比较详细地介绍演播室中用到的电缆线,并提出了一些电缆选购和安装敷设方面的建议。
    【关键词】 数字视频电缆  特性阻抗  反射系数  回波损耗(反射损耗)  电压驻波比  模拟音频电缆  屏蔽

    我们先来了解数字视频电缆线结构。数字视频电缆线由中心导体、介电材料(绝缘材料)、屏蔽层、绝缘护套构成的。(见图1)

演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

    中心导体应选用实心裸铜。实心导体具有更好的特性阻抗稳定性和回波损耗(反射损耗)(RL)。数字信号传输包括沿着导体中心进行的低频传输和由于集肤效应而沿导体外表面进行的高频传输。基于这些原因,没有涂层的纯铜导体具有最佳的性能。
    介电材料(绝缘材料)由实心或高密度发泡聚乙烯制成。介电材料的种类、外力对电缆的冲击和导体移动都会引起特性阻抗的改变,从而造成RL的增加。所以耐冲击性能要强,相对于导体的位置要固定发泡聚乙烯。实心绝缘材料的通常传播速度为66%(光在真空中的传播速度为100%),气体注入技术可以生成非常均匀的发泡材料使得传播速度提高(82%到84%)。速率保持常量可以使(电缆与电缆之间的)同步问题减小到最低程度。发泡绝缘材料减小了同轴电缆的尺寸,降低了总成本。
    电缆屏蔽层的作用就像一个法拉第护罩,干扰信号会进入到屏蔽层里,但却进入不到导体中。因此,屏蔽层里导体数据传输可以无故障运行。另外,屏蔽电缆比非屏蔽电缆具有较低的辐射散发,屏蔽网络(屏蔽的电缆及元器件)能够显著减小进入到周围环境中的电磁能辐射等级,减小对其他设备和电缆线的干扰。
    干扰场主要有电磁干扰及射频干扰两种。电磁干扰(EMI)主要是低频干扰,马达、荧光灯以及电源线是通常的电磁干扰源。射频干扰(RFI)是指无线频率干扰,主要是高频干扰。无线电、电视转播、雷达及其他无线通讯是通常的射频干扰源。对于抵抗电磁干扰,选择编织屏蔽最为有效,因其具有较低的临界电阻;而对于射频干扰,箔层屏蔽最有效,因编织屏蔽依赖于波长的变化,它所产生的缝隙使得高频信号可自由进出导体。而对于高低频混合的干扰场,则要采用具有宽带覆盖功能的箔层加编织网的组合屏蔽方式:编织屏蔽适用于低频范围,而箔层屏蔽适用于高频范围。由于数字信号传输包含两个频率,所以使用了箔层加网状的屏蔽设计。
    绝缘护套的材料为聚氯乙烯,是电缆线最外面的保护层。
    刚才,我们涉及到几个概念:特性阻抗、回波损耗(反射损耗)(RL)、传播速度。下面就来介绍这几个概念。

    一. 特性阻抗
    一根无限延伸的同轴电缆,它的发送端的阻抗为“特性阻抗”。实际的电缆是有确定长度的,可以测定其特性阻抗,并使用等值的电阻端接。被端接的电缆的特性看起来就像无限长的电缆特性一样(见图2)。

演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

    翻开任何一本电缆的资料,我们都能看见:特性阻抗、电阻、电感、电容、电导这些名词。对于每一根电缆,都有其固定的特性阻抗、电阻、电感、电容、电导。电缆的特性阻抗可以用下面的公式表示:
演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

    其中,是特性阻抗、R是电阻、L是电感、G是电导、C是电容、=2πf,f是频率。在(传输)不同频率(的信号)下,电缆特性阻抗的曲线见图3。
演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

    说到这里,要说一下,为什么终接电阻是75Ω?因为我们使用的同轴电缆的特性阻抗是75Ω,若是终接电阻和电缆的特性阻抗不匹配,会产生反射波。那么
    在频率相当高的时候,比如频率大于0.1MHz,电缆的特性阻抗趋于稳定。公式1可以写成:
演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

    其中,是磁导系数、是介电常数、D是电缆外径、d是中心导体直径。
    为什么使用特性阻抗为75Ω电缆呢?图4是阻抗和衰减之间的相关曲线。
演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

    条件:外导体: 铜网编织;绝缘层外径5mm
    内导体:实心铜线;频率200MHz
    从图4可以看出,实心聚乙烯绝缘的最小衰减量的阻抗值是60Ω;发泡聚乙烯绝缘的最小衰减量的阻抗值是75Ω;空气的是95Ω。因此,在长距离传输条件下,我们要使用75Ω电缆。
    从图4中,我们还可以看到,电缆的衰减量不仅和长度有关,还与电缆的特性阻抗有关。特性阻抗怎会影响衰减量?这里就要说到回波损耗(反射损耗)。

    二. 反射系数
    反射系数ρ是反射波幅度与入射波幅度的比值,可以用公式表达为:

演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

    式中:ρ是反射系数,VR是反射电压值,VI是入射电压值。当信号在电缆线中传输时,如果这根电缆是无限长的,那么信号就能无干扰的传输。但是,电缆总是断点(终端)的,断点(终端)处的阻抗(负载阻抗)随不同的电缆而变化。断点(终端)像屏障一样,使一部分信号向着信源方向反射。这样就形成了和入射信号方向相反的反射波,反射波和电缆阻抗的关系可以用下式表示:
演播室数字视频电缆技术参数、选择和敷设问题

    式中:ρ是反射系数,

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