Откуда берутся помехи и что с ними делать? [БДИ №2, 2000]

© [БДИ №2, 2000, www.bdi.spb.ru]

Невозможно в рамках статьи описать природу всех возможных помех, с которыми приходится сталкиваться при передаче видеосигнала, указать все возможные пути борьбы с этой «головной болью».

Оборудовав системой видео-наблюдения небольшой объект, без мощных источников электромагнитного поля поблизости, специалисты фирмы-инсталлятора тем не менее часто сталкиваются с ситуацией, когда на мониторах уже установленной системы возникают помехи. Заказчик систему не принимает (и совершенно справедливо) – ему было обещано качественное изображение. А для установщиков начинаются проблемы: под угрозой честь фирмы, падает экономическая эффективность всей проделанной работы. Даже если заказчик не выставляет штрафные санкции за срыв сроков, с течением времени договор делается все менее и менее рентабельным, а с какого-то момента – все более и более убыточным.

Не надо паниковать: выход обязательно есть. Цель статьи – дать общее понимание проблемы максимально широкому кругу заинтересованных лиц, конкретизировать пути решения, а значит, спасти время и деньги.

Рассмотрим линию: источник видеосигнала (камера, выход какой-либо промежуточной коммутационной аппаратуры, выход с приемной аппаратуры для передачи в другой пост и т.п.), коаксиальная линия передачи, приемная аппаратура (рис. 1). В дальнейшем во всех выражениях и формулах все величины векторные.

Источник видеосигнала заканчивается усилителем, который формирует сигнал для передачи в линию относительно общей точки (общего провода, нулевого провода). Общий провод в нашем случае – экран коаксиального кабеля. Понятие «земля» в данном случае не совсем корректно. В абсолютном большинстве случаев на общей точке «сидит» некий шумовой потенциал Uuil – но не во всех ситуациях, ибо если в этой точке сделать сигнальное заземление (не путать с силовым заземлением), то этого потенциала не будет. Однако построение такого заземления на конкретных объектах – задача практически нереальная (земляная шина должна быть закопана на глубину 2-3 м, не допускается наличие поблизости силовых магистралей, потоков воды и т.д.).
Таким образом, напряжение сигнала, поступающего в линию, складывается из напряжения полезного сигнала Д и потенциала шума 11ш1. Экран коаксиального кабеля связан с общей точкой приемной аппаратуры, на которой «сидит» собственный потенциал шума 1)ш2. Напряжение сигнала на входе будет выглядеть следующим образом:

Ucl = Л+иш1+иш2.

Сигнал принимается относительно потенциала шума 11ш2. Если бы сигнал формировался и принимался относительно одного и того же потенциала, приемная аппаратура в чистом виде выделила бы нам наш искомый сигнал А. Однако на практике такого не бывает никогда. Вопрос в том, в какой мере разнятся шумовые потенциалы нулевых точек у источника сигнала и у аппаратуры приема, заметно или нет влияние этой разницы на экране.

Аппаратное решение проблемы -гальваническая развязка земли, для чего в коаксиальную линию связи (как правило, за источником видеосигнала) включается согласующий трансформатор – стандартное изделие, применяемое сугубо для этой цели (рис.2).

Схема источник сигнала / линия связи / приемная аппаратура принимает следующий вид (рис.3).

На выходе с источника сигнала по-прежнему имеем Uc = Д+1_1ш1. На общем проводе (экране) имеем шумовой потенциал 11ш1. Эти напряжения на реактивном сопротивлении трансформатора вызывают токи противоположных направлений. Трансформатор играет роль «вычитателя», и во вторичной обмотке наводится напряжение, равное А (коэффициент = 1), свободное от влияния шумового потенциала, наведенного на общий провод источника видеосигнала. В линии вторичной обмотки к полезному сигналу добавляется 11ш2, но, поскольку сигнал Del принимается относительно этого же потенциала 11ш2, в результате получаем только полезный сигнал Д в чистом виде. Однако это происходит только в том случае, если на саму линию ничего не наводится извне.

Природа шумовых потенциалов может быть самая разнообразная, в первую очередь – это помехи по питанию. Широко известная сетевая помеха, проявляющаяся в виде широких темных горизонтальных полос, плывущих по экрану, успешно устраняется с помощью согласующего трансформатора. Она наиболее часто встречается при значительной удаленности источника видеосигнала и приемной аппаратуры. Однако все вышеописанное может иметь место абсолютно безотносительно к длинам линий.
Если линия короткая, полезно задуматься о причинах большой разности шумовых потенциалов. Одна из причин – внешняя наводка на линию питания. В этом случае помеха может иметь любой вид. В результате электромагнитного потока от какого-то внешнего источника (не стоит терять время на поиски самого источника – Вам вряд ли позволят его отключить или ликвидировать) непосредственно к камере возникает ток индукции, который на сопротивлении R нулевого провода создает шумовой сигнал Uuil = IxR, который может достигать весьма внушительной величины – «картинка» на экране может стать вообще невоспринимаемой. Бесспорно, применение трансформатора проблему решает. Однако, как следует из формулы, сигнал 11ш1 может быть уменьшен за счет уменьшения R, т.е. уменьшения длины кабеля питания от блока питания к камере и/или увеличения его сечения. Чем дальше источник питания от камеры, тем больше шансов наступить на эти «грабли». При организации централизованного питания всех камер системы разумно разводить к местам установки сеть – 220 В, блоки питания устанавливать вблизи камер. Разводка же централизованного питания +12 В или +24 В потребует большого сечения кабеля, не исключив при этом вероятность помехи.

Серьёзные проблемы может принести разница фаз Uш1 и Uш2. Достаточно типичная ситуация: на объекте (в особенности после евроремонта) устанавливаются евророзетки, имеющие земляную клемму. Очень редко эта клемма действительно соединена с земляной шиной, часто электрики соединяют ее с нулевым проводом сети -220 В. Если источник видеосигнала и принимающая аппаратура питаются от разных фаз сети, и нулевые провода источника и приемника имеют контакт с земляной клеммой вилки питания, на экране, скорее всего, получим двоение с искажением изображения. Это проявляется в тех случаях, когда система имеет более одного поста наблюдения, так как импортная аппаратура, питающаяся непосредственно от сети -220В, всегда имеет евровилку с земляной клеммой, имеющей контакт с нулевой точкой. Трансформатор спасет, но вначале стоит попробовать открыть розетки и оборвать связь «нуля» сети с земляной клеммой.

Влияние разницы шумовых потенциалов источника и приемника видеосигнала может выражаться в переменной яркости изображения (яркость «плавает»), в кратковременных искажениях на экране монитора (например, при включении какого-либо оборудования). Оптимальный выход из положения – применение согласующего трансформатора.
Установщики должны не только спасти систему от помех, но и минимизировать финансовые потери. Если работы по поиску и устранению причины помехи занимают более 1-2 дней, а использование трансформатора решает проблему, стоит применить аппаратное решение и сдавать объект.

Следующий тип помех: изображение устойчивое, но нет четкости, плохая различимость деталей. Увеличение контрастности на мониторе (подъем общего усиления сигнала в точке приема) эффекта не дает, «картинка» остается мутноватой. Разрешающая способность камеры – 570 ТВЛ. Это значит, что по дороге от источника видеосигнала к приемной аппаратуре мы потеряли высокие частоты спектра.

Амплитудно-частотная характеристика идеального канала передачи видеосигнала имеет вид кривой I (рис.4). Допускаемые искажения на границах частотного диапазона реально не должны превышать 3 дБ (теоретически – 1-2 дБ). Реальный канал связи имеет вид кривой II (с той или иной крутизной завала). Конкретный кабель определенной марки имеет свою собственную амплитудно-частотную характеристику. Обычно в каталогах указывается величина затухания на 100 метров для различных частот. Чем выше частота, тем сильнее затухание. Вот почему если с камеры вышло 570 телевизионных линий, то на мониторе видно от силы 380.

Для компенсации потерь в линии на приемном ее конце устанавливается видеоусилитель-корректор. Амплитудно-частотная характеристика усилителя представлена кривой III. Вид кривой в верхней части частотного диапазона может регулироваться в зависимости от кривой затухания линии передачи. На выходе усилителя получаем сигнал с АЧХ, близкой к кривой I. Ширина полосы пропускания усилителя-корректора – 6 МГц, глубина коррекции – 12 дБ.

Справедливости ради следует заметить, что в этой конкретной ситуации виноваты исключительно Вы сами, если, конечно, Вам не предложили исправить ошибки другого инсталлятора или построить систему по тем кабелям, которые имеются у заказчика. Всегда можно в зависимости от длины линии и требуемого диапазона частот подобрать марку кабеля, который обеспечит передачу в требуемых параметрах.

Гораздо более серьезный тип помех – помехи, наводимые на линию. Как правило, ни о каком исследовании объекта на предмет возможных помех речи не идет. Стоимость таких необходимых исследований все равно придется оплачивать заказчику, дешевле сразу аппаратно исключить вероятность помех, а альтернативные предложения предусматривают простейшую стандартную схему построения, и вполне возможно, что такая система окажется совершенно полноценной. Поэтому, мы можем говорить лишь о некотором вероятностном факторе до момента запуска. С этой позиции передача видеосигнала по коаксиальным линиям, с точки зрения опасности помехи, чем-то похожа на «русскую рулетку», причем количество патронов в барабане увеличивается с увеличением дальности передачи.

Наличие на изображение всяческих сеток и сеточек говорит о том, что действует высокочастотная помеха. Действие помехи на полезный сигнал численно оценивается отношением сигнал/шум, которое должно быть не менее 40 дБ. Помеха наводится на линии, максимальный уровень ее вполне конкретный. Уровень видеосигнала на выходе из источника -1 В. Если сразу за источником видеосигнал усилить, то отношение сигнал/шум увеличится. При постоянном уровне помехи следует усилить видеосигнал до получения величины искомого отношения в 40 дБ. На входе приемной аппаратуры ставим аттенюатор для приведения уровня видеосигнала к стандартной величине 1 В. Однако это является решением лишь для помех весьма незначительного уровня. Рассмотрим вопрос чуть более детально (рис. 5).

На передающем конце линии имеем выходной видеосигнал 1)вых = 1 В, который поступает на усилитель. При питании однополярным напряжением +12 В (стандартное питание непосредственно видеокамеры, не путать с выходным напряжением блока питания), максимальное выходное напряжение с усилителя – б В (не более половины напряжения питания). На согласующем резисторе 75 Ом происходит падение напряжения в 2 раза. Таким образом, максимальное выходное напряжение сигнала в линию составляет 3 В. Максимальный коэффициент усиления в этом случае = 3. На входе приемной аппаратуры ставится аттенюатор с обратным коэффициентом (если потери сигнала в линии незначительны), приводя уровень входного сигнала к уровню первоначального. При максимальном коэффициенте усиления = 3, нетрудно подсчитать максимальный уровень наводимого паразитного сигнала, который может быть преодолен указанным способом. Для соотношения сигнал/шум = 40 дБ, максимальный уровень подавляемой помехи = 30 мВ, а часто уровень значительно превышает этот порог.

Если указанный способ не помог, что делать дальше? Встречаются рекомендации по подбору согласующих петель. На практике автору не приходилось встречать объекты, где бы это реально сработало. Помеха может носить переменный характер, быть спровоцированной различными источниками, проявляться на нескольких частотах. Возможно, что укладка кабеля по какой-либо иной трассе решила бы проблему. Однако, такие работы, даже в случае положительного результата, чрезвычайно трудоемки, требуют привлечения высококвалифицированного персонала. Это же относится и к экранированию всей трассы.

Можно порекомендовать осуществить высокочастотную модуляцию видеосигнала. Видеосигнал представляет собой широчайший частотный спектр – от 50 Гц до б МГц. Внешняя помеха с любой частотой из этого диапазона представляет опасность для видеосигнала. Если выходной видеосигнал непосредственно с источника подать на вход телевизионного модулятора, то с выхода последнего получим телевизионный канал, на который модулятор настроен (рис.6). Вместо первоначального широкого спектра в линию передается узкополосный модулированный радиосигнал. Только помеха этой частоты может нам навредить. На самом деле не исключаются различные сюрпризы, свойственные высокочастотной тематике, например, влияние гармоник других телевизионных каналов, но всегда имеется выход – смена несущей частоты (смена канала). Поскольку модулятор формирует полный телевизионный радиосигнал, такой способ пригоден для передачи как черно-белого, так и цветного сигнала, в том числе – со звуковым сопровождением. Конечно, выбирается канал, отличный от каналов телевизионного вещания в данном месте; в первую очередь, как правило, занимаются каналы S-диапазона. Диапазон телевизионных частот достаточно «чистый», находится под контролем органов Связьнадзора, и какие-либо наводимые помехи в этом диапазоне – вещь достаточно редкая.

Если бы прием осуществлялся на телевизор, на этом бы все и закончилось («БДИ» №5/99). Но стандартная приемная аппаратура систем видеоконтроля требует на входе стандартный видеосигнал. Для обратного формирования из телевизионного сигнала в видеосигнал на приемном конце линии устанавливается специальный телевизионный приемник. Уже с этого приемника видеосигнал подается непосредственно на стандартную приемную аппаратуру. Стоимость такого комплекта оборудования для одного канала передачи – около $130. Решение, связанное с подбором согласующих петель или переукладкой кабеля, займет у Вас менее 3-х человеко-дней, а значит, обойдется дороже.

Подведем итог. Вы запускаете систему и видите помеху на одной, нескольких или всех камерах. Прежде всего, отключите все линии от общей коммутационной аппаратуры (через общую «землю» в точке приема линии могут иметь взаимное влияние).
Включив каждую линию отдельно на монитор, определите места грядущих боев с помехами.

Если причина помехи не «лежит на поверхности», возьмите весь набор упомянутой выше аппаратуры, не теряя времени на теоретические изыскания. Любая фирма, хорошо знакомая с описанными проблемами и располагающая такой техникой, предоставит Вам необходимое оборудование для пробного включения без оплаты, а также проконсультирует Вас в соответствии с собственными знаниями и опытом. В дальнейшем Вы заплатите только за то оборудование, которое окончательно будет установлено на объекте.

Если неясно, к какому типу помех относится именно Ваша, включайте аппаратуру в соответствии с последовательностью, указанной выше (необходимость усилителя-корректора обычно видна сразу, поэтому его следует рассматривать отдельно от общего перечня).

После достижения положительного результата оставляйте выбранную технику на местах и сдавайте систему. Анализом, поиском и устранением причин помехи можно заниматься в любое свободное время, в рамках гарантийного обслуживания. Если придет «озарение» и удастся ликвидировать источник помехи, можно в дальнейшем аппаратуру снять и оставить до следующего раза, а потеря прибыли по данному договору будет минимизирована.

На объектах, где вероятность возникновения помехи высока, следует исключить возможность ее возникновения на видеосигнале на стадии проектирования системы – использовать принцип передачи, страхующий Вас от возможных неприятностей.
Не стоит, пытаясь выиграть ценовой тендер, предлагать заведомо рискованную схему – вместо прибыли Вы можете потерпеть убытки, подорвать репутацию фирмы. Попробуйте в доступной форме объяснить заказчику, почему Вы предлагаете ему именно Вашу конфигурацию, возможно, именно этим Вы и выиграете тендер, даже при более высокой стоимости проекта.

В заключение укажем категории объектов, относящиеся к «группе риска» при передаче видеосигнала по коаксиальному кабелю. В первую очередь, это любые объекты с длинами трасс свыше 300 метров (резонансные явления в линии испортят жизнь не хуже мощной эфирной помехи). Все производственные помещения и территории: наличие вблизи работающих электродвигателей, генераторов, электропечей, мощных пускателей, электросварочного оборудования, высоковольтных линий передач и т.п. Объекты, имеющие в своем составе или в пределах видимости мощное радиопередающее оборудование (в частности -находящиеся поблизости военные объекты). Объекты, где кабельные трассы приходится прокладывать вблизи мощных силовых трасс и компьютерных сетей. К объектам риска можно отнести продовольственные универсамы: мощные рефрижераторные системы, системы вентиляции и кондиционирования способны «повесить» помеху на трассу длиной 30 метров.

Не имея физической возможности полноценных исследований, всегда следует поинтересоваться работой на объекте средств радиосвязи. Если на объекте (или поблизости) уже есть средства видеоконтроля; то следует выяснить структуру построения и качество изображений. Всегда полезно иметь «разъездной» комплект камера / кабель / монитор. Раскатав кабель на максимальную длину предполагаемой трассы, можно сразу увидеть имеющиеся на объекте «безобразия».

Как видите, довольно часто перед Вами могут вставать серьезные проблемы, однако всегда можно с честью выйти из любой ситуации, тем более что есть безопасные обходные пути.