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基于同轴电缆的电源和控制信号传输

2015-04-18   来源:互联网   点击:
一、 概述在同轴电缆传输中即传输信号又传输电源,最早运用于有线电视系统。在国内,已经有十多年历史。而如今把有线电视技术转移到监控领域已经数年,但却很少有人把电源的传输技术同时转移过来。虽然我们曾

一、 概述

在同轴电缆传输中即传输信号又传输电源,最早运用于有线电视系统。在国内,已经有十多年历史。而如今把有线电视技术转移到监控领域已经数年,但却很少有人把电源的传输技术同时转移过来。虽然我们曾反复倡议此技术在共缆监控领域的推广,但却还是有不少安防行业的朋友表示质疑甚至反对。而如今在监控系统中的电源线和数据线已经是一项不可忽略的开销(每公里距离两种线大约需要花费6000多元左右)。它应该引起业界的再度关注。

采用共缆技术传输信号的同时,如果再利用它同时传输电源和数据,这显然可节约一笔不小的开销。这种技术我们已经在实际监控工程中运用近一年时间,事实证明是完全可行的。

二、 传输原理

共缆监控传输技术是一种射频宽带技术。在有线电视中通常称为HFC(光纤和同轴电缆混合)技术。它是把需要传输的视频、音频或数据基带信号搭载在高频载波上传输,到达目的地后,再从载波里取出基带信号。这样的传输方式可使同轴电缆的信息传输容量增加许多倍。高频同轴电缆的频率带宽可达0 – 1GHz以上。现在通常使用的信号实际带宽一般在5 - 860MHz。在共缆监控传输中的频谱分配可见下图。

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图1

由于直流电源的频率是0HZ,交流电源的频率是50Hz,显然它们都可以通过同轴电缆传输。在共缆监控中,我们可以把5-30MHZ的频段分为下行通道(控制信号从中心发出到监控摄像机的方向)。这个25MHz宽度的通道可以传输很多数据信号,但监控发出的控制信号(约100KHz带宽)只占它的带宽的0.5%不到。因此下行通道大部分资源是空闲的。

从监控摄像机到监控室方向我们称为上行通道。带宽从45MHz – 860MHz达815MHz。我们传输一个摄像机的视频只需要8MHz,因此,上行通道最多可以传输100路视频信号。但在实际工程中的情况是,一根同轴电缆传输的频道数越少,工程越容易做。因此,每条线究竟计划传输多少个频道,需要根据技术实力而定。

在对电缆供电时,采用的是有线电视系统目前通用的电源插入器。它完成电源与高频载波的混合,提供高频通路和隔离高频与电源的信号通道。电源到达前端(摄像机端)后,再利用分离器,把信号和电源分离开。

三、 实现方法及成本比较

通过同轴电缆集中供电我们分为两种方式:一种是直流供电,另一种是交流供电。无论那种供电方式,供电点都可在任何距离插入。供电电压建议控制在60V以下。

1. 直流集中供电:此方式一般用于固定摄像机,它最大好处就是供电方法简单,每个前端电源只需极少成本。每个摄像机不再需要电源变压器,这些节省的变压器成本完全可以用于购买集中供电电源和插入器。由线损引起的各前端电压的差异,主要靠直流稳压器来解决。去掉的RVV电源线,基本就是纯节约的开销。

2. 交流集中供电:在监控系统中如果出现需要控制云台和镜头的监控点,建议采用这种方式。如果同一线路中既有固定摄像机,又有云台和镜头需要控制。也只能全部采用交流供电方式。在交流供电情况下,每个摄像机需要配置一个60V交流调压变压器取代原来的220V变压器(不增加成本),以适应线损造成的低压交流到达前端的电压差异。干线上还需增加大功率的220V转60V的变压器和电源插入器。额外增加的大功率变压器和电源插入器的成本只能用节省的电源线成本来弥补。弥补后剩下的钱才是节约的成本。下面以一个工程设计实例来计算交流集中共缆供电与传统供电方式的成本。

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图2

上图的监控系统共采用SYWV-75-7的同轴电缆1231米。如果采用传统方式敷设电源线,根据耗电和距离情况,一般采用2 × 2.5截面的RVV线。这种电线目前的价格大约在4.5元/米。那么系统花费的电源线费用是1231 × 4.5 = 5539.5元。在集中供电系统中配置是:一个60V10A的电源,成本大约是700元,一个电源插入器,成本大约是90元。每个前端需要增加一个信号分路器,大约在15元,14路摄像机共需4 × 15 = 210元。这三项总共开销是1000元,这样,工程节约的成本是:5539.5 – 1000 = 4539.5元。假设全部采用直流供电。

3. 传统传输供电:在传统点对点的视频传输中,同样可以采用同轴电缆供电方式。不过在传输时,需要对视频信号进行调制解调处理。由于这种供电大多是单一负载,流过同轴电缆的电流不大。供电器全部可以放在监控室内。这种传输方式的接线见下图:

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图3

上图供电方式的基本配置是:一个集中供电电源、两个信号复用器、一对调制解调器。

后端(监控室端)调制解调器可把中心输出的数据控制信号调制成数据载波信号,然后与电源混入电缆后传送到各前端的稳压器和调制解调器。控制信号的取出和图像信号的调制回传,全部由前端调制解调器来完成。假设上图的传输距离为1000米,我们可以分别算出两种不同供电方式的成本。

传统RVV1*2线供电:假设采用1.0×2的RVV线。1000米所需线材成本为:
1000×2.4=2400(元)

75-5同轴电缆供电:集中供电器一台98元,信号混合\分离器两只30元,调制解调器一对248元。所需设备成本为:
98 + 30 + 248 = 376 (元)

同轴电缆供电节约的成本为:2400 – 376 = 2024(元)

如果多条同轴电缆在监控室共用一个供电电源,成本还可有望降低。

4. 控制信号传输:同轴电缆在传输图像信号和电源的同时,还可以把控制数据信号从监控中心发到各解码器。这显然给每路信号增加了数据调制解调器的成本。这个成本只能用省去的数据传输线的成本来弥补。我们用一条500米传统传输方式与其做比较,计算两种方式各需的成本。

传统数据传输:500(米) ×1.5(元)=750元
电缆数据载波:数据调制解调器一对:150元
能节约的成本为:750 – 150 = 600元

以上可知,距离越长,共缆传输数据方式越省钱。在实际使用中,数据调制解调器与图像调制解调器是集成在一起的。计算线材的价格可能与各地市场价有所差异。大家可以以当地实际购买价进行计算比较。

四、 共缆供电和数据传输设备

1、 集中供电器:集中供电器分为直流集中供电器和交流集中供电器。

•  直流供电器:直流供电器市场上有各种电压和电流规格。比如电压有15V\20V\30V\64V等。电流有1A/2A/3A/5A/10A/20A/30A等。至于需要选择多大的电压和电流的供电器,需要根据摄像机的工作电流和电缆的型号及长度来决定。计算方式是:各摄像机工作电流的总和即是需要选择的电流规格;摄像机需要的工作电压+电缆的线损电压即是需要选择的电压规格。但在选择中需要留有一定余量。下面是一种直流稳压可调供电器的实物图:

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图4

上图的电源电压和电流保护都是可调的。调整范围是0 – 最大电压和最大电流。

•  交流供电器:交流供电器有磁饱和稳压60V输出供电器和非稳压电压可调输出两种。磁饱稳压型只有60V电压输出,电流有4A/6A/10A等。非稳压供电器可以有各种电压和电流输出。选用稳压型或非稳压型需要根据各地区的供电稳定性来决定。电压的选择是:24V+电缆线损= 供电电压。电流的选择与直流供电相同。

非稳压型供电器价格相对便宜,并且供电电压可以根据实际工程情况进行相应调整。只要区域供电电压波动不是太大。完全可以采用这种供电器。

下面是一种交流供电器外形图:

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图5

2、 电源插入器:电源插入器根据供电大小的不同分为3A和10A两种

3A电源插入器见下图:

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图6

这种插入器又称信号复用器,共有三个接口。分别为电源端,信号端和混合端。它可作为电源与信号的混合或分离。该设备主要用于单路供电和前端信号的分离。

10A电源插入器见下图:

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图7

这种插入器有3各接口,一个是电源输入口,另两个是信号和电源混合口。它主要适合于共缆监控中多路前端传输的大电流供电要求。

上述两种插入器即可用于交流,也可用于直流的插入。在多路供电时,供电点的选择很重要。通常建议电源插入点选择在传输电缆的中间。这样供电电压要求低,功耗少,同样功率的供电器可增加供电点数量。

3、 前端稳压器:前端稳压器的作用是为摄像机、解码器、云台和变焦镜头等提供必要的电源。

直流稳压器电路简单,价格低廉。主要用于固定和可控摄像机的直流供电。它有12V 电源输出,RS485 控制信号输出。稳压输入口即可加入交流,也可加入直流电源。在需要控制云台和镜头的情况下,只能采用交流供电。

这时必须增加一个60V 转24V 的可调变压器。以便为云台供电。

防水箱和稳压器实物图

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图8

4、 调制解调器共缆供电用单路调制解调器实物图:

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图9

多路解调器实物图

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图10

 五、 设备连接

在多路设备的连接方式中,无论是交流还是直流供电,连接方式基本相同。前端设备的直流供电连接方式如图:

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图11

交流供电时,只需要把电源端接变压器初级,再把变压器次级接稳压板的电源输入端即可。变压器的24V 交流输出端接云台的电源输入端。

多路集中供电器的连接如下图:

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图12

上图的电源插入器和过流分支器均有防水和抗高压能力。主要用于野外干线的分支和过流。

附注:

syv——实心聚乙烯绝缘,pvc护套,国标代号是射频电缆——又叫"视频电缆";
sywv——聚乙烯物理发泡绝缘,pvc护套,国标代号是射频电缆;

[相同点]:

1. 特性阻抗一样——75欧姆;
2. 外层护套,屏蔽层结构,绝缘层外径,编数选择,材质选择,屏蔽层数等基本相同;

[不同点]

1. 绝缘层物理特性不同:syv是100%聚乙烯填充,介电常数ε=2.2-2.4左右;而sywv也是聚乙烯填充,但充有80%的氮气气泡,聚乙烯只含有20%,宏观平均介电常数ε=1.4左右;ε=εǎ?jε",其中,ε"为损耗项,空气的ε"基本为"0",这一工艺成就于90年代,它有效降低了同轴电缆的介电损耗;

2. 芯线直径不同:以75-5为例,由于-5电缆结构标准规定,绝缘层外径(即屏蔽层内径)是4.8mm,不能改变,为了保证75ω的特性阻抗,而特性阻抗只与内外导体直径比和绝缘层的介电常数ε大小有关,ε大芯线细,ε小芯线粗,芯线直径:syv是0.78-0.8mm, sywv是1.0mm; 芯线结构形式都可以是单股或多股;这一区别,导致了芯线电阻的不同。如实测天成、爱普syv75-5电缆,1000米芯线直流电阻39ω,典型sywv75-5电缆, 1000米芯线直流电阻19-20ω;

3. 上述两项根本区别,决定了两种电缆的传输特性——传输衰减不同,syv电缆是最早期的同轴电缆,在几十上百年时间里一直用它传输,包括传输射频信号;但后来当sywv出现后,射频以上波段就很少应用syv了。因为高频衰减差别太大了;慢慢的syv就基本上主要用在监控视频传输上了,也就把这种射频电缆的"元老",改称为"视频电缆"了。但这绝不等于说:syv"视频电缆"的视频传输特性比sywv好,实际刚好相反,sywv的视频传输特性也全面优于syv电缆。这方面的误解很普遍,且我国南方比北方的误解要严重,认为传输视频信号,"必须用视频电缆"。实测1000米电缆视频传输性能,sywv75-5/64编电缆:0.5m—5.15db,6m—19.12db;国标优质syv75-5/96编电缆:0.5m—6.43db,6m—21.76db(相同编网结构电缆衰减比发泡电缆大3db——即大1.4倍以上),有一个还挺有名的厂家产品,syv75-5/128编电缆,6m—25.22db,衰减比发泡电缆大6db以上——即大2倍多);

4. 关于高编电缆,一般指96-128编以上的电缆。高编电缆明显特点是:屏蔽层的直流电阻小,200khz以下的低频衰减少,对抑制低频干扰有利,实测表明,200khz-6mhz频率,由于"趋肤效应",128编和64编衰减一样。(高频电流只在芯线外表面,屏蔽层内表面层流动)。从频率失真(高低频衰减差异)看,高编电缆反而严重。频率失真直接影响就是视频信号的各种频率成分的正常比例失真,直接影响到图像失真;

5. 铜包钢芯线:这是sywv电缆的一种,用于有线电视46mhz以上的射频传输,由于"趋肤效应",电流只在钢丝外面的铜皮里流动,衰减特性和纯铜芯线一样,可抗拉强度却远高于铜线;但这种电缆用于视频传输不行,0-200khz低频衰减太大;

6. sywv电缆视频射频传输特性都优异,而且由于有巨大的有线电视市场的支撑,产量很大,价格也有优势

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