Основные источники шумов и помех и методы борьбы с ними

Мультимедиа без помех

Вы включаете телевизор, чтобы посмотреть новости или хоккей, и вдруг экран заполняется черными точками, а из динамиков вместо голоса диктора раздается противное шипение. Что это? А это ваш сосед бреется неисправной электробритвой. Бритву выключили, но стало еще хуже: экран дергается, синхронизация изображения нарушена, а в звуковом канале что-то грохочет и взрывается. А это что? – спросите вы. А это соседка сняла трубку китайского радиотелефона, который по странной случайности настроен на несущую первого метрового телевизионного канала.

В последние десятилетия проблема взаимного воздействия на радиоэлектронные уст-ройства непреднамеренных помех (специалисты говорят о проблеме электромагнитной совместимости, ЭМС) стала настолько острой, что иногда для обеспечения ЭМС приходится искусственно снижать технические характеристики аппаратуры.

Не лучше обстоит дело и при передаче на большие расстояния изображения и звука. Человеческий глаз и ухо – очень чувствительные инструменты, мгновенно замечающие малейшие нарушения качества. Инженерам приходится искать все более сложные и дорогостоящие технические решения, чтобы обеспечить передачу изображения и звука на большие расстояния без существенной потери качества.

Оставив в стороне эфирные каналы передачи информации, кратко рассмотрим источники шумов и помех в проводных линиях передачи аудио- и видеоинформации.

Итак, требуется передать сигнал (телевизионный, компьютерный, звуковой и т.д.) из одного пункта (Источник) в другой пункт (Приёмник). Если кабель короток (например, 1 метр), то многие из рассматриваемых проблем, скорее всего, не возникнут, хотя в некоторых случаях даже такое расстояние может оказаться губительным для сигнала.

Если же реальному кабелю суждено проделать длинный и извилистый путь в помещении или на открытом пространстве, сигнал в нём неизбежно подвергнется воздействию многих негативных факторов.

Основными источниками шумов и помех принято считать:

• Индустриальные помехи;
• Наводки от соседних цепей;
• Разъемы низкого качества;
• Реактивное сопротивление кабеля и низкое качество кабеля;
• Неточное согласование кабеля с волновым сопротивлением передатчика и приемника;
• Питание от разных фаз и наличие «петель заземления», дающих помехи по «земле».

Второстепенными источниками шумов являются гальванические и электролитические процессы, трибоэлектрический эффект¹ и вибрации кабелей.

Индустриальные помехи – эти помехи, называемые также промышленными помехами, проявляют себя в местностях, где работают электростанции и различные электрические установки, аппараты и приборы: электродвигатели, аппараты электросвязи, медицинские приборы, ЭВМ, электросварочные аппараты, электрические звонки, системы электрического зажигания двигателей внутреннего сгорания. Помехи, создаваемые приему другими радиостанциями также можно отнести к индустриальным помехам.

Наводки от соседних цепей возникают в тех случаях, когда сигнальный провод или кабель попадает в зону действия электромагнитного поля, создаваемого другим проводом или кабелем. Например, если в квартире рядом проложены телефонный провод и радиотрансляционная линия, то, сняв телефонную трубку, иногда можно будет услышать музыку или речь. Это и есть наводки от соседних цепей. Особенно чувствительны к таким наводкам кабели для небалансных сигналов (например, коаксиальные) с невысоким качеством экранировки (один слой небрежно выполненной оплётки).

Разъемы низкого качества обычно плохо экранированы, но это еще полбеды. Основным источником шумов в разъемах бывают так называемые контактные шумы, которые возникают вследствие несовершенства контакта между материалами штыря и гнезда. Контактные шумы прямо пропорциональны величине протекающего через контактную пару тока, а плотность распределения мощности шумов обратна частоте. Если разъем совсем скверного качества, то возможно даже возникновение «дребезга» и искрение. Если материалы в разъеме подобраны неправильно, без учета их взаимного положения в гальваническом ряду, то между ними может возникнуть своеобразный электрохимический элемент, создающий шумы и ускоряющий коррозию.

Сам по себе кабель, особенно если он экранированный, не является источником существенных шумов, однако, от его качества сильно зависит затухание сигнала в линии, а от индуктивных и емкостных (реактивных) характеристик – искажения передаваемого сигнала. Любой кабель имеет проходное омическое сопротивление, ёмкость и индуктивность. Последние два параметра, равно как и потери в диэлектрике кабеля (tgδ) и некоторые другие факторы особенно сильно влияют на качество передачи высокочастотных составляющих сигнала – информации о мелких деталях и цвете в аналоговом видео, фронтов импульсов в цифровом сигнале. Чем длиннее кабель и чем шире спектр передаваемого сигнала, тем больше будут потери.

Характерное для кабеля волновое сопротивление может колебаться по его длине (за счёт его недостаточного качества или ошибок в прокладке), что приводит к возникновению отражений и «размытию» и ряби на картинке.

Неправильно заземленный кабель – мощный источник искажений и помех.

Режим электрической цепи, при котором сопротивление приемника равно сопротивлению линии, называется режимом согласованной нагрузки. Если нагрузка несогласованна, то часть передаваемого сигнала не поступит в приемник, а отразится в виде обратной волны, снижая уровень передаваемого сигнала и создавая искажения.

Неправильно спроектированное питание аппаратуры (от разных фаз сети переменного тока) и неправильно организованные контуры заземления способны вызвать появление мощных помех, борьба с которыми в уже смонтированной аппаратуре чрезвычайно сложна и малоэффективна. Подключение «земли» сигнального кабеля к общему контуру заземления (или зануления) в нескольких точках приводит к образованию «петель» заземления, а запитывание приёмника и источника сигнала от разных фаз сети переменного тока может даже при полностью исправных источниках питания устройств вызвать появление значительной разности напряжений между ними (и небольших токов, которые будут «выравниваться» через экран сигнального кабеля, создавая характерный фон переменного тока).

Все вышеуказанные факторы приводят к уменьшению расстояния, на который можно передать сигнал без заметных искажений (с допустимым уровнем качества). На практике, при использовании только пассивных мер по обеспечению качества передачи (о них – далее), обычно достигаются следующие расстояния:

Аналоговое видео

Композитный видеосигнал – передаётся по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом, используются байонетные разъёмы (BNC, в бытовой технике используются «тюльпаны» – RCA). Спектр стандартного сигнала не превышает 6 МГц, а расстояние передачи достигает 50-100 метров. Ограничивает расстояние, в основном, затухание сигнала (падение его амплитуды). Толстый коаксиальный кабель с толстым одножильным центральным проводником обеспечивает лучшие результаты. Падение амплитуды до некоторой степени парируется регулятором яркости, при дальнейшем увеличении расстояния в сигнале теряется синхронизация.

Видеосигнал S-video (YC) – передаётся по двум параллельным коаксиальным кабелям. Имеет почти такие же спектральные параметры, что и композитный. Передаётся чуть хуже, т.к. может возникать некоторый разбег фаз между сигналами в двух кабелях.

Компонентный видеосигнал (YUV/YPbPr, RGB, RGBS, RGBHV/VGA) – передаётся по нескольким (3-5) параллельным коаксиальным кабелям. Сигнал имеет гораздо более широкий спектр (до 30 МГц для YUV/RGBS, более 300 МГц для VGA/UXGA). Ограничивает расстояние (5-30 метров) подавление ВЧ-составляющих (потеря резкости), затухание сигнала, разбег фаз сигналов. Максимальное расстояние (до 30-60 метров) достигается только при очень качественных и толстых (дорогих) кабелях.

Цифровое видео

Цифровой видеосигнал SDI (Serial Digital Interface) передаётся по толстым коаксиальным кабелям с волновым сопротивлением 75 Ом, используются байонетные разъёмы (BNC). Стандартный видеосигнал имеет полосу до 270 Мбит/с (фактически – МГц), сигналы телевидения высокой чёткости HDTV могут иметь полосу до 1300 Мбит/с. Несмотря на столь широкую полосу сигнала, SDI обычно удаётся передавать на расстояние до 50-200 метров, ограничиваемое, в основном, затуханием сигнала и нарастанием джиттера (дрожания фаз цифровых импульсов). Для сигнала HDTV расстояния обычно значительно меньше.

Цифровой видеосигнал DVI (Digital Video Interface) передаётся по специальному кабелю из медных витых пар. Ширина спектра сигнала – до 165 МГц (для двух каналов получается в сумме до 330 МГц), при этом расстояние передачи ограничено 5 метрами.

Аудиосигналы

Небалансные аудиосигналы обычно передаются по экранированному кабелю, с разъёмами RCA («тюльпаны», иногда используются и другие соединители). На входе приёмника согласованная нагрузка не используется (вход должен быть высокоомным). При спектре сигнала до 20 кГц реально не стоит передавать такие сигналы более чем на 10-30 метров.

Балансные аудиосигналы чаще всего транслируются по экранированным витым парам проводов с разъёмами XLR. Такие сигналы гораздо устойчивее к воздействию помех и наводок, поэтому часто используются для подключения микрофонов. Сигналы большего уровня (линейного и выше) можно передавать на расстояние до 200 м и более.

Все возможные источники помех следует предусматривать на этапе проектирования и тогда же закладывать в систему методы и средства противодействия им.

Различают пассивные и активные методы борьбы с шумами и помехами.

Пассивные методы борьбы с шумами и помехами состоят:

• В уменьшении длины кабельных сетей до разумного минимума и уменьшении количества кабелей;
• В использовании кабелей и разъемов только высокого качества, от известных фирм-производителей;
• В прокладке кабелей с радиусами большого изгиба, чтобы избежать помех от так называемого трибоэлектрического эффекта (накапливания заряда внутри кабеля);
• В разделении стволов сигнальных и силовых кабелей;
• В использовании согласованных нагрузок;
• В таком использовании аппаратуры, чтобы ее рабочие режимы находились значительно ниже предельных;
• В использовании самого устойчивого к помехам интерфейса. Лучше всего передавать цифровой сигнал SDI, далее – композитный, S-video и, наконец, компонентный и VGA.

Активные методы борьбы с шумами и помехами состоят:

• В использовании промежуточных усилителей сигналов, которые компенсируют их затухание в линии из-за омического сопротивления и потери на высоких частотах из-за реактивности кабеля;
• В переходе на витую пару. Если вместо коаксиального кабеля использовать неэкранированную витую пару (UTP), то кроме весьма существенного экономического выигрыша (витая пара намного дешевле коаксиального кабеля), мы получаем возможность передавать сигналы на очень большие расстояния – композитный или S-video-сигнал на расстояние до 1 км, а VGA-сигнал – на 300 м. Проблемы с наводками и помехами по «земле» при этом в значительной мере снижаются.
• В переходе на оптоволоконный кабель при необходимости передачи сигнала на очень большие расстояния (до 25 км.). Оптоволоконная линия связи полностью развязана по «земле» и в ней гарантированно отсутствуют помехи.

Если возможности пассивного решения проблемы доставки сигналов исчерпаны (или не дают полной гарантии качества), следует ввести в схему дополнительные активные элементы.

При работе на длинную линию связи многие источники сигнала могут оказаться неспособными «вытянуть» такую линию. К тому же в них обычно не предусмотрено никаких регулировок, способных скомпенсировать потери сигнала в линии. Решением может быть добавление усилителя мощности на выходе источника сигнала.

Использование усилителя мощности

В таком усилителе обычно предусматривается как регулировка усиления (амплитуды сигнала на выходе), позволяющая скомпенсировать омическое сопротивление кабеля, так и регулировка амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот – для компенсации высокочастотных потерь в кабеле из-за его проходной ёмкости, индуктивности и диэлектрических потерь.

Достоинства:

• Усилитель компенсирует затухание сигнала (из-за сопротивления кабеля) и потери на высоких частотах (из-за ёмкости и индуктивности);
• Немного улучшает отношение сигнал/шум или помеха (на величину своего усиления, обычно не более 1-2 дБ);
• Усилитель может иметь несколько выходов для работы на несколько приёмников (называется усилителем-распределителем; стандартный видеовыход источника сигнала не может работать одновременно на несколько приёмников);
• В некоторых случаях позволяет скомпенсировать (своими регуляторами) различия в уровнях сигналов, выдаваемых источником (иногда даже небольшие отклонения в выходном напряжении передатчика и чувствительности приёмника могут приводить к искажениям яркости и цвета на экране, а иногда и к подрывам синхронизации).

Недостатки:

• Усилитель не может бороться с помехами эффективно. Максимальное расстояние ограничивается в этом случае именно помехами, т.к. кабель работает в той же помеховой обстановке, что и без усилителя.
• Возможно ограничение сигнала при слишком сильном усилении. Возможности любого усилителя небезграничны, и слишком большие потери в линии скомпенсировать не удастся — в этом случае можно посоветовать либо разбить длинный кабель на части с промежуточными усилителями между ними (каскадное включение), либо перейти на другой способ передачи (скажем, на витую пару или оптоволоконный кабель)
• Каскадное включение нескольких усилителей (см. предыдущий абзац) может привести к искажению и зашумлению сигнала, поскольку каждый последующий усилитель усиливает также и все шумы и помехи, которые накопились в линии связи до него.

Использование витой пары (UTP)

Иногда использование коаксиальных кабелей не даёт нужного результата – расстояние оказывается слишком большим, помехи – слишком сильными, а проблемы с «петлями» по контуру заземления – трудноразрешимыми. В этом случае следует с помощью специальных устройств преобразовать сигнал в балансный и передавать его по кабелям из обычной витой пары – и при этом избавляться от перечисленных проблем.

Специальный передатчик преобразует входной сигнал в сигнал для стандартного кабеля UTP категории 5 или выше (используется для прокладки компьютерных сетей Ethernet), приёмник на другом конце линии связи осуществляет обратное преобразование. Для связи используется только неэкранированный кабель (Unshielded Twisted Pair, UTP), экранированный кабель STP работать не будет (у него слишком большая проходная ёмкость). Кабель UTP много дешевле высококачественного коаксиального кабеля, и при больших длинах линии связи (даже с учётом цены дополнительных передатчика и приёмника) тракт передачи сигнала в целом оказывается даже дешевле. Кабели UTP обычно закладываются в современных зданиях уже на этапе проектирования, то есть во многих случаях для передачи сложных видео и аудиосигналов можно воспользоваться уже имеющейся проводкой, что дополнительно удешевляет проект. Использование специального балансного сигнала и качественной витой пары позволяет передавать сигналы на очень большие расстояния: композитный или S-video – до 1 км, VGA – более 300 м, при этом уменьшаются и проблемы с наводками и помехами по «земле».

Использование ВОЛС

Если нужно передавать видеосигнал на особо длинные расстояния, можно перейти к использованию волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). При этом проблем с помехами и контурами заземления не возникает в принципе. При использовании многомодового кабеля композитный сигнал можно передавать на расстояние до 5 км, а при использовании одномодового кабеля – до 25 км.

Выводы:

1. Проектирование систем передачи сигналов на большие расстояния должно проводиться с учетом их защиты от шумов и помех.
2. Защищать от воздействия шумов и помех уже спроектированные без учета ЭМС системы, как правило, сложно, дорого и малоэффективно.
3. Основными источниками шумов и помех принято считать: индустриальные помехи; наводки от соседних цепей; разъемы низкого качества; реактивное сопротивление кабеля и низкое качество кабеля; неточное согласование кабеля с волновым сопротивлением передатчика и приемника; питание от разных фаз и наличие «петель заземления». Второстепенными источниками шумов являются гальванические и электролитические процессы, трибоэлектрический эффект и вибрации кабелей.
4. Методы борьбы с шумами и помехами принято делить на пассивные и активные. Пассивные методы, в общем, дешевле, но менее эффективны. Наибольший эффект дают активные методы, состоящие в использовании специальных промежуточных усилителей сигнала, передаче балансного сигнала по витой паре и переходе на оптоволоконные линии связи.

Таблица. Ограничение по расстоянию передачи