Передача сигнала по кабелю витой пары: все pro et contra

Витая пара как средство от головной боли

Специалисты в области мультимедиа знают, что получить качественный видео- и аудио сигнал – это еще полдела. Сложности возникают, если необходимо передать этот сигнал на десятки и сотни метров без искажений и помех, да еще, если аппаратура-приемник находится в неудобном или труднодоступном месте.

В настоящее время многие информационные, презентационные и рекламные системы являются мультимедийными, то есть способными воспроизводить изображение и звук, самых разных форматов от обычного видео до ультрасовременной компьютерной графики. Поэтому главным инструментом, находящимся на рабочем столе рекламщика, становится компьютер. Естественно, что воспроизводить созданное на компьютере видео и звук гораздо проще и экономичнее тоже с помощью компьютера с монитором VGA/XGA, хотя бы потому, что в этом случае не требуется преобразование форматов. Это экономит время, а в рекламном бизнесе время – деньги!

Но подключить компьютер «напрямую» к существующим информационным и рекламным системам иногда бывает не так-то просто. И в первую очередь возникает проблема, связанная с ограниченной длиной компьютерных кабелей. Дело в том, что все стандарты низкочастотной (не модулированной) связи двух устройств (как аналоговых, так и цифровых) проектировались исходя из предположения о размещении источника и приемника, так сказать, «на одном столе», поэтому длина стандартного соединительного кабеля обычно составляет 1,5-3 м. Если же устройство-приемник сигнала находится на большем расстоянии, возникает потребность в специализированном оборудовании – так называемых удлинителях интерфейса. Устройства этого класса помогают устранить изначальное ограничение на длину линии связи между компьютером и элементами информационной сети.

Коаксиальный кабель или витая пара?

На сегодняшний день одними из самых распространенных средств передачи видеоинформации являются коаксиальный кабель и кабель витой пары.

С помощью коаксиального кабеля осуществляется несимметричная передача сигнала, а витая пара обеспечивает симметричную передачу. Передачу сигналов по коаксиальному кабелю называют несимметричной передачей, так как коаксиальный кабель замыкает контур между источником и приемником, где центральная жила кабеля является сигнальным проводом, а экран – заземляющим. Несмотря на хорошее экранирование, коаксиальный кабель подвержен воздействию помех, поэтому передача с его помощью композитного сигнала и компо- нентного видеосигналов на значительные расстояния невозможна. Кроме того, коаксиальный кабель требует согласования выходного импеданса источника и входного импеданса приемника со своим характеристическим импедансом, особое внимание приходится уделять раскладке кабеля и заделке разъемов.

Альтернативой коаксиальному кабелю является витая пара. В отличие от коаксиального кабеля, при помощи витой пары осуществляется симметричная видеопередача, при которой все электромагнитные помехи и шум, в конечном счете, одинаково воздействуют на оба провода. Когда сигнал достигает приемного конца линии, он попадает на вход дифференциального усилителя с хорошо сбалансированным фактором коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС).

Если два провода имеют схожие характеристики и достаточно закруток на метр (чем больше, тем лучше), на них будут одинаково воздействовать шумы, падение напряжения и наводки. Усилитель с хорошим КОСС на приемном конце линии устранит большую часть нежелательных шумов.

Витая пара обычно дешевле коаксиального кабеля, ее легче раскладывать, а разделка разъемов не представляет никаких проблем.

Симметрирование

Симметричными являются двухпроводные схемы, в которых оба проводника и все подключенные к ним цепи имеют одинаковый импеданс относительно земли и любого другого проводника.

Цель симметрирования состоит в том, чтобы сделать равными шумы, наводимые в обоих проводниках; в этом случае они будут представлять собой продольный, или синфазный, сигнал, который можно скомпенсировать в нагрузке.

Симметрирование – метод подавления шумов, который можно использовать в сочетании с экранированием там, где уровень шумов должен быть ниже уровня, достижимого при использовании только экранирования, или даже вместо экранирования.

Использование дифференциального усилителя явилось первым шагом на пути к созданию симметричной системы. Усилитель обеспечивает симметричную нагрузку, но источник остается несимметричным из-за наличия внутреннего сопротивления источника сигнала R_r. (рис. 1).

Рисунок 1. Уменьшение эффекта синфазных шумов

При симметрировании источника относительно земли (рис. 2) получается полностью симметричная система. В общем случае последовательно с проводниками оказываются включенными два синфазных напряжения шумов U_ш1 и U_ш2, которые вызывают появление токов шумов I_Ш1 и I_Ш2. Источники U_Г1 и U_Г2 совместно создают сигнальный ток I_г. При этом суммарное напряжение на нагрузке составит:

Первые два члена в правой части уравнения представляют собой напряжения шумов, а третий член – напряжение полезного сигнала. Если I_Ш1 равен I_Ш2 и R_H1 равно R_Н2, то напряжение шумов на нагрузке равно нулю. Уравнение при этом упрощается:

т. е. напряжение на нагрузке создает только сигнальный ток I_Г.

Рисунок 2. Симметрирование источника сигнала

В качестве проводников в симметричных схемах обычно применяют неэкранированные или экранированные витые пары, так как они симметричны. Коаксиальный кабель, напротив, имеет несимметричную форму, поэтому для симметричной системы следует брать два коаксиальных кабеля.

Степень симметрии схемы, или коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), определяется как отношение синфазного (продольного) напряжения шумов к вызванному им дифференциальному (или поперечному) напряжению шумов и выражается обычно в децибелах (дБ). Преобразование синфазного напряжения в дифференциальное является следствием несимметрии системы.

Чем лучше симметрия схемы, тем большее подавление шумов можно получить. Если было бы возможно достичь совершенной симметрии, шумы не могли бы проникать в систему. От хорошо спроектированной системы можно ожидать симметрию 60 – 80 дБ. Можно получить и лучшую симметрию, однако для этого обычно требуются специальные кабели, и может понадобиться индивидуальная подстройка схемы.

Симметрия системы зависит от симметричности источника, сигнальных проводов и нагрузки, а также от симметрии любых паразитных импедансов. Между двумя входными проводниками должна быть обеспечена симметрия, как по активным, так и по реактивным сопротивлениям, т. е. активные и реактивные сопротивления каждого из проводников относительно земли должны быть равны. Величина любых шумов, проникающих в симметричную схему, является функцией степени ее несимметрии и прямо пропорциональна синфазному напряжению шумов. Симметрия никогда не бывает совершенной, и при наличии синфазных напряжений шумов некоторое напряжение шумов поступает в схему. Синфазное напряжение шумов можно уменьшить соответствующим экранированием и заземлением.

Экранирование можно использовать для уменьшения величины синфазного напряжения, наводимого на проводники, а симметрирование уменьшает долю синфазного напряжения, поступающего в нагрузку. Симметрия системы зависит от частоты сигнала. Обычно, чем выше частота, тем труднее получить точную симметрию, поскольку на высокой частоте большое влияние на работу схемы оказывает паразитная емкость.

Знание симметрии, обеспечиваемой отдельными компонентами, из которых строится система, не позволяет предсказывать степень симметрии всей системы. Например, отклонения в симметрии двух компонентов могут компенсировать друг друга таким образом, что суммарный баланс комбинации компонентов будет выше, чем от каждого из них. С другой стороны, компоненты могут быть такими, что суммарный баланс может оказаться меньше, чем от каждого компонента в отдельности.

Одним из способов гарантии хорошей симметрии всей системы является задание на каждый компонент допуска, существенно меньшего, чем величина общего допустимого разбаланса системы. Однако этот метод может привести к тому, что разработка будет не самой экономичной.

Удлинители интерфейса

Недостаток симметричной передачи сигнала по витой паре состоит в том, что в дополнение к кабелю необходимы одно передающее и одно приемное устройство. Они увеличивают не только стоимость системы, но и риск потерять сигнал, если какой-либо из этих двух компонентов выйдет из строя.

Рассмотрим простейший случай, когда информацию от компьютера нужно воспроизводить с помощью видеопроектора или плазменной панели, находящейся на значительном удалении (скажем, 50-100 м) от системного блока компьютера. На первый взгляд, очевидным кажется решение о создании локальной сети из двух компьютеров и подключении устройства отображения вместо монитора второго компьютера, но как быть, если проектор должен крепиться к потолку или устанавливаться в таком месте, где обслуживать его станет, мягко говоря, неудобно?

Правильное решение заключается в использовании удлинителей интерфейса (extender или line transmitter) компьютерного монитора, современные модели которых обеспечивают передачу сигнала на требуемую дальность с малым уровнем помех по витой паре. Такое эффективное и недорогое техническое решение найдет применение во многих областях: в информационных системах на транспорте, в учебных заведениях или больницах.

Как и удлинители видеоинтерфейсов, удлинитель сигналов VGA действует на аппаратном уровне, поэтому он свободен от каких-либо проблем с совместимостью программного обеспечения, согласованием кодеков или преобразованием форматов.

До недавних пор по витой паре удавалось передавать без потери качества сигналы на сравнительно небольшие расстояния, однако в истекшем году ситуация коренным образом изменилась после того, как на рынке появилась новая линейка удлинителей для работы с витой парой. Благодаря новой элементной базе, а также новым аппаратным и схемным решениям удалось достичь настоящего прорыва: теперь сигналы без потери качества можно передавать на расстояния, превышающие 300 метров. Оборудование способно устойчиво работать с обычной неэкранированной витой парой категории 5, но гораздо лучшие результаты можно получить при использовании кабелей более высокого качества.

В новую линейку оборудования входят передатчики XGA сигнала в витую пару, усилители-распределители, коммутаторы, приемники сигналов из витой пары.

Возможности оборудования удовлетворят потребностям самых взыскательных пользователей.

Что и на какое расстояние передает удлинитель

Пассивная линия (без усилителей/преобразователей):

• Кабель типа RG-59 или RG-6 способен передать без видимых на экране искажений композитное видео, телевизионный сигнал стандартов PAL или NTSC на 20-40 м.
• Кабель типа RG-11 работает до 50-70 м.
• Специализированные кабели, например Belden 8281 или Belden 1694A, позволят увеличить дальность передачи примерно на 50%.

Для сигналов VGA, Super-VGA или XGA:

• Обычный кабель VGA обеспечивает передачу изображения с разрешением 640x480 на расстояние 5-7 м.
• При разрешении 1024x768 и выше такой кабель не должен быть длиннее 3 м.
• Высококачественные промышленные кабели VGA/XGA обеспечивают дальность до 10-15, редко до 30 м.

Линия связи подвержена потерям на высоких частотах (High frequency loss), которые проявляются в снижении яркости до полного исчезновения цвета, ухудшении разрешения и четкости. Для устранения этой проблемы в удлинителях VGA/XGA используется схема управления потерями на высоких частотах, именуемая EQ (Cable Equalization, коррекция кабеля) или управление высокочастотной составляющей – HF (High Frequency) control.

Схема EQ обеспечивает частотнозависимое усиление сигнала для «спрямления» амплитудно-частотной характеристики.

Итак, удлинитель должен быть оснащен усилителем сигнала (желательно регулируемым) и системой EQ, а в качестве среды передачи лучше выбрать витую пару, как наиболее массовое и недорогое кабельное изделие.

Линии на основе витой пары

• Способны передать композитный видеосигнал на расстояние до 300-1000 м (при передаче композитного сигнала на расстояние менее 100 м нет особого смысла переходить на витую пару).
• Компонентный и s-Video сигналы (для стандартного ТВ) можно передавать на расстояния, не намного меньшие, чем композитный сигнал.
• Компонентные сигналы для телевидения высокой четкости (ТВЧ, HDTV) требуют большей полосы пропускания и хорошо передаются на 100-500 м.
• Сигналы класса VGA можно передавать на расстояния до 100-300 метров. Пример системы передачи такого сигнала на 100 м приведен на рисунке 3, а разветвленной системы распределения сигнала до 250 м — на рисунке 4.

Передающее устройство удлинителя обычно преобразует видеосигнал(ы) в дифференциальный симметричный формат, наиболее подходящий для витых пар. На принимающей стороне восстанавливается стандартный видеоформат для воспроизведения полученного сигнала на мониторе.

Средой передачи в удлинителях могут также быть оптическое волокно и беспроводный радиоканал. По сравнению с витыми парами, оптоволокно значительно увеличит стоимость, а беспроводная связь не обеспечит достаточной помехозащищенности и надежности, да и получить разрешение на ее использование непросто.

Рисунок 3. Система трансляции VGA/XGA-сигнала на расстояние 100 метров

Рисунок 4. Распределение VGA/XGA-сигнала от одного источника на много
удаленных дисплеев