Передача сигналов на большие расстояния в условиях электромагнитных помех

«Человек должен всю жизнь бороться! Разве не так?
– Все так, сказал бармен. – Вот я, например, всю жизнь борюсь с налогами». 

Бармен из повести братьев Стругацких «Стажеры», конечно, пошутил, но вот радиоинженерам и связистам вовсе не до шуток. Их работа как раз и есть борьба, только не с налогами, а с шумами и помехами. 

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 устройства непреднамеренных помех (специалисты говорят о проблеме электромагнитной совместимости, ЭМС) стала настолько острой, что иногда для обеспечения ЭМС приходится искусственно снижать технические характеристики аппаратуры. Особенно трудно приходится авиационным инженерам, потому что современный самолет оборудован сотнями различных радиоприборов и нередко приходится выключать одни приборы, чтобы можно было включить другие, так как одновременно из-за взаимных помех они работать просто не могут.
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.
До недавних пор борьба с шумами и помехами велась методом проб и ошибок при слабом понимании физики процессов, вызывающих эти шумы и помехи. Такой подход поглощал массу времени, а при малейшем изменении конфигурации аппаратуры все приходилось начинать сначала.
Оставив в стороне эфирные каналы передачи информации, кратко рассмотрим источники шумов и помех в проводных линиях передачи аудио- и видеоинформации.
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» – помех по «земле».
Второстепенными источниками шумов являются гальванические и электролитические процессы, трибоэлектрический эффект 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.
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. 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 отразиться 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 чрезвы-чайно сложна и малоэффективна. 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 по возможности композитного видеосигнала вместо компонентного; 
    · 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. 

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 решаются радикально. 
    · 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.

Таблица. Ограничение по расстоянию передачи.

 

Став участником Партнерской программы «Актив-СБ» вы получаете:   

- Рассрочку платежа на складские позиции (при условии предоставления полного пакета документов);

- Возврат и отправка продукции требующей гарантийного обслуживания за счет Актив-СБ

- Размещение компании в разделе "Монтаж", при закупке оборудования не менее 500 000 в первое полугодие и 700 000 во второе полугодие ;

- На выбор:

  1. Кэшбэк по Бонусной программе в размере до 5% от суммы покупок. (Подробности в разделе ПОЛУЧЕНИЕ БОНУСНЫХ БАЛЛОВ)
  2. Доступ к ЗАКРЫТОЙ Партнерской колонке)

 

вид сигнала
тип кабеля
разъемы
полоса пропускания
дальность передачи
Видеосигнал
композитный
коаксиальный кабель 
75 Ом
разъёмы BNC
(в бытовой технике – RCA)
до 6 МГц
до 50-100 м
S-video (YC)
практически как для композитного
компонентный (YUV, RGB, VGA)
коаксиальный кабель 75 Ом
разъёмы BNC
(в бытовой технике – RCA)
или 
D-Sub 15 (для VGA)
до 300 МГц (UXGA), до 30 МГц (HDTV/1080i)
до 5-30 м
цифровой SDI (несжатое стандартное видео)
коаксиальный кабель 75 Ом
разъёмы BNC
 до 270 Мбит/с (стандарт),до 1300 Мбит/с (HDTV)
до 50-200 м
цифровой DVI-D
витая пара
разъёмы DVI
до 165/330 МГц
до 5 м
Аудиосигнал
аналоговый небалансный
экранированный кабель
разъёмы RCA
до 20 кГц
до 10-30 м
аналоговый балансный
экранированный кабель из витой пары проводов
разъёмы XLR
до 20 кГц
до 200 м

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» – помех по «земле». 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 и переходе на оптоволоконные линии связи.
 
Источник: Daily (.sec ru)