ОПТА-ВИДЕО :: Коаксиальный кабель – проблемы транспортировки контента. Часть 1

Самый «древний» и самый простой способ передачи видеосигнала по коаксиальному медному кабелю. В телевидении существует несколько типов видеосигналов, которые транспортируются с помощью медного 75-омного кабеля: композитный - Y, S-video – YC, компонентный - Y/Pr/Pb, и цифровой SDI.

Композит или компонент.

Традиционно для передачи видеосигнала, например, от студии к вещательной аппаратной использовался композитный видеосигнал, который передавался по одному кабелю. Как известно и эфирный вещательный телевизионный сигнал является композитным и занимает диапазон частот до 6 мГц. Композитным он стал с появлением цветного телевидения, когда в эту полосу разработчики «втиснули» сигналы цветности. Это было компромиссом и платой за цветное изображение, В результате полоса яркостного сигнала ограничилась верхним значением в 3,2 мГц, что, по мнению инженеров в те далекие времена не могло заметно ухудшить четкость изображения. У современных же инженеров на основании этого зачастую складывается неправильное представление о расчета кабельной линии: для черно-белого изображения - 3,5мГц, а для цветного - 5,5 мГц, ведь все равно выше звук. В результате в эфире «мыло», а вина перекладывается на некачественное оборудование. К таким же результатам приводят и экономия на интерфейсах, когда при возможности компонентного соединения устройств используется композитное или элементарное небрежное отношение при прокладке кабеля и его эксплуатации, когда он затаптывается, перегибается.

Попробуем со всем этим разобраться.

Когда в наши задачи входит конечная передача сигнала уже в телецентр на передатчик без дальнейших преобразований можно смело использовать композитный сигнал, ведь все равно он в таком виде и уйдет в эфир.

Другое дело, когда видеосигнал транспортируется через какие-либо транзитные устройства. Например, из студии новостей на микшерный пульт вещательной аппаратной, а затем уже на модулятор передатчика.

Любое устройство, прежде чем преобразовывать, микшировать или обрабатывать композитный видеосигнал декодирует его на компонентные составляющие, а затем обратно кодирует.

На несколько утрированных графиках хорошо видно, какие метаморфозы происходят с композитным видеосигналом при цифровой обработке: а) нормальный, б) после подавления высокочастотной составляющей, в) оцифровка и аппроксимация. Хорошо видно, что восстановить, что восстановить исходный сигнал будет невозможно. Тем не менее, если бы осталась высокочастотная составляющая у аналого-цифрового преобразователя было бы больше точек «зацепки» и конечный результат был бы более похож на изначальный.

Таким образом, используя компонентный или, в крайнем случае, S-videoинтерфейс можно добиться более четкого изображения при передаче сигнала через транзитные устройства, в которых происходит его преобразование.

Однако при передаче компонентных сигналов на дальние расстояния могут возникнуть проблемы. В первую очередь из-за увеличения стоимости не только самого кабеля, но и устройств коррекции и подавления помех, с раздельными регулировками регенерации сигналов яркости и цветности. К тому же из-за неоднородности проводимости кабелей на разных частотах возможны временные сдвиги фаз между сигналами.

Таким образом, сложность в эксплуатации и существенное удорожание не позволяют использовать компонентные линии для транспортировки видеосигнала на дальние расстояния. Тем более что появление цифровых протоколов обмена данными существенно снизило уровень проблем для передачи компонентного сигнала. Что касается композитного – он, думаю, еще много лет будет использоваться в производстве, оставаясь дешевым и простым транспортом для видеоконтента.

Традиционно в телевизионном производстве используется 75-омный кабель типа RG-59 (РК75-3,7-33ф), который может несколько различаться в зависимости от модификации и производителя, в том числе и по цене. Кстати кабель, который производится на территории СНГ (РК-75), обладая достойным качеством и низкой ценой из-за жесткости очень неудобен для монтажа. Поэтому если вы решили работать с этим кабелем, делайте поправку на время и трудозатраты. А дешевые китайские радиобазарные кабели полностью не пригодны ни для каких целей кроме как для бельевой веревки.

В связи с мягкостью изолятора, в нем нарушается расстояние между центральной жилой и оплеткой не только после изгиба, оно уже нарушено когда на заводе его смотали в бухту. Это приводит к изменению волнового сопротивления. И как результат ухудшение проводимости, отражение сигнала ит.д.

Основным показателем качества кабеля является его АЧХ. Обычно это логарифмическая зависимость затухания сигнала (дБ) на определенной частоте (мГц) на 100 метров длины кабеля. На графике представлены АЧХ нескольких кабелей ведущих производителей соответствующих типу RG-59. Несмотря на некоторые различия все АЧХ вполне удовлетворяют требованиям видеопроизводства.

Выбирая кабель для сигнала с частотным диапазоном 50Гц-6мГц, мы должны рассчитывать его исходя из полосы 50Гц-10мГц. И вот почему. На формирование фронта и спада импульсов основное влияние оказывает энергия, заключенная в колебаниях до третьей гармоники (около 80%), влияние других гармоник менее существенно. Учитывая, что негармонический видеосигнал, представляет собой смесь гармонических колебаний, спектр которых находится в диапазоне до 10мГц, стоит обратить внимание на АЧХ кабеля, которая неравномерна и круто заворачивает вверх с повышением частоты. Потери на 100 метрах кабеля на частотах близких к 10мГц лежат в пределах 2,5-5 дБ, что составляет 25-45% амплитуды от входного сигнала на высокочастотных гармониках. Добавив, что реальная аттенюация всегда будет больше номинальной можно смело утверждать, что падение уровня высокочастотной составляющей может быть двукратной. Соответственно это не может не отразиться на четкости видеосигнала, особенно на резких, пиковых изменениях яркости.

Это сделать не сложно. Полоса пропускания полного цветного телевизионного сигнала составляет – 6мГц. Приблизительно основная частота = полоса пропускания/2 = 3мГц. Соответственно 3 гармоника будет в районе 9мГц. В характеристиках кабелей ближайшая табличная частота затухания на 100 м – 10 мГц. У РК75-3,7-33ф она равна 2,46 дБ, у Belden 8241 – 3,6 дБ, у CanareLV-61S – 4,2 дБ. Допустим, мы хотим подать сигнал на коммутатор Kramer VS-16N, у которого допустимый минимальный уровень входного сигнала -3дБ. В соответствии с характеристиками кабеля можно посчитать коэффициенты пересчета для длин кабеля: РК75 – 3 дБ / 2,46 дБ = 1,22; Belden 8241 – 3 дБ / 3,6 дБ = 0,83; Canare LV-61S – 3 дБ / 4,2 дБ = 0,71. Умножив результаты на 100, мы получим соответственно возможные длины кабеля: 122, 83, 71 метров.

В первую очередь это влияние так называемых паразитных токов сетевой частоты, которые могут возникать из-за подключения оборудования к разным фазам сети переменного питания. Возникновение «земляной петли» из-за разности потенциалов между неправильно заземленными приборами (может достигать нескольких десятков вольт, что небезопасно для персонала и оборудования), фоновые наводки от силовых линий. И банальные плохие контакты.

В результате на телевизионной картинке могут появляться темные горизонтальные полосы, в некоторых случаях может даже срываться синхронизация.

На одной из телекомпаний мне пришлось столкнуться с такой проблемой, когда после реконструкции в аппаратной студии включили оборудование, на всех 12 мониторах наблюдался характерный фон 50 Гц, а в акустических системах гул. Аппаратная запитывалась от одной фазы, приборы были тщательно заземлены звездой, отключены от внешних линий, никаких силовых линий вблизи не было. Что бы полностью отвязаться от внешнего влияния, оборудование запитали через источник бесперебойного питания с двойным преобразованием. Одного только не заметили, что даже при небольшом изменении положения кабелей шевелением руки наводки на экранах гуляли в такт. Как оказалось, разводка была сделана 50-омным кабелем RG-58, что уже не правильно, хотя при совсем коротких расстояниях не так уж и существенно. Но обжимался он коннекторами для кабеля RG-59, думали, что зазор в один миллиметр дожмут мускулами. Внешне так и получилось, но незначительное, казалось бы, переходное сопротивление в 1-2 Ома между оплеткой и разъемом сыграло злую шутку – ввод аппаратной отложили на несколько дней, все разъемы были заменены под пайку.

Для устранения других остальных влияний на видеосигнал, которые не порождены человеческой глупостью, существует несколько проверенных методов. В некоторых случаях можно воспользоваться частичными мерами. Например для того что бы избавиться от «земельной петли» достаточно развязать гальванически источник и приемник видеосигнала. Самый простой метод это установка развязывающего трансформатора. К сожалению достаточно узкая и неравномерная АЧХ плюс низкое КПД, как у любого пассивного устройства не способствовали большому распространению этих недорогих средств в системах профессионального телевидения. Трансформатор производства компании Kramer – TR-1 имеет полосу пропускания всего 5,7 мГц.

Устройства с оптической развязкой, например Kramer OC-1N, имеют гораздо более высокие характеристики: полоса пропускания 20 мГц, при отношении сигнал/шум 69 дБ.

Тем не менее, наиболее эффективными и комплексными решениями для коррекции видеосигнала являются специальные кабельные корректоры. Я хорошо помню «корректоры Стрижевского» - ВКСЛ, которые и сейчас используется на многих телекомпаниях СНГ. Они до сих пор актуальны и надежны, но к сожалению не производятся. Из 20 корректоров 1977 года выпуска все до сих пор в строю, были заменены лишь электролиты. Простейшая, схема, основанная на дифференциальном усилителе, позволяла корректировать кабельные линии на расстоянии 300 метров по всем необходимым параметрам.

Сейчас эти приборы стали более сложными и функциональными, с переходом на HDTV полоса пропускания расширилась до 1,5 гГц, но это уже совсем другая история.

После принятия в 1993 году рекомендации SMPTE-259M, стандартизирующей параметры нового интерфейса – SDI (SerialDigitalInterface) мир телевидения перевернулся. Внутристудийное производство теперь строится только на базе SDI. Инженеры вздохнули свободно. Борьба с наводками, потерями прекратилась. Более того, учитывая цифровую природу сигнала, принимающие устройства стали работать без проблем с сигналом ослабленным на 20 и даже 30 дБ. Транспортировать сигнал стало проще, дальше, удобнее. Соответственно расчет линий также упростился.

Согласно рекомендации SMPTE-259M поток видеоданных для полноценной передачи сигнала стандартного качества PAL D1 составит 270 мб/с. Половина тактовой частоты для такого сигнала составит – 135мГц. Следует запомнить, что для сигналов SDI и HD-SDI потери рассчитываются всегда от половины тактовой частоты. Учитывая, что сигнал цифровой, нас уже менее интересуют его гармонический составляющие, и мы можем ими пренебречь, поэтому расчет не обязательно делать по 3 гармонике. Допустим мы хотим передать сигнал на удаленное устройство усилитель-распределитель Kramer-6104. Чувствительность по входу этого прибора -30дБ (у подобных аналоговых устройств чувствительность всего -3дБ). Взяв табличные данные затухания сигнала на 100 метрах кабеля, получим для РК75-3,7-33ф - 8,9 дБ, Belden 8241 – 12,6 дБ, CanareLV-61S – 15,5 дБ. Произведя расчеты, по уже описанной методике получим, что максимально возможные длины кабеля составят: для РК75-3,7-33ф – 337м, Belden 8241 – 238м, CanareLV-61S – 191м.

Несмотря на свою цифровую сущность сигнал SDI также как и обычный аналоговый, хотя и в меньшей мере, подвержен влиянию внешних источников помех, которые могут быть как постоянными, так и временно внесенными. Поэтому, рассчитывая линии передачи, следует укорачивать длину кабеля на 10-15 метров, что бы организовать запас прочности. Эти данные могут указываться в документации производителя.

В этом расчете использовались данные обычных коаксиальных кабелей, хотя производители предлагают и специальные кабели для SDI. Они обладают повышенными характеристиками, но несколько дороже. Например, расчетная длина кабеля Belden 1505A для сигнала SMPTE-259M при затухании 8,9 дБ составила бы 337 метров, что на 100 метров больше чем для Belden 8241. Но по цене 1,8 евро за 1 метр.

С появлением новых видеоформатов, появились новые проблемы. Для того что бы предавать сигналы HDTV ,была принята новая рекомендация SMPTE -292M со скоростью передачи данных до 1,5 гб/с. Были приняты два точных битрейта: 1,485 гб/с для кадровых частот 60 , 50, 30, 25 , 24 Гц и 1,485/1,001 гб/с для кадровых частот 59.94 , 29.97 , 23.98 Гц. В этом же стандарте был определен битрейт с номиналом 3 гб/с для разрешения 1080p, однако он так и не был использован из-за непреодолимых технических и коммерческих сложностей. Впоследствии он был расширен рекомендацией SMPTE-372 в которой предусматривалась передача сигнала 1080p по двум коаксиальным линиям параллельно со скоростью 1,5 гб/с.

Легко подсчитать, что максимальная дальность передачи на частоте 750мГц даже по высокоточным кабелям типа Belden 1505A (аттенюация 21 дБ/100м) составит всего 143 метра. А если учесть что на входе стоит устройство с чувствительностью -20 дБ длина кабеля уменьшиться до 100 метров. Если в пределах небольшой студии можно уложиться в такие расстояния, то говорить о транспортировке куда-либо уже не приходится.