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接地和屏蔽不好会导致传输线抑制外部电磁干扰能力的下降,体现在视频图像就是雪花噪点、网纹干扰以及横纹滚动等;
在信号传输线上形成尖峰干扰,造成通信错误。
平衡传输线路失衡也会在信号传输线上形成尖峰干扰。
静电放电除了会造成设备损坏外,还会影响存储器内的数据,使设备出现些莫名其妙的错误。
3、抗干扰的方法
从干扰源的分析了解到并没有特别的干扰源,消除或者减少上述干扰的理论探讨也有许多,如何针对闭路电视监控工程解决干扰问题,很少有文献涉及,下面就闭路电视监控工种中常见的干扰及解决方法进行些探讨。
视频信号的干扰在图像上表现为地花点和50HZ横纹滚动,对于雪花点干扰是由于传输线上信号衰减以及耦合了高频干扰所致,这种干扰比较容易消除,在摄像机与控制矩阵之间合理位置增加一个视频放大器,将信号的信噪比提高,或者改变视频电缆的路径避开高频干扰源,高频干扰的问题可基本上得到解决。
较难解决的是50HZ横纹滚动及进一步加高频干扰的情况,比如电梯轿厢内摄像机的输出图像。
为了抑制上述干扰,首先分析一下造成上述问题的原因。
摄像机要求的供电电源一般有三种:
直流12V、交流24V或220V,大多数工程应用中不从电梯轿厢的供电电源上取,而是另外布设供电电源给摄像机供电,摄像机输出图像经过一条软性的视频电缆从井道的上方或下方送出,视频电缆和供电电缆与轿厢的动力线捆绑在一起,当电梯运行时牵引电机运行产生的电磁场沿照明动力线传播,显然会影响摄像机供电电缆和视频电缆,当视频电缆的屏蔽层不够严密时,高频干扰就经视频电缆传回监视器。
而对于50HZ的横纹滚动根据电磁学理论知道视频电缆的屏蔽层可完全消除50HZ工频干扰。
由此可以推断这部分干扰不是通过视频电缆耦合过来,而是来自电源线和不合理的视频线联结。
对于图像中的高频干扰,因它的频带仍在8MHZ以内,采用空隙率为50%左右的屏蔽网可基本消防高频干扰,但要达到50%的空隙率屏蔽网根数需每个波长长度有60根以上,这样高的密度又会使电缆的柔韧性下降,比较好的方法是采用带有双层屏蔽的视频电缆。
视频电缆屏蔽层是接地的,如果视频信号“地”与显示器的“地”相对“电网地”的电位不同,即两处接地点相对电网“地”的电压差不同,那么通过电源在摄像机与显示器之间形成电源回路,这样50HZ的工频干扰进入显示器中,从图中的电气联接可以看出消除50HZ工频干扰方法有两种,一是想办法使各处的“地”电位与“电网地”的电位差完全相同,或者切断形成地环流的路径。
由于工程环境比较复杂,使各处“地”完全等电位比较困难,只能通过加大摄像机供电线缆的线径,尽可能降低地回路的电阻。
或者采用切断地环流回路的方法,在摄像机或显示器端有一端不接地,通常在显示器端不接供电电源的地,这样虽不能完全消除干扰但可大减少50HZ的干扰。
从上面的分析中看到,如果电源线上耦合上高频噪声,即使视频电缆的屏蔽电缆的屏蔽再好,也会将噪声送至显示器,因此摄像机的供电电源线最好也要屏蔽,上述措施需要在工程设计和施工时就要全面考虑才能实现,若到了系统调试时发现干扰存在可采用调制和解调的方法将噪声滤除,在摄像机端设一调制器将视频信号搬移到几十兆赫兹的频度段上,在显示器端设一低通滤波器将低于8NHZ的信号全部滤除,再经过解调将视频图像还原。
3.3监控系统的供电方式
监控系统的供电方式只有两种:
一种是集中供电方式即电源都引自一处,另一种是分布式供电,摄像机在安装位置附近取电源,从抗干扰效果的角度讲,集中供电方式更好一些,可以基本消除各处参考电位不等的情况。
总结表:
解决办法优点缺点
更换线缆方式
抗干扰同轴电缆(双绝缘双屏蔽的同轴电缆)可解决屏蔽问题所带来的干扰,适合于新工程设计使用;
造价高,不通用,施工要求高,不适合已完工工程使用;
双绞线收发器采用差分信号传输,可解决多数干扰问题;
适合于新工程设计使用;
工程施工不太方便,调试麻烦(亮度和色彩加权处理),不适合已完工工程使用不更改线缆,通过添加其他设备方式地线系列产品(主控室添加主要解决接地问题无法解决其他干扰问题视频加权放大模式(主控室添加)解决信号弱而导致的干扰信号压低问题不能解决其他干扰问题滤波模式系列产品(主控室添加)采用滤波方式解决某频段干扰问题,无法解决接地以及其他干扰问题阻抗转换系列产品(主控室和收端均装)解决阻抗不一致而导致的干扰无法解决其他干扰问题频率提升系列产品(主控室和收端均装)可解决该频段内的干扰问题,电源供电和接地问题难以解决
在录音扩声或音频传输过程中噪声是具有一定频率的纹波电压通过电源线路窜入音频设备的供电回路,普遍存在又非常令人头痛和不易解决。
通常组成音频设备的设备越多或信号传输距离越长,系统的噪声就越大;
甚至使得音频系统无法进行正常的录音或扩声工作。
音频系统噪声形成的机理较为复杂,针对系统噪声产生的主要原因和解决办法尤其重要。
噪声产生的主要原因
电磁辐射干扰噪声
环境的杂散电磁波辐射干扰,如手机、对讲机等通信设备的高频电磁波辐射干扰,电梯、空调、汽车点火、电焊等电脉冲辐射,演播厅灯光控制用可控硅整流控制设备的辐射都会通过传输线直接混入传输信号中形成噪声或穿过屏蔽不良的设备外壳干扰机内电路产生干扰噪声(实践表明在一些特殊的场合,如大量使用可控硅调光设备的演播厅等,如果没有采取可靠的屏蔽和接地措施,噪声将会很严重)。
电源干扰噪声
除电磁辐射外,电源部分引入干扰噪声也是产生噪声的主要原因(城市电网由于各种照明设备、动力设备、控制设备共同接入,形成了一个十分严重的干扰源(如接在同一电网中的灯光调控设备、空调、电机等设备会在电源线路上产生尖峰脉冲、浪涌电流、不同频率的纹波电压),通过电源线路窜入音频设备的供电电源,总会有一部分干扰噪声电压无法通过音频设备的电源电路有效的滤除,将必然会在设备内部形成噪声(尤其是同一电网中的电磁兼容性能达不到要求的大功率设备是干扰音频设备的主要原因)。
接地回路噪声
在音频系统中,必须要求整个系统有良好的接地,接地电阻要4欧姆。
否则音频系统中设备由于各种辐射和电磁感应产生的感应电荷将不能够流入大地,从而形成噪声电压叠加到音频信号中。
在不同设备的地线之间由于接地电阻的不同而存在地电位差,或在系统的内部接地存在回路时,则会引接地噪声,2个不同的音频系统互连时,也有可能产生噪声,噪声是由2个系统的地线直接相连造成的。
设备内部的电路噪声
由于内部电子元件产生的电噪声在一台设备单独工作时,可以达到要求的指标。
但是当多台设备级连时其噪声就会积累增加。
实践应用中,有些低档次的设备会因为内部电源滤波不良,使得设备本身的交流声增大,在系统中有时会形成很严重的噪声。
排除噪声的办法
系统的正确连接
在音频系统中,一般连接的设备很多。
不同设备有不同的接口形式,使用的接插件各不相同。
有平衡和不平衡的输入输出形式,为有效地屏蔽外界的电磁辐射干扰,必须统一使用屏蔽电缆并采用正确的方法连接。
众所周知,当音频信号传输采用平衡式传输方式时,则外部干扰源对电缆内的2根信号线的每根线产生的共模干扰电平对地环路几乎相等。
在设备内部放大器的输入端,2根信号线上的共模电压将换成差模电压而相互抵消,形成不了干扰电压。
所以应尽可能使用平衡式的连接方式。
在与不平衡的输出设备连接时,可直接用单芯屏蔽电缆,将平衡设备的端口和不平衡设备的端口连接。
而不采用平衡--不平衡变换器。
屏蔽层感应的噪声混入到音频信号中,从而增加噪声。
这将是引入噪声的一个主要途径。
建议采取的方法是,无论采用平衡或不平衡的传输,都采用双芯屏蔽电缆,并且屏蔽层只在平衡输出或输入的一端接地,如图1。
当两端都是不平衡的连接时,如果传输距离较远,最好使用平衡--不平衡转换器或音频隔离变压器转换为平衡式传输,如图2所示。
现在的音频设备的连接普遍采用电压跨接方式连接。
即所有音频设备的线路输出都是低阻输出,而作为负载的线路输入端则都采用高阻抗输入,除了功放和音箱的连接外,一般不需要专门考虑阻抗匹配。
良好的接地处理
为使带屏蔽层的电缆能够屏蔽外界的杂散电磁干扰。
屏蔽层必须要有正确的连接和良好的接地。
实践中,所有的设备悬浮,是在没有专门的地线条件下最常采用的一种措施。
但这是一种极不稳定的工作状态,往往会产生不稳定的随机噪声,所以整个系统要良好接地。
首先应设有专门的地线,且接地电阻小于4欧姆。
不能采用电源的零线作为音频系统设备的地线。
在室外场所,可以考虑埋设临时性地线,最简单的办法是用一根一米长左右的钢管或铝合金管插入地下,并做侵盐处理,效果很好。
一般的系统都是有多台设备通过电缆连接起来的链路系统。
很容易由其屏蔽系统组成链式接地方式。
当某台设备上产生电磁辐射或静电感应噪声时,会由于传输线的屏蔽层和铁质设备外壳组成的接地系统使得整个系统产生感应电压。
进而使系统产生一定的噪声电平,此类干扰在链路较长的音频系统上尤为明显。
所以系统要尽量避免使用链式接地方式,而应使用星型接地方式。
即每一台设备通过专门的地线接到统一接地点上,这就要求连接所有设备的音频电缆的屏蔽层要一端接地。
接屏蔽层处各设备的地线通过专门的导线一个接地点连接,如图3所。
如果信号传输线两端的屏蔽层都接地,必然形成接地回路。
当该回路受到其它设备的电磁辐射干扰时,在电缆的屏蔽层必然会出现感应电流,以致产生严重的干扰噪声,形成地回路噪声干扰,如图4所示。
为保证系统不出现地环路结构,要求各设备间只能有一条接地导线互连,在要求不严谨的场合。
可以让不平衡设备悬浮,通过音频信号线共用下一级设备的地线。
也就是采用链形接地,但这种链形接地的级数不能太多,一般不超过2级。
否则将使噪声严重增加。
机壳间的相连问题也应引起重视,比如许多设备安装在同一机架上,如果每个设备单独连接了地线,2台设备因为安装在同一机架上而使得机壳相连,当然形成了接地回路。
系统的隔离
在一些大型的音频系统中,往往由以多台调音台为中心的子系统组成,或要和视频设备系统互连。
有时还要向远端的声视频系统传输信号,广播电台甚至常用电话线路传输音频广播直播信号。
这些远距离的连接,由于不同的子系统都有各自独立的接地系统,每个子系统一旦地线相连,必然形成接地噪声,如图5所示;
另一方面,由于传输的距离较长,传输线屏蔽层的接地电阻会增大,甚至用了非屏蔽传输线等等,就容易引入大量的外界电磁场辐射干扰噪声。
在实际应用中,如果每个系统单独工作,噪声可通过合理的连线和接地控制在允许的电平内,但当多个子系统互连后,即使用了单端屏蔽接地或长线分段接地处理,也没有办法解决长距离传输造成的辐射干扰噪声。
尤其用庞大的电话网络传输时,这时最好的措施就是采用隔离的办法。
在多个系统间加装音频隔离变压器使之互相隔离。
多个子系统的地线不得相连,用光隔离的办法彻底隔离不同的子系统,如图6所示,效果较好。
电源净化
为了隔离公共电网形成的干扰噪声,最好或一般采用隔离净化电源或隔离变压器,隔离变压器或净化电源的接地端一定要保证有可靠、良好的接地。
否则隔离的效果不好。
要和一些干扰较强的大功率电器隔离,单独供电,或在音频设备的电源输入端加装滤波器将干扰噪声滤除。
有时也可以通过改变单相供电的音频设备的火线和零线输入的位置,找到噪声最小的一种连接插法。
这样也可以使一些噪声干扰降低,还要注意音频传输线不得和电源线平行布线,要将音频线和电源线交叉布线,也可可降低交流噪声干扰。
一、前言
随着社会的发展,闭路电视监控系统在各领域中应用越来越多。
在不同的环境,不同安装条件和不同施工人员下,由于线路和电气环境的不同,或是在施工中的疏忽,容易引发各种不同的干扰。
这些干扰会通过传输线缆进入闭路电视监控系统,造成视频图像质量下降、系统控制失灵、运行不稳定等现象。
因此了解视频干扰对闭路电视控制系统的方式,针对不同情况采取相应的措施来解决干扰问题,提高闭路监控系统的工程质量非常有必要。
干扰主要体现在数字通信通讯线和视频图像的干扰上,解决干扰的关键在于工程开始施工时就要全盘考虑上抗干扰措施,这样才能从根本上解决干扰问题。
二、监控系统中的信号类型分析及影响方式
分析可知,视频监控系统中传输信号的类型主要有两类:
一类是数字信号包括矩阵与摄像机之间的控制信息传输,矩阵中计算机部分的数字信号。
各种高频噪声比如大电感负载启停,接地电位不等引入的工频干扰,平衡传输线路失衡使抑噪能力下降将共频干扰转成了差模干扰,传输线上阻抗不匹配造成信号的反射使信号传输质量下降,静电放电沿传输线进入设备造成接口芯片损伤或损坏。
由于阻抗不匹配造成的影响在视频图象上表现为重影。
在信号传输线上会将在脉冲序列的前后沿形成震荡。
震荡的存在使高低电平间的阈值差变小,当震荡的幅值再大或有其他干扰引入时就无法正确分辨出脉冲电平值,导致通信时间变长或通信中断。
接地和屏蔽不好会导致传输线抑制外部电磁干扰能力的下降,体现在视频图象就是雪花噪点、网纹干扰以及横纹滚动等;
平衡传输线路失衡也会在信号传输线上形成尖峰干扰。
三、干扰分析步骤
前——摄像机系统,包括摄像机电源部分——用监视器直接观察视频信号,用直流小监视器观察可避免交流电路干扰影响;
中——传输线路部分,电缆,电缆头和电缆中间接点质量;
用加权抗干扰器“有效,无效”可以准确判断;
后——指传输末端设备(分配器、分割器、矩阵、硬盘录像机等相关相联设备),末端供电系统和接地线路引入的干扰;
用12V电池供电的摄像机信号,直接送给末端设备判断。
不同部位的干扰解决的方法不同:
只有中间传输部分的干扰,属于常见的“环境电磁干扰”,用各类视频抗干扰器解决,一般都有一定的效果。
选择抗干扰器原则是:
抗干扰带宽是否够?
残余干扰程度(干扰抑制能力)大小?
是否具有传输补偿(衰减和失真)能力?
如果是前端和后端设备干扰,用加权抗干扰器的结果都应该是“无效或效果不明显”;
这类干扰包括两种:
一是设备故障和问题,包括摄像机本身问题、电源问题、电压降低问题,后端设备、电源、板卡本身问题等,解决办法是查找和排除设备故障;
第二种干扰属于“传导干扰”:
包括监控设备之间通过连线和电源线相互耦合的干扰,监控设备通过供电系统、接地系统传导引入的各种干扰。
四、视频干扰的主要表现形式和原因
1、监视器的画面出现一条白杠或黑杠,并且向上或向下滚动,也称50HZ工频干扰。
这种干扰多半是前端与控制中心两个设备接地不当引起电位差,形成环路进入系统引起的,或是由于设备本身电源性能下降引起的。
2、视频有雪花噪点。
这类干扰的产生主要是由于传输线上的信号衰减以及耦合了高频干扰所致。
3、视频图像有重影,字符抖动等。
这是由于视频传输线或是设备之间的特性阻抗不是75Ω而导致阻抗不起配造成的。
4、斜纹干扰,跳动干扰,电源干扰。
这些干扰产生的原因多而复杂比如视频传输线质量不好,或是供电系统有杂音引起的,还是系统附近有强干扰源。
5、单频干扰。
主要是因视频电缆线的芯线与屏蔽网短路、断路造成或是由于BNC接头接触不良引起的。
图一典型的视频监控系统原理图
此类系统容易产生图像在监视器上有斜纹干扰或是出现滚动的黑杠。
从表现的形式,我们可以判断产生干扰的原因来自于线路干扰和电源干扰。
下图为干扰形式的等效电路。
注意干扰信号Vi是由电缆纵向分布参数决定的,不是一个集中的点信号源,它在视频信号传输回路中,负载得到视频信号的同时也得到了干扰信号。
它属于“加性干扰”,始终存在。
图二干扰形成等效电路图
四、抗干扰的措施
1、数字信号传输中的抗干
弱电系统工程中数字信号的传输通常指长线传输,常见的方式有:
通过调制、解调方法在电力线或视频线上传输数字信号;
通过工业标准的通信网络进行传输,比如RS422、RS845、RS485;
自行开发的自动式传输。
三者相较,常见的还是RS422、RS485,故重点讨论RS485数字通信抗干扰方法。
S485总线是采用差分平衡电气接口,具有较强的抗电磁干扰能力,但在实际工程RS485总线并未达到人们期望的效果。
问题往往出现在以下几个方面:
第一网络拓扑不合理,未按照总线型网络拓扑布线,成为事宜上的星型拓扑;
传输线与接收和发送端设备连接不正确,削弱了平衡线的抗干扰能力;
第三公用双绞线,未进一步采取抗干扰措施,比如采用屏蔽双绞线。
虽然在造成干扰的方式上有所不同但在干扰的表现形式上只有两种:
一种是反射增加了信号畸变程度;
一种是外部的干扰由于平衡条件被破坏,共模干扰变成了串模信号进入传输线。
解决方法:
根据电磁理论,减少长线上信号反射的唯一途径是阻抗匹配,若通信风格拓扑为总线型,阻抗匹配比较容易实现,但若是星型网络拓扑,根据工程经验则可进行匹配,在发送端串上与传输线特征阻抗相同的电阻R0,在接收端按图所示进行连接,其中R1>R2,R=(R1*R2)/(R1+R2)=R0。
在发送R0一般是驱动门输出内阻的5倍以上,可以得到较高的发送电平,接收的匹配阻抗是经5伏电源形成的,在阻抗匹配的同时减少了吸收功耗,这样既减少了的射,又不会因为增加了匹配电阻吸收过多的信号功率,信号的电平阈值差变小。
双绞线作为RS485传输一对电磁感应噪声有较强的抑制能力,但对静电感应引起噪声的抑制能力较差,因此RS485传输线应选用屏蔽双绞线。
双绞线的屏蔽层要正确接地,这里讲的“地”应是驱动总线逻辑门的“地”,而非“机壳地”、“保护地”,但在许多实际设备上往往没有给出接地连接端,所以在这种情况下就需要引一条线将屏蔽与驱动逻辑门集成电路的地相连。
2、接地干扰
前端设备的“地”与控制室设备的“地”相对“电网地”的点位不同,即“地”的电动势不同那么通过电源在摄像机与矩阵之间形成电源回路,视频电缆屏蔽层又是接地的,这样50HZ的工频干扰进入矩阵,产生干扰。
一是切断形成地环流的路径,在摄像机一段不接地,并且做好与安装支架绝缘措施。
值得一提的是首先排除由于同轴电缆过长,中间接头处理不当,屏蔽网碰到金属线槽产生的干扰情况。
二是想办法使各处的“地”电位与“电网地”的电位差完全相同。
或者采用切断地环流回路的方法,在摄像机或显示器端有一端不接地,通常在显示器端不接供电电源的地,这样虽不能完全消除干扰但可大减少50HZ的干扰。
3、电源干扰
1、由于供电系统的电源不“洁净”而引起的。
这里所指的电源上叠加有干扰信号。
这种信号大多来自电网中使用可控硅的设备,特别是大电流高电压的可控硅设备。
2、摄像机要求的供电电源一般有三种:
直流12V、交流24V或220V,大多数工程应用中不从电梯轿厢的供电电源上取,而是另外布设供电电源给摄像机供电,摄像机输出图像经过一条软性的视频电缆从井道的上方或下方送出,视频电缆和供电电缆与轿厢的动力线捆绑在一起,当电梯运行时牵引电机运行产生的电磁场沿照明动力线传播,显然会影响摄像机供电电缆和视频电缆,当视频电缆的屏蔽层不够严密时,高频干扰就经视频电缆传回监视器。
而对于50HZ的横纹滚动根据电磁学理论知道视频电缆的屏蔽层可完全消除50HZ工频干扰。
对于原因1可采用具有滤波和稳压功能的净化电源从而有效地防止电网过电压和欠电压以及滤除高次谐波对系统的干扰,并将系统采用分离式供电方式加装UPS就能基本解决电源干扰问题。
对于原因2由于图像中的高频干扰,因它的频带仍在8MHZ以内,采用空隙率为50%左右的屏蔽网可基本消防高频干扰,但要达到50%的空隙率屏蔽网根数需每个波长长度有60根以上,这样高的密度又会使电缆的柔韧性下降,比较好的方法是采用带有双层屏蔽的视频电缆。
如果电源线上耦合上高频噪声,即使视频电缆的屏蔽电缆的屏蔽再好,也会将噪声送至显示器,因此摄像机的供电电源线最好也要屏蔽,上述措施需要在工程设计和施工时就要全面考虑才能实现,若到了系统调试时发现干扰存在可采用调制和解调的方法将噪声滤除,在摄像机端设一调制器将视频信号搬移到几十兆赫兹的频度段上,在显示器端设一低通滤波器将低于8MHZ的信号全部滤除,再经过解调将视频图像还原。
监控系统供电方式有两种:
4、由传输线引入的空间辐射干扰
这种干扰现象的产生,多半是因为在传输系统、系统前端或中心控制室附近有较强的、频率较高的辐射源。
在系统建立之前,应避开或远离辐射源;
当无法避开辐射源时,分析辐射源的频率特性和基本特征后对前端设备加强屏蔽,如果在工程要求允许的情况下,可采用质量和屏蔽效果更好的双绞线为系统的传输线,常用的视频信号传输可用同轴电缆、光纤或双绞线,用双绞线传输时需可视频转换适配器。
还有其他方法,一种是频率分割,即把控制信号调制在与视频信号不同的频繁范围内,然后同视频信号一起传送,到现场后再把它们分解开;
另一种方法是利用视频信号场消隐期间传送控制信号。
这种方法在短距离传送时明显比其他方法要好,但设备的价格相对也比较昂贵。
传输线的管路采用钢管并良好的接地,传输线应尽可能短且与设备接触良好,尽量减少信号损失。
常用视频传输电缆如下图三。
图三视频传输电缆
5、阻抗不匹配
由于传输线的特性阻抗不匹配引起的故障现象,这是由于视频传输线的特性阻抗不是75Ω或者是设备本身的特性阻抗不是75Ω而导致阻抗失配造成的。
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