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高柔性电缆-电缆的选择与技术应用

文章出处: 作者: 责任编辑: 人气:-145 发表时间:2017-03-10
电缆由于应用在很多不同的环境,以致在外形上看起来由很大的区别。但不论任何的电缆类型,它们都是作为信号传输的一种导体。同轴电缆(Coaxial)是一种由两个导体组成的合成物,同轴电缆的中心导线用于传输信号,金属屏蔽网起了两个作用:一是作为信号的公共地线为信号提供电流回路,二是作为信号的屏蔽网,抑制电磁噪音对信号的干扰。
关键词:单根
导线、双绞线、同轴电缆、光纤
高柔性电缆
1.电缆的类型
电缆由于应用在很多不同的环境,以致在外形上看起来由很大的区别。但不论任何的电缆类型,它们都是作为信号传输的一种导体。这些不同类型的电缆,在传输不同信号的质量表现也有区别,除了部分特殊的应用,目前应用于音视频传输的电缆大致以单根导线、双绞线、同轴线和光纤为主.1.1.单根导线
单根导线是电缆最基本的一种类型(如电线),它由一条或一组在被塑料保护层包围的导线组成,这种电缆普遍用于传输低频的信号,比如电源、音频、计算机的ID码.
1.2.双绞线
双绞线是一个通用的称呼,导线的数量和绞合的类型并没有限制,但在电缆的结构上只有两种类型:带屏蔽网的双绞线(STP:ShieldedTwistedPair)和不带屏蔽网的双绞线(UTP:UunshieldedTwistedPair)。双绞线普遍在电信、互联网、专业音响中普遍应用,这种电缆由两条或两条以上独立的、互相绝缘的线缆连续绞合组成,被互相绞合的其中两条电缆称为组,传输阻抗一般为100_,单根导线的直径规格在20AWG(美国线缆标准:0.91mm)到24AWG(0.61mm)之间。双绞线是一种比较廉价的电缆,每一组导线具备同等的抗干扰能力,可以有效抑制外界的电磁干扰(EMI),也有效屏蔽了传输信号对外界的电磁干扰。
UTP电缆最普遍应用在电信传输和计算机网络环境,根据绞合的类型不同分为五类、超五类和六类电缆,一般可以达到100Mbps(每秒100百万位)的传输率。STP电缆在导线组的外围增加了一层编织金属网或锡箔,更有利于提高信号抑制外界无线电电波的冲击。STP电缆的每个连接头的金属外壳都必须保持与屏蔽网的良好接触。
1.3.同轴电缆
同轴电缆(Coaxial)是一种由两个导体组成的合成物,同轴电缆的中心导线用于传输信号,金属屏蔽网起了两个作用:一是作为信号的公共地线为信号提供电流回路,二是作为信号的屏蔽网,抑制电磁噪音对信号的干扰。中心导线与屏蔽网介于半发泡的聚丙烯绝缘层之间,绝缘层决定了电缆的传输特性,而且有效保护了中间的导线。
同轴电缆被广泛应用于音视频或射频的传输,传输阻抗一般为75_,已经成为视频的标准阻抗(早期也会利用50_阻抗特性进行视频传输)。优质标准的同轴电缆一般比双绞线的价格更昂贵,因为同轴电缆可靠的物理特性,能够提供优良的音视频表现。信号的频率、分辨率以及电缆的有效传输距离在音视频系统中起了决定作用。
1.4.光纤
光纤电缆(OpticCable)信号长距离传输的最好选择,光纤传输是一种基于光电转换取代电子传输的技术手段。光纤传输的简易原理是:模拟电信号传给光发射机,经信号缓冲电路和驱动电路,将输入的电压信号转变成电流信号,驱动发光管或者激光器。这样,输入的电信号转换为光信号,通过精确光对准和引导,耦合进入光纤。
光信号经光纤传输后,在接收端光信号被一个波长相配的光电二极管转换成原来的电子源,经低噪声线性放大器放大后再输出。
光纤信号传输避免了传统电缆传输的许多缺点,具备很多电缆传输无法比拟的优点;优异的抗电磁干扰:长距离电缆传输中,电缆自身就是一根巨大的天线,会拾取周围空间存在的电磁波信号,特别是在显示系统更为突出,这类干扰信号在图像显示中表现出无法消除的颗粒噪音,光纤电缆的核心是玻璃,而且传输的是光信号,不容易受外界电磁波的干扰。很小的体积:大多数的光纤与人体的头发一般粗细。
很低的衰减:因为光纤传输是依靠玻璃导管完成,不存在信号因为电缆电阻、容抗引起的大幅度衰减,光纤极大的提高了传输的带宽能力和传输距离。光纤的高度安全:光纤传输的信号内容不容易被窃听。
虽然光纤似乎是信号传输的终极方法,但也有一些不利点;
较高的价格:光缆、发射器、接收器价格昂贵
较高的人工:在光缆的布管布线过程,需要众多的人力资源和特殊工具。虽然光信号在光纤中传输损耗很低,但是在发射端和接收端进行的电光、光电转换对信号的衰减却很厉害。所以要保证无插损传输,就必须在传输中加入高增益多级放大器,还要保证电路能稳定工作.
2.电缆的结构
多数的视频电缆只是在两个相邻设备之间连接,这么短的距离,似乎没有很多需要考虑的问题。但是在一个完善的视频系统中,这些视频设备甚至遍布于建筑的每一个角落,传输线缆完全成了至关重要的因素。传输线缆的那些因素会最直接影响视频信号的最终效果?我们以同轴电缆的单一传输为例进行说明。
2.1.导线的结构类型
导线指电缆中心用于传输电子的导体,最普遍使用的材料是铜。铜线是最经济有效的传输方式之一,其他的材料包括铝、银和黄金.
同轴电缆根据线径的不同,外形的大小有差异。导线的结构分为两种:单根电缆和多根电缆组合。单根电缆的结构容易成型,但保护外皮和绝缘层比较坚硬,所以显得没有什么柔性。多根电缆由许多小线径的电缆绞合成型,增加了线缆的柔性。一般认为单根电缆的传输质量要优于多根组合的模式.
2.2.导线直径的计量
原则上,同等的条件越粗的电缆越能进行更长距离的传输,因为同样的长度,粗电缆比细电缆具备更低的直流阻抗.
2.3.电介体
电介体也即是电缆的绝缘体,在同轴电缆中担任了双重的角色:一是电介体介于导线与屏蔽网之间,形成了保护导线的重要组织;另一个更重要的角色是它确定了电缆的物理特性。比如电缆的阻抗和容抗。阻抗为75_电缆的电介体通常是半发泡的聚乙烯.
2.4.屏蔽网
屏蔽网在电缆中把导线和电介体严密的包围起来,起了两个作用:一是作为信号的公共地线为信号提供电流回路,二是作为信号的屏蔽网,抑制电磁噪音对信号的干扰。屏蔽网的结构以金属编织网和锡箔最常见。金属编织网比锡箔具备更低的直流阻抗,但对电磁干扰的屏蔽率只有90%,锡箔对电磁干扰的屏蔽率高达100%。所以很多专业的线缆会采取金属编织网与锡箔双重屏蔽结构,可以更有效的提高信号的信噪比.
2.5.保护层
保护层是对电缆内部所有成份进行全面保护的一层外皮,很容易受气温、化学药品、液体和日光的影响。电缆的保护层必须适应任何条件的安装环境。这些标准被NEC(NationalElectricCode)管理而且有UL(美国保险商实验所)认证:阻燃认证:电缆保护层的常用原料是绝缘良好且廉价的PVC(聚氯乙烯),阻燃认证要求电缆不但有特殊的防火保护层,而且要使用特别的绝缘材料,可以防止电缆暴露产生的烟火事件。通过阻燃认证的电缆可以在户外空间使用,室内应用可以不需要管道防护.
无卤素认证:大部分电缆的PVC保护层在制造过程都会广泛应用卤素(Halogen)作为混合物,卤
素具备极高的阻燃和绝缘化学特性,但在高温下会产生有毒的烟雾(主要成分是瓦斯)。无卤素的电缆保护层在高温时不会产生烟雾和有毒的气体,这是欧洲的安全标准(编号:IEC33203、IEC61034和IEC754-1)
3.电缆的性能和规格
3.1.长度
信号的衰减与电缆的长度成正比,电缆越长,衰减越大,这是电缆的物理定律。电缆的长度一般用英尺或公尺来标注,音视频信号通过长距离的电缆会造成信号的衰减,对最终效果的影响体现在信噪比降低、亮度降低、图像模糊和同步不良,这些明显的差异也成了对比电缆质量的依据(单位长度的电缆对传输同等信号的不同衰减量)。
3.2.频率
电缆的容抗和导线材料决定了传输信号频率的范围,在合适的传输距离内,如果出现图像模糊,多数是电缆没有达到高频传输的要求,造成信号的高频段损失。
3.3.干扰电缆同时也是一条巨大的天线,会吸收空间存在的电磁波。如果电缆没有屏蔽或屏蔽效果不良,任何类型的电磁干扰都会直接作用于有用的信号,降低信号的信噪比
3.4.温度
如同所有的电子电路一样,电缆的物理特性也会受环境温度的影响,电缆的物理参数在不同的温度范围有不同的表现。在工程应用时,电缆典型在墙壁、天花板和仪器架上覆设,因为这些地方的通风条件不会很理想,容易产生较高的温度。因此,选择电缆的允许使用温度范围应该适用于这些环境.
3.5.斜率
斜率是描述双绞线不同长度对信号传输产生的时间差,取决于双绞线的绞合工艺和绞合类型,当产生较大的时延误差时,需要对电缆进行斜率补偿.
3.6.阻抗
阻抗是描述电缆技术规格的重要参数之一,它为信号的正确流程建立了基线。这个信号的流程维护了整个系统的动力转换。
想象水流通过一条大口径的水管,只要水管直径保持一直,水流的结构和流程不会有变化。当这个水流被引入到一条小口经的水管时,情况发生了变化:由于瓶颈的存在,水流的结构被打乱,所有的水流不能同时通过瓶颈,引起部分水流产生反方向流动,而且最后还是被主流再次导入水的流程.
电缆传输阻抗的失配也会造成类似上述的现象:电子信号被再次导入对最初的信号影响称为反射,传送波与反射波相互干扰的结果使电压幅度形成驻波,用VSWR(电压驻波比)表示.在视频系统中,阻抗匹配是系统设计中需要严肃看待的问题。早期在同轴电缆BNC类型的连接头同时存在50_和75_两种规格,现在视频阻抗统一75_,50_阻抗的电缆和连接头目前只会在射频信号中应用。短距离的阻抗失配会影响图像的高频细节,引起画面出现“鬼影现象".
电缆对信号的衰减也称为插入损耗,单位是分贝(dB),正规的电缆会提供一张损失表,描述电缆在单位长度对不同频率的衰减值。比如某电缆的衰减值表示为-2.2dB/30m@100MHz是指这条电缆在30米长度时,传输100MHz带宽信号时会产生-2.2dB的插入损耗。电缆的插入损耗是累积的,而且对不同频率的信号衰减值也不一样。同样带宽的信号,电缆长度增加一倍,插入损耗也是增加一倍,比如上述的电缆在60米长度时,传输100MHz带宽信号时会产生-4.4dB的插入损耗。
虽然设计好电缆的插入损耗是必要的,但很多时候由于没有预先的计算,电缆插入损耗对系统的高频损失屡见不鲜。在这种情况下,前端电子补偿可能是唯一的解决方法。所以大部分的接口和线路驱动器都包含了可以调整的补偿电路,一般都具备电平(或增益)和峰值调整。利用30米的
ExtronBNC5-Mini电缆传输150MHz带宽信号,在信号不经过任何均衡和放大时,在150MHz频段出现了接近-12dB的插入损耗,而且0~150MHz频段的传输曲线非常陡峭;利用电子器材(比如接口、均衡器、放大器)对信号进行适当的电平和峰值调整后,不但将电缆的插入损耗减少到-3dB以内,而且使0~150MHz频段的传输曲线得到了非常平滑的响应.
4.1.电平控制
电平控制是为了补偿电缆插入对整个信号幅度的衰减,由于电缆的插入很容易对信号幅度造成5%或更多的衰减,比如一个模拟0.7V的信号,5%的电缆插入损耗可以达到35mV的信号衰减。通常电平控制被设定用于补偿低频部分的衰减,并恢复信号在正常的振幅电平(比如0.7V)
4.2.峰值控制峰值控制是为了补偿电缆插入对信号高频部分的衰减,高频段信号的衰减主要影响图像的细节。峰值控制可以克服高频信号在电缆传输产生的衰减曲线,但不会过渡提升信号的高频信息,高频信号的损失可能会另外产生噪音。在测试系统标准的时候,电平控制和峰值控制可以同时使用。在测试设备和显示器材的一些数据表明,依靠经验去计算电缆传输距离是造成系统失败的真正原因,虽然大部分设计师都已经意识到电缆是任何系统设计的最弱环节,但还是被安排在最后考虑的一项内容.
4.3.直流电阻
电阻的一种定义是“物质以热的形式妨碍电子流通的一种物理特性”,电阻是一种减慢电子的流动的导体的特性,单位是_(欧姆),用于简单表示导体对电流的衰减。电缆的直流电阻一般用_/千米表示,由电缆的材料、线径、尺寸和温度决定。直流电阻影响信号的电压(振幅),长距离的电缆传输或高阻值电缆都会使图像显得黯淡。举例来说,一个0.7Vp-p的视频信号经由60米长的电缆(电缆直流阻值41_)传输进行显示,显示端得到的真实可用的信号电平大约只有0.63Vp-p(信号电平损失大约10%)。良好的复合视频线缆一般每千米的直流电阻应该在35_以下。
4.4.电容容量
电容的定义是“在两个导体之间的电介体会储存电荷的一种特性”,可以解释电缆也是一个电容器,具备充电、放电的能力,在电缆中电容的单位用pF/m(微微法/每米)。同轴电缆存在的电容会影响视频信号的锐度和细节,这是由于视频信号可能存在一些黑色-白色的转变,电缆的电容特性会影响这个信号转变中上升和下跌的时间,也就是影响了视频信号在锐度和细节方面的改变。良好的复合视频线缆一般每米的电容分布应该在60pF以下。
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