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高柔性電纜-電纜的選擇與技術應用

文章出處: 作者: 責任編輯: 人氣:-145 發表時間:2017-03-10
電纜由于應用在很多不同的環境,以致在外形上看起來由很大的區別。但不論任何的電纜類型,它們都是作為信號傳輸的一種導體。同軸電纜(Coaxial)是一種由兩個導體組成的合成物,同軸電纜的中心導線用于傳輸信號,金屬屏蔽網起了兩個作用:一是作為信號的公共地線為信號提供電流回路,二是作為信號的屏蔽網,抑制電磁噪音對信號的干擾。
關鍵詞:單根
導線、雙絞線、同軸電纜、光纖
高柔性電纜
1.電纜的類型
電纜由于應用在很多不同的環境,以致在外形上看起來由很大的區別。但不論任何的電纜類型,它們都是作為信號傳輸的一種導體。這些不同類型的電纜,在傳輸不同信號的質量表現也有區別,除了部分特殊的應用,目前應用于音視頻傳輸的電纜大致以單根導線、雙絞線、同軸線和光纖為主.1.1.單根導線
單根導線是電纜最基本的一種類型(如電線),它由一條或一組在被塑料保護層包圍的導線組成,這種電纜普遍用于傳輸低頻的信號,比如電源、音頻、計算機的ID碼.
1.2.雙絞線
雙絞線是一個通用的稱呼,導線的數量和絞合的類型并沒有限制,但在電纜的結構上只有兩種類型:帶屏蔽網的雙絞線(STP:ShieldedTwistedPair)和不帶屏蔽網的雙絞線(UTP:UunshieldedTwistedPair)。雙絞線普遍在電信、互聯網、專業音響中普遍應用,這種電纜由兩條或兩條以上獨立的、互相絕緣的線纜連續絞合組成,被互相絞合的其中兩條電纜稱為組,傳輸阻抗一般為100_,單根導線的直徑規格在20AWG(美國線纜標準:0.91mm)到24AWG(0.61mm)之間。雙絞線是一種比較廉價的電纜,每一組導線具備同等的抗干擾能力,可以有效抑制外界的電磁干擾(EMI),也有效屏蔽了傳輸信號對外界的電磁干擾。
UTP電纜最普遍應用在電信傳輸和計算機網絡環境,根據絞合的類型不同分為五類、超五類和六類電纜,一般可以達到100Mbps(每秒100百萬位)的傳輸率。STP電纜在導線組的外圍增加了一層編織金屬網或錫箔,更有利于提高信號抑制外界無線電電波的沖擊。STP電纜的每個連接頭的金屬外殼都必須保持與屏蔽網的良好接觸。
1.3.同軸電纜
同軸電纜(Coaxial)是一種由兩個導體組成的合成物,同軸電纜的中心導線用于傳輸信號,金屬屏蔽網起了兩個作用:一是作為信號的公共地線為信號提供電流回路,二是作為信號的屏蔽網,抑制電磁噪音對信號的干擾。中心導線與屏蔽網介于半發泡的聚丙烯絕緣層之間,絕緣層決定了電纜的傳輸特性,而且有效保護了中間的導線。
同軸電纜被廣泛應用于音視頻或射頻的傳輸,傳輸阻抗一般為75_,已經成為視頻的標準阻抗(早期也會利用50_阻抗特性進行視頻傳輸)。優質標準的同軸電纜一般比雙絞線的價格更昂貴,因為同軸電纜可靠的物理特性,能夠提供優良的音視頻表現。信號的頻率、分辨率以及電纜的有效傳輸距離在音視頻系統中起了決定作用。
1.4.光纖
光纖電纜(OpticCable)信號長距離傳輸的最好選擇,光纖傳輸是一種基于光電轉換取代電子傳輸的技術手段。光纖傳輸的簡易原理是:模擬電信號傳給光發射機,經信號緩沖電路和驅動電路,將輸入的電壓信號轉變成電流信號,驅動發光管或者激光器。這樣,輸入的電信號轉換為光信號,通過精確光對準和引導,耦合進入光纖。
光信號經光纖傳輸后,在接收端光信號被一個波長相配的光電二極管轉換成原來的電子源,經低噪聲線性放大器放大后再輸出。
光纖信號傳輸避免了傳統電纜傳輸的許多缺點,具備很多電纜傳輸無法比擬的優點;優異的抗電磁干擾:長距離電纜傳輸中,電纜自身就是一根巨大的天線,會拾取周圍空間存在的電磁波信號,特別是在顯示系統更為突出,這類干擾信號在圖像顯示中表現出無法消除的顆粒噪音,光纖電纜的核心是玻璃,而且傳輸的是光信號,不容易受外界電磁波的干擾。很小的體積:大多數的光纖與人體的頭發一般粗細。
很低的衰減:因為光纖傳輸是依靠玻璃導管完成,不存在信號因為電纜電阻、容抗引起的大幅度衰減,光纖極大的提高了傳輸的帶寬能力和傳輸距離。光纖的高度安全:光纖傳輸的信號內容不容易被竊聽。
雖然光纖似乎是信號傳輸的終極方法,但也有一些不利點;
較高的價格:光纜、發射器、接收器價格昂貴
較高的人工:在光纜的布管布線過程,需要眾多的人力資源和特殊工具。雖然光信號在光纖中傳輸損耗很低,但是在發射端和接收端進行的電光、光電轉換對信號的衰減卻很厲害。所以要保證無插損傳輸,就必須在傳輸中加入高增益多級放大器,還要保證電路能穩定工作.
2.電纜的結構
多數的視頻電纜只是在兩個相鄰設備之間連接,這么短的距離,似乎沒有很多需要考慮的問題。但是在一個完善的視頻系統中,這些視頻設備甚至遍布于建筑的每一個角落,傳輸線纜完全成了至關重要的因素。傳輸線纜的那些因素會最直接影響視頻信號的最終效果?我們以同軸電纜的單一傳輸為例進行說明。
2.1.導線的結構類型
導線指電纜中心用于傳輸電子的導體,最普遍使用的材料是銅。銅線是最經濟有效的傳輸方式之一,其他的材料包括鋁、銀和黃金.
同軸電纜根據線徑的不同,外形的大小有差異。導線的結構分為兩種:單根電纜和多根電纜組合。單根電纜的結構容易成型,但保護外皮和絕緣層比較堅硬,所以顯得沒有什么柔性。多根電纜由許多小線徑的電纜絞合成型,增加了線纜的柔性。一般認為單根電纜的傳輸質量要優于多根組合的模式.
2.2.導線直徑的計量
原則上,同等的條件越粗的電纜越能進行更長距離的傳輸,因為同樣的長度,粗電纜比細電纜具備更低的直流阻抗.
2.3.電介體
電介體也即是電纜的絕緣體,在同軸電纜中擔任了雙重的角色:一是電介體介于導線與屏蔽網之間,形成了保護導線的重要組織;另一個更重要的角色是它確定了電纜的物理特性。比如電纜的阻抗和容抗。阻抗為75_電纜的電介體通常是半發泡的聚乙烯.
2.4.屏蔽網
屏蔽網在電纜中把導線和電介體嚴密的包圍起來,起了兩個作用:一是作為信號的公共地線為信號提供電流回路,二是作為信號的屏蔽網,抑制電磁噪音對信號的干擾。屏蔽網的結構以金屬編織網和錫箔最常見。金屬編織網比錫箔具備更低的直流阻抗,但對電磁干擾的屏蔽率只有90%,錫箔對電磁干擾的屏蔽率高達100%。所以很多專業的線纜會采取金屬編織網與錫箔雙重屏蔽結構,可以更有效的提高信號的信噪比.
2.5.保護層
保護層是對電纜內部所有成份進行全面保護的一層外皮,很容易受氣溫、化學藥品、液體和日光的影響。電纜的保護層必須適應任何條件的安裝環境。這些標準被NEC(NationalElectricCode)管理而且有UL(美國保險商實驗所)認證:阻燃認證:電纜保護層的常用原料是絕緣良好且廉價的PVC(聚氯乙烯),阻燃認證要求電纜不但有特殊的防火保護層,而且要使用特別的絕緣材料,可以防止電纜暴露產生的煙火事件。通過阻燃認證的電纜可以在戶外空間使用,室內應用可以不需要管道防護.
無鹵素認證:大部分電纜的PVC保護層在制造過程都會廣泛應用鹵素(Halogen)作為混合物,鹵
素具備極高的阻燃和絕緣化學特性,但在高溫下會產生有毒的煙霧(主要成分是瓦斯)。無鹵素的電纜保護層在高溫時不會產生煙霧和有毒的氣體,這是歐洲的安全標準(編號:IEC33203、IEC61034和IEC754-1)
3.電纜的性能和規格
3.1.長度
信號的衰減與電纜的長度成正比,電纜越長,衰減越大,這是電纜的物理定律。電纜的長度一般用英尺或公尺來標注,音視頻信號通過長距離的電纜會造成信號的衰減,對最終效果的影響體現在信噪比降低、亮度降低、圖像模糊和同步不良,這些明顯的差異也成了對比電纜質量的依據(單位長度的電纜對傳輸同等信號的不同衰減量)。
3.2.頻率
電纜的容抗和導線材料決定了傳輸信號頻率的范圍,在合適的傳輸距離內,如果出現圖像模糊,多數是電纜沒有達到高頻傳輸的要求,造成信號的高頻段損失。
3.3.干擾電纜同時也是一條巨大的天線,會吸收空間存在的電磁波。如果電纜沒有屏蔽或屏蔽效果不良,任何類型的電磁干擾都會直接作用于有用的信號,降低信號的信噪比
3.4.溫度
如同所有的電子電路一樣,電纜的物理特性也會受環境溫度的影響,電纜的物理參數在不同的溫度范圍有不同的表現。在工程應用時,電纜典型在墻壁、天花板和儀器架上覆設,因為這些地方的通風條件不會很理想,容易產生較高的溫度。因此,選擇電纜的允許使用溫度范圍應該適用于這些環境.
3.5.斜率
斜率是描述雙絞線不同長度對信號傳輸產生的時間差,取決于雙絞線的絞合工藝和絞合類型,當產生較大的時延誤差時,需要對電纜進行斜率補償.
3.6.阻抗
阻抗是描述電纜技術規格的重要參數之一,它為信號的正確流程建立了基線。這個信號的流程維護了整個系統的動力轉換。
想象水流通過一條大口徑的水管,只要水管直徑保持一直,水流的結構和流程不會有變化。當這個水流被引入到一條小口經的水管時,情況發生了變化:由于瓶頸的存在,水流的結構被打亂,所有的水流不能同時通過瓶頸,引起部分水流產生反方向流動,而且最后還是被主流再次導入水的流程.
電纜傳輸阻抗的失配也會造成類似上述的現象:電子信號被再次導入對最初的信號影響稱為反射,傳送波與反射波相互干擾的結果使電壓幅度形成駐波,用VSWR(電壓駐波比)表示.在視頻系統中,阻抗匹配是系統設計中需要嚴肅看待的問題。早期在同軸電纜BNC類型的連接頭同時存在50_和75_兩種規格,現在視頻阻抗統一75_,50_阻抗的電纜和連接頭目前只會在射頻信號中應用。短距離的阻抗失配會影響圖像的高頻細節,引起畫面出現“鬼影現象".
電纜對信號的衰減也稱為插入損耗,單位是分貝(dB),正規的電纜會提供一張損失表,描述電纜在單位長度對不同頻率的衰減值。比如某電纜的衰減值表示為-2.2dB/30m@100MHz是指這條電纜在30米長度時,傳輸100MHz帶寬信號時會產生-2.2dB的插入損耗。電纜的插入損耗是累積的,而且對不同頻率的信號衰減值也不一樣。同樣帶寬的信號,電纜長度增加一倍,插入損耗也是增加一倍,比如上述的電纜在60米長度時,傳輸100MHz帶寬信號時會產生-4.4dB的插入損耗。
雖然設計好電纜的插入損耗是必要的,但很多時候由于沒有預先的計算,電纜插入損耗對系統的高頻損失屢見不鮮。在這種情況下,前端電子補償可能是唯一的解決方法。所以大部分的接口和線路驅動器都包含了可以調整的補償電路,一般都具備電平(或增益)和峰值調整。利用30米的
ExtronBNC5-Mini電纜傳輸150MHz帶寬信號,在信號不經過任何均衡和放大時,在150MHz頻段出現了接近-12dB的插入損耗,而且0~150MHz頻段的傳輸曲線非常陡峭;利用電子器材(比如接口、均衡器、放大器)對信號進行適當的電平和峰值調整后,不但將電纜的插入損耗減少到-3dB以內,而且使0~150MHz頻段的傳輸曲線得到了非常平滑的響應.
4.1.電平控制
電平控制是為了補償電纜插入對整個信號幅度的衰減,由于電纜的插入很容易對信號幅度造成5%或更多的衰減,比如一個模擬0.7V的信號,5%的電纜插入損耗可以達到35mV的信號衰減。通常電平控制被設定用于補償低頻部分的衰減,并恢復信號在正常的振幅電平(比如0.7V)
4.2.峰值控制峰值控制是為了補償電纜插入對信號高頻部分的衰減,高頻段信號的衰減主要影響圖像的細節。峰值控制可以克服高頻信號在電纜傳輸產生的衰減曲線,但不會過渡提升信號的高頻信息,高頻信號的損失可能會另外產生噪音。在測試系統標準的時候,電平控制和峰值控制可以同時使用。在測試設備和顯示器材的一些數據表明,依靠經驗去計算電纜傳輸距離是造成系統失敗的真正原因,雖然大部分設計師都已經意識到電纜是任何系統設計的最弱環節,但還是被安排在最后考慮的一項內容.
4.3.直流電阻
電阻的一種定義是“物質以熱的形式妨礙電子流通的一種物理特性”,電阻是一種減慢電子的流動的導體的特性,單位是_(歐姆),用于簡單表示導體對電流的衰減。電纜的直流電阻一般用_/千米表示,由電纜的材料、線徑、尺寸和溫度決定。直流電阻影響信號的電壓(振幅),長距離的電纜傳輸或高阻值電纜都會使圖像顯得黯淡。舉例來說,一個0.7Vp-p的視頻信號經由60米長的電纜(電纜直流阻值41_)傳輸進行顯示,顯示端得到的真實可用的信號電平大約只有0.63Vp-p(信號電平損失大約10%)。良好的復合視頻線纜一般每千米的直流電阻應該在35_以下。
4.4.電容容量
電容的定義是“在兩個導體之間的電介體會儲存電荷的一種特性”,可以解釋電纜也是一個電容器,具備充電、放電的能力,在電纜中電容的單位用pF/m(微微法/每米)。同軸電纜存在的電容會影響視頻信號的銳度和細節,這是由于視頻信號可能存在一些黑色-白色的轉變,電纜的電容特性會影響這個信號轉變中上升和下跌的時間,也就是影響了視頻信號在銳度和細節方面的改變。良好的復合視頻線纜一般每米的電容分布應該在60pF以下。