Системы видеонаблюдения находят все большее применение в общих системах охраны зданий, помещений, территорий. И в первую очередь это связано с тем, что за последние 10-15 лет стоимость видеокамер, видеомониторов и устройств записи видеоизображения достаточно резко снизилась, а качество передаваемого от видеокамеры изображения и методы его записи и хранения достаточно резко улучшилось. Появилось много разнообразных специализированных плат, встраиваемых в компьютер, позволяющих производить перевод аналогового сигнала от видеокамеры в цифровые сигналы и записи этой уже цифровой информации на жесткий диск компьютера. По сравнению с популярными в прошлом аналоговыми видеомагнитофонами, современные устройства записи и хранения видеоинформации позволяют хранить полученное изображение на жестком диске «цифрового» видеорегистратора с последующим просмотром записи на отдельном мониторе, а так же и через компьютерные сети.
Самой простой системой видеонаблюдения служит та или иная видеокамера, соединенная линией связи с видеомонитором или подключенная на специальный вход компьютера. На Рис. 1А представлена схема включения видеокамеры на вход видеомонитора посредством линии связи с применением РК кабеля. На Рис.1Б представлена схема соединения видеокамеры на специальный вход компьютера посредством так же РК–кабеля. В качестве РК кабеля как правило выбирают радиочастотный кабель типа RG-59. Данный кабель имеет волновое сопротивление 75 Ом, что соответствует стандартному волновому сопротивлению в той или иной видеоаппаратуре. Если применять радиочастотный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, то при возникающей несогласованности в волновых сопротивлениях разъемов, входных и выходных волновых сопротивлениях аппаратуры и кабеля связи на изображении могут возникать «размытости», вызванные отраженными сигналами от мест несогласованности волновых сопротивлений. И чем длиннее такая несогласованная линия связи, тем больше вероятность появления эхо-сигналов на изображении.
Установка видеокамер наблюдения в достаточно близком расположении от видеомонитора или видеорегистратора (как правило до 30-60 метров) скорее всего является той или иной частной задачей, которая не является типовой для системы охраны или видеонаблюдения. Как правило, на таких расстояниях до 30-60 метров от видеокамеры до видеомонитора у монтажников не возникает ни каких проблем и, тем более, если видеокамеры устанавливаются внутри здания, в тех или иных его помещениях. Но большинство задач по установке в эксплуатацию систем видеонаблюдения сводится к установке видеокамер как уличных, так и внутри помещений с протяженностью линий связи порядка от 300 до 1500 метров. Некоторым основным правилам установки таких систем и посвящен данный материал.
ВИДЕОСИГНАЛ.
Стандартным видеосигналом от аналоговой видеокамеры считается сигнал со следующими параметрами:
Уровни кадровых и строчных сигналов расположены ниже нулевой линии (по осциллографу). Стандартное значение действующего напряжения строчных и кадровых импульсов -0.4…-0.5 В. Эти сигналы позволяют видеомонитору «развернуть» на экране видеоизображение, передаваемое от видеокамеры. Если сигналы кадровых или строчных импульсов будут иметь меньший уровень (0.1 В, например), то видеоизображение на видеомониторе может «срываться». Если данные сигналы будут иметь достаточно большие значения – например 1…1.5 В, то возможно искажение изображения от видеокамеры, которое будет выражено в так называемом «изломе» картинки. Выше нулевой линии видеосигнала (по осциллографу) расположен сам видеосигнал с его информативной частью. Максимальное значение действующего значения напряжения видеосигнала не должно превышать уровень + 1В. Уровень напряжения видеосигнала + 1 В – это уровень «белого» цвета, а уровень напряжения видеосигнала «0» В – это уровень «черного» цвета на мониторе. К сожалению абсолютный уровень в «0» В мы никогда не увидим, т.к. электронная схема видеокамеры, матрица видеокамеры имеют собственные шумы и значение «черного» цвета лежит выше нулевой линии. Одним из параметров видеокамеры служит параметр отношение сигнала «белого» цвета к сигналу «черного» цвета, который характеризует динамический диапазон поступающего от видеокамеры сигнала, выраженный в дБ. Как правило, данный параметр редко бывает хуже 42…46 дБ. Так же в выходном сигнале от видеокамеры присутствует еще целый ряд вспомогательных сигналов, но данные сигналы, по большому счету, к вопросам данного материала отношения не имеет. Практически все схемы видеокамер оснащены так называемым выходным защитным резистором, позволяющим схеме видеокамеры сохранять работоспособность при случайном замыкании контактов выходного разъема видеокамеры. Величина этого резистора зависит от максимально допустимой нагрузки по току выходных микросхем схемы видеокамеры. В результате, при подключении видеокамеры к видеомонитору образуется следующая цепочка: последовательно линии связи внутри видеокамеры установлен защитный резистор с сопротивлением R1, далее последовательно подключается сопротивление длинной линии связи (сопротивление центральной жилы РК кабеля) с полученным переменным сопротивлением (в зависимости от конкретной длинны линии связи) R2 и входным резистором между центральной жилок РК кабеля и экраном РК кабеля – R3 – входное сопротивление видеоаппаратуры равное 75 Ом. Получается делитель напряжения из R1, R2 и R3. Напряжение на входе видеомонитора или видеорегистратора будет следующим: (U вых. видеокамеры на холостом ходу (без линии связи) / (R1+R2+R3)) * R3. Допустим, что U вых. видеокамеры имеет значение 1 В. Выходное сопротивление защиты, установленное внутри видеокамеры, например, имеет значение 20 Ом, входное сопротивление видеоаппаратуры имеет значение 75 Ом. Сопротивление центральной линии связи, допустим, имеет сопротивление 5 Ом. Таким образом получаемый на входе видеомонитора сигнал от видеокамеры будет иметь значение, равное (1/ (20 + 5 + 75)* 75 = 0.75 В. Стандартный видеосигнал на входе видеоаппаратуры должен имеет действующее значение 1 В, а не 0.75 В. Для получения стандартного нормального видеоизображения на мониторе – на входе видеомонитора должен присутствовать стандартный видеосигнал с действующим значением 1 В, а не 0.75 В. Большинство видеомониторов оснащены схемой АРУ – автоматической регулировкой усиления. Такая схема позволяет поступающий на вход видеомонитора видеосигнал от видеокамеры нормализовать по амплитуде и уже на внутреннюю схему видеомонитора поступает нормализированный по амплитуду видеосигнал. Разумеется, что схемы АРУ имеет некий допустимый диапазон напряжений входного видеосигнала по амплитуде, который они могут нормализовать. Но в настоящее время видеомониторы применяют крайне редко, а в большинстве своем применяют видеорегистраторы и стандартные компьютерные видеомониторы, которые не имеют схемы АРУ. По этому, на видеовходы видеорегистраторов, плат «видеозахвата» должен поступать нормированный видеосигнал со стандартной амплитудой по напряжению. Допускается некий разброс амплитуды видеосигнала поступающего на вход видеосигнала, но не более 5…10% для большинства видеорегистраторов. Таким образом, что бы нормализовать поступающий на вход видеорегистраторов видеосигнал от удаленной видеокамеры, необходимо применение видеоусилителей с регулировкой выходной амплитуды сигнала. Помимо этого длинная линия связи с применением РК кабеля вносит достаточно незначительные затухания видеосигнала по низкой частоте, но достаточно высокое затухание по высокой частоте видеосигнала. Самая информативная часть видеосигнала как раз и лежит в области высоких частот. Это различимость мелких объектов на видеоизображении. Ориентировочно, область высоких частот в видеосигнала имеет границы от 500…700 кГц до 6,5 МГц. Так называемый «завал» частотной характеристика видеосигнала в этой области частот и вызывает достаточно резкое ухудшении качества передаваемого видеоизображения по длинной линии связи. Рассмотрим частотные свойства популярного РК кабеля RG-59. На частоте 1 МГц – затухание составляет 0.78 дБ/100 метров. На частоте 5 МГц затухание сигнала составляет уже 1,75 дБ/ на 100 метров. А на частоте 7 МГц затухание составляет 2,1 дБ /на 100 метров. Допустим, что линия связи имеет длину по кабелю равную 300 метров. Следовательно, затухание видеосигнала на частоте 5 МГц составит примерно 5,25 дБ. Это означает, что сигналы от видеокамеры на частоте 5 МГц по уровню амплитуды будут ослаблены на входе монитора примерно в два раза. По этому, необходимо применение линейных видеоусилителей, которые позволяют нормализовать поступающий на вход видеоаппаратуры сигнал как по общему уровню, так и компенсировать затухание высокочастотной части видеосигнала в линии связи. Применение линий связи с использованием РК-кабеля целесообразно для одиночно установленных удаленных видеокамер и на расстоянии по длине линии связи не более 300 –500 метров. Это связано с тем, что длинная линия связи с применением РК кабеля является достаточно хорошей антенной для различного типа электромагнитных наводок. А так как данная линия связи является несимметричной линией связи, то компенсация наведенных помех достаточно затруднительна. При длинах линии связи более 250–350 метров целесообразней применение симметричных линий связи («витая пара»). Это обусловлено тем, что электромагнитные наводки на такую длинную линию связи одинаково воздействуют на проводник «А» и «В», т.е. в этих проводниках возникает одинаковая по амплитуде импульсная наводка. А оборудование передачи и приема видеосигнала по симметричным линиям связи («витой паре») позволяет активно бороться с наведенными паразитными электрическими помехами и их подавлять по уровню на 40-50 дБ (уменьшать в 400-500 раз). Но это справедливо только к активным передатчикам и приемникам аппаратуры передачи видеосигнала по симметричным линиям связи и в которых применены специализированные для этой задачи микросхемы.
При подключениях длинных линий связи с применением РК кабеля между видеокамерой и видеомонитором или видеорегистратором возникает проблема заземления. Как правило, видеомонитор или видеорегистратор заземляется. Внешняя удаленная видеокамера находится так же, как правило, в защитном кожухе. Корпус видеокамеры механически через крепежные винты соединен с внешним кожухом. Внешний кожух посредством кронштейна закрепляется на столбе, стене здания. Внешняя оплетка РК – кабеля при подключении видеокамеры автоматически соединяется с корпусом самой видеокамеры и так же автоматически получается соединенной с металлическим кронштейном. Получается схема видеонаблюдения, показанная на Рис.2А.
Если столб или стена здания имеют металлические полосы заземления и кронштейн видеокамеры соединен с такими полосами заземления, то получается, что оплетка РК кабеля в этой точке установки видеокамеры соединяется с шиной заземления, имеющий потенциал E2. А с другой стороны оплетка РК кабеля соединяется с шинами заземления, имеющими потенциал E1. Между потенциалами E2 и E1 через оплетку РК кабеля начинает течь ток, который может быть как переменным, так и постоянным, а так же и смешанным. Величина протекающего тока в данном случае, будет зависеть от разности потенциалов в точках E1 и E2 и при этом могут протекать и высокочастотные токи, которые будут создавать помехи на видеоизображении. Так же эти токи могут привести к выходу оборудования из строя. Для устранения этого явления, необходимо все аппаратуру заземлять в одной точке и лучше это делать в центральной точке системы, которой является Пост видеонаблюдения. Видеокамеры устанавливаются в кожухах через изолирующие прокладки, как показано на Рис.2Б. А сам кожух заземляется в месте установки данной видеокамеры.
Но применение длинной линии связи с РК кабелем (начиная от 50…70 метров и более) влечет за собой применение линейных видеоусилителей. Задача линейного видеоусилителя сводится к компенсации потерь сигнала от видеокамеры в длинной линии связи как по низкой частоте (общий коэффициент усиления), так и по высокой частоте. Это связано с тем, что РК кабель имеет разную величину затухания сигнала на частотах 100 Гц, 1000 Гц, 1 МГц, 8 МГц. И зависимость коэффициента затухания в РК кабеле от частоты не линейна. Как правильно поставить линейный усилитель видеосигнала в системе?
Если поставить линейный видеоусилитель между окончанием длинной линии связи и видеорегистратором, то такая схема более удобна для монтажника. Данная схема представлена на Рис.3А. Но данная схема имеет существенный недостаток. Любая длинная линия связи имеет собственные шумы в широком спектре частот – так называемый собственный шум линии связи. Плюс к этому, на линию связи воздействуют радиопомехи и наводки. По этому в линии связи присутствует напряжение Uшума, который состоит из Uсобств. шума линии связи + U шума наведенного. Входная схема видеорегистратора так же имеет собственные шумы. Отношение Uc/Uшума на входе видеорегистратора будет ниже (хуже) из-за того, что линейный видеоусилитель будет усиливать помимо полезного сигнала так же и шумы линии связи. На Рис.3Б представлена схема правильной установки линейного видеоусилителя. Он устанавливается непосредственно вблизи видеокамеры и передает по линии связи уже усиленный сигнал от видеокамеры.
Видеосигнал от видеокамеры имеет спектр от 25 Гц до 6.5 МГц, в общем случае. Следовательно, та или иная измерительная аппаратура должна имеет входное сопротивление не менее 10 кОм (чтобы не «грузить» измеряемый сигнал) и данное сопротивление в диапазоне частот от 25 Гц до 10 МГц. В противном случае качество и правильность измерений будет не соответствовать действительности. К сожалению, таких ручных тестеров нет. Единственным и доступным инструментом, позволяющим измерить видеосигнал, является осциллограф. Им можно измерить те или иные общие параметры видеосигнала которые нас интересуют. Но осциллограф показывает не действующее значение переменного сигнала, а амплитудное его значение. Uд * 1.41 = Uампл. Схема измерения сигнала показана на Рис. 3В. Необходимо на выходе линии связи (РК кабеля) включить резистор сопротивлением 75 Ом, как показано на рисунке, имитируя входное сопротивление видеорегистратора, видеомонитора или платы видеозахвата. Производить измерение и настройку видеоусилителя по видеосигналу (расположенному выше «нулевой линии» осциллографа) достаточно сложно, т.к. уровень напряжения сильно зависит от таких параметров, как освещенность объекта, на который направлена камера, уровень открытия диафрагмы. Достаточно легко настроить видеоусилитель (а так же и любой тракт передачи видеосигнала) по кадровым и строчным импульса, т.к. они не зависят от параметров видеосигнала. Достаточно темным колпачком закрыть объектив видеокамеры. В выходном сигнале от видеокамеры останутся в основном только кадровые и строчные импульсы. Регулировкой коэффициента усиления на плате видеоусилителя необходимо добиться амплитуды строчных и кадровых импульсов (расположенных ниже «нулевой линии» осциллографа) по значению от -0.4В до значения -0.65В. На этом настройка коэффициента усиления как видеоусилителя, так и всего тракта передачи видеосигнала будет закончена.
Протяженные линии связи таят в себе не только ослабление полезного сигнала в линии связи и установку видеоусилителей. На длинную линию связи воздействуют электромагнитные волны радиостанций, паразитные электромагнитные наводки и помехи от того или иного электрооборудования, разряды зарниц и молний. Существует мнение, что от многих подобных «бед» могут спасти трансформаторы. Трансформаторы имеют гальваническую развязку и тем самым обеспечивают не попадание на видеоаппаратуру паразитных токов. К сожалению это не так. Как правило, трансформаторы для систем видеонаблюдения имеют две обмотки – входная и выходная обмотки развязывающего трансформатора. Как правило, эти обмотки идентичны. Да, трансформатор – это такое устройство, которое может осуществлять преобразование переменного входного тока первичной обмотки в переменное магнитное поле внутри сердечника трансформатора. А затем это переменное магнитное поле сердечника трансформатора наводит преобразуется в электрический ток на нагрузке, которая включена на вторичную обмотку трансформатора. Постоянный ток, а в следствии и постоянное напряжение, трансформатором не передается. Типовая схема включения развязывающих трансформаторов показана на Рис.4А.
Как уже написано выше, спектр видеосигнала занимает полосу от 50 Гц до 6.5 МГц. В этом диапазоне работают длинноволновые, средневолновые вещательные радиостанции, а спектр электромагнитного разряда молнии лежит от самых низких частот до сотен МГц. При воздействии электромагнитных наводок на блинную линию связи, в длинной линии связи наводятся так называемые наведенные электрические помехи, которые успешно передаются этими трансформаторами. Но у таких трансформаторов есть так же спектр частот, электрические сигналы которых они пропускают достаточно хорошо, а наведенные электрические сигналы в длинной линии связи которые по своему спектру выше полосы пропускания этими трансформаторами достаточно сильно ослабляются. Но к рассматриваемым проблемам эти частоты не имеют уже ни какого отношения, т.к. они лежат выше спектра видеосигнала и визуальную видео картинку на мониторе искажают, но очень и очень незначительно. При разрядах молнии помеха все равно будет искажать или «сбивать» изображение в следствии того, что разряд молнии имеет достаточно широкий частотный спектр. Обратим внимание на то, что такие трансформаторы вносят амплитудно-частотные искажения в передаваемый видеосигнал от видеокамеры к видеомонитору. Это связано с тем, что такие трансформаторы не имеют одинакового КПД во всем спектре частот видеосигнала. На Рис. 4Б показаны характерные графики АЧХ таких трансформаторов. Создать абсолютно линейный сердечник трансформатора, который бы имел одинаковые значения электромагнитного потока при одинаковых входных параметрах входного сигнала на всех частотах от 50 Гц до 6.5 МГц практически невозможно. Да и самое лучшее КПД на оптимальной частоте данного сердечника ни когда не будет равным 100%. Отсюда можно сделать следующие выводы, что развязывающие трансформаторы в системах видеонаблюдения:
- не обеспечивают предотвращения попадания паразитных электрических наводок на входы-выходы подключенной видеоаппаратуры в следствии работы различных радиостанций и создающих помехи передаваемого видеоизображения;
- не обеспечивают попадание на входы-выходы видеоаппаратуры импульсных электрических наводок большой амплитуды в следствии грозовых разрядов и которые могут вывести видеоаппаратуру из строя;
- вносят амплитудно-частотные искажения передаваемого сигнала от видеокамеры на видеомонитор, что ухудшает качество передаваемого изображения в той или иной мере;
- ослабляют передаваемый сигнал двукратно, что требует установки линейных видеоусилителей даже при коротких линиях связи;
- компенсировать каким-то видео эквалайзеров измененную АЧХ передаваемого сигнала до того, который имеет место на выходе видеокамеры практически невозможно;
- позволяют произвести развязку передающей и приемной видеоаппаратуры по постоянному току.
На сколько актуален один единственный положительный пункт при применении таких трансформаторов достаточно сложно характеризовать поскольку входы и выходы видеоаппаратуры не имеют на своем выходе–входе постоянной составляющей.
Помехи в линии связи и защита от больших импульсных помех.
На длинную линию связи практически всегда воздействуют электромагнитные помехи. Эти помехи вызваны работой различных радиостанций у которых рабочая частота лежит в частотном спектре видеосигнала, а так же и работа различных приборов и станков, замыкание электрических щеток электродвигателей и т.п. Длинная линия связи является достаточно хорошей антенной. Данные помехи, как правило, незначительны и только в редких случаях вносят значительные искажения в передаваемое изображение от видеокамеры. Избавиться от них практически невозможно при несимметричной линии связи, которой является коаксиальный РК-кабель. Защитой от таких помех может служить только прокладка РК кабеля в металлическом канале («гофре»). Такой металлический и заземленный через каждые 25 – 50 метров канал имеет защитное ослабление помех на уровне 30–40 ДБ. Цельная металлическая труба, используемая в качестве канала для прокладки РК – кабеля и так же заземленная через каждые 25 – 50 метров ослабляет электромагнитные наводки по уровню на -70-90 ДБ. Но такая прокладка РК – кабеля используется достаточно редко. В большинстве случаев РК–кабель подвешивают к металлическому тросу и все. В этом случае избавиться от постоянных электромагнитных помех практически невозможно. Но, как уже было написано выше, такие помехи достаточно малы по своей мощности и не вносят значительных искажений в передаваемый по линии связи видеосигнал от удаленной видеокамеры. Но существуют в природе грозы с их достаточно большими по мощности грозовыми разрядами молний. Грозовые разряды достаточно редки, но их электромагнитные волны наводят большие электрические наводки на линию связи, которые могут достаточно часто выводить видеоаппаратуру из строя. Для борьбы с такими большими электромагнитными наводками, вызванными грозовыми разрядами, в линии связи устанавливают защитные устройства. Такие защитные устройства ограничивают максимальные напряжения в той или иной линии связи и тем самым обеспечивают непопадание на входы-выходы видеоаппаратуры напряжений, которые могут данную аппаратуру вывести из строя. На Рис.5А показана типовая схема установки устройств защиты («грозозащиты») без заземления.
При возникновении в линии связи напряжения помехи большей по уровню, чем предусматривается в нормальной работе, устройства защиты ограничивают уровень сигнала по заданному максимально допустимому уровню сигналов в линии связи. Разряд молнии по времени длится от 0.1 до 0.6 секунды. Наведенная импульсная помеха от грозового разряда имеет свою мощность, которая зависит от удаленности разряда молнии от линии связи, от мощности самого разряда молнии. Импульсная помеха устройством защиты ограничивается по напряжению, а избыточная мощность помехи рассеивается на элементах защиты переходя в тепловую энергию выделяющуюся на элементах защиты. Как правило, в большинстве случаев достаточно иметь такую защиту, которая бы позволяла рассеивать импульсную помеху с импульсной мощностью до 1,5 кВт. Но там, где по природным условиям грозы достаточно часты, то лучше применять для линий связи с РК-кабелем защиты с заземлением. Общая схема таких защит показана на Рис.5Б. Такие защиты более качественные. Единственным условием в таких защитах является условие напряжения пробоя (начало работы защиты) между защитой и заземлением. Оно должно быть большим, чем напряжение между точками заземления E1 и E2. В противном случае если разность напряжений между точками заземления E1 и E2 будет большей, то тогда защита будет постоянно и кратковременно срабатывать, а это срабатывание будет создавать помехи в передаваемом видеоизображении от видеокамеры на видеомонитор или видеорегистратор.
Помимо защиты входов-выходов видеоаппаратуры от наведенной на кабель импульсной наводки, необходимо защищать саму видеоаппаратуру от повышенного питающего напряжения. При разрядах молнии электромагнитные наводки так же могут спровоцировать повышенное питающее видеоаппаратуру напряжение или неисправность линии питающего напряжения. По этому, устройства защиты по цепям питания так же необходимы в системах видеонаблюдения.
Можно кратко сформулировать 10 основных правил установки систем видеонаблюдения.
1. Применение осциллографа в работе монтажных организаций для установки и проверки уровней видеосигнала в тех или иных точках тракта передачи. Применение тестера в работах для определения в линиях связи обрыва или короткого замыкания.
2. Использование в качестве длинных линий связи до 300-400 метров в качестве линии связи РК-кабель или симметричную линию связи «витая пара», а при длинах линий связи более 400 метров использование в качестве линии связи только симметричную линию связи – «витую пару».
3. Установка линейных видеоусилителей при использовании в качестве линии связи РК-кабель начиная с длин линий связи от 100 метров.
4. Установка только активных приемников и передатчиков видеосигнала по симметричным линиям связи при любой длине самой линии связи.
5. Установка устройств ограничения паразитных сигналов в линии связи (устройств «грозозащиты») с двух сторон длинной линии связи.
6. Использование в качестве держателя воздушной линии связи металлические троса, гальванически развязанные с опорами или точками заземления.
7. Прокладка воздушных линий связи в металлических рукавах с периодичным их заземлением.
8. Применять устройства защиты и ограничения питающих напряжений видеоаппаратуры.
9. Производить заземление всех оплеток РК-кабелей в одной точке.
10. Гальванически развязывать корпус видеокамеры от ее кожуха, а сам кожух видеокамеры должен иметь заземление.
Применение в своей работе при монтаже систем видеонаблюдения этих простых и основных 10 правил поможет Вам устанавливать качественно системы видеонаблюдения.
По материалам сайта VTS - http://www.v-t-s.ru
Взято с http://www.os-info.ru
