非屏蔽双绞线上的视频传送视频基础

时间:2009/03/16 来源:专业视听网

关键词:

    摘要
    本文对现有的视频应用以及传输这些信号的各种各样类型的建筑/数据电缆的适用性进行了回顾。本文尝试对不同的参数以及要求进行分类,从而让最终用户能够做出经深思熟虑的决定。
    双绞线技术
    历史上,计算机数据均经由同轴电缆发送。在1970年代末,IBM开始考虑专门的双绞线电缆结构。与现有的双绞线相比,除了同样显示出双绞线技术在数字信号领域的优点之外,早期的双绞线结构非常大,并且与现在的双绞线类似之处也不多。这些双绞线的主要优点就是作为“平衡线”使用,以拥有共模抑制功能为特色,这种性能在同轴电缆中是不具备的。IBM推出了1类和2类双绞线电缆,最初打算用来传输4Mbps数据率的信号,后来的版本被定义为传输16Mbps(IBM的“令牌环”)的数据。最新一代以带宽更大(300MHz)为特色,能够利用基于铜线的FDDI技术把视频传输到桌面。 
    经过15年之后,在数字世界中出现了一种超越其它竞争对手的布线方案。其思想就是把跟电话一样古老的双绞线技术升级为数字版本的双绞线。这种在美国以及其它国家的家庭中采用的数据级双绞线通常被称为非屏蔽双绞线(UTP)。尽管屏蔽双绞线(STP、ScTP)也存在,但是,美国很少采用。美国国内大量安装的室内/数据电缆是UTP。在非数据应用中,应该能够利用最常见的安装电缆,因此,本文仅仅解决在替代应用中的UTP的使用。在Belden实验室正在进行的一部分测试将就性能进行比较,包括屏蔽线与非屏蔽线的噪声免疫性的比较,但是,这超出了本文的范围。
    用户应该注意到,下面介绍的一些平衡不平衡以及有源匹配网络需要采用屏蔽类电缆(STP、ScTP)。这些电缆比较难找、比较贵且非常难安装。在一些性能指标中,如串扰,采用UTP进行设计常常较好。
    随着数据率的增加,显然,需要采取一些措施来显示电缆的性能。当时时,一家主要的电缆产品分销商Anixter推荐了一种系统的“分级”方法。TIA/EIA是两个为数据行业设置标准的组织,它们采纳了该规划,并将数据率以及其它参数进行了“分类”。因此,我们现在才有了3、4、5、5e和6类电缆。
    3类电缆的数据率为16MHz,最常见的应用是电话布线。4类电缆的带宽是20MHz,现在不再是TIA/EIA标准。当5e类电缆获得批准时,5类电缆也出现在标准中。因为世界上已经安装了几十亿英尺的5类电缆,5类电缆仍然被包含在标准体系之中。每一类电缆均比以前的类别有更为严格的性能要求。
    对于没有经验的人来说,这些电缆常常看起来跟电话线完全一样。它们具有相同的色彩编码以及相同对数的线,并且常常采用相同的套接导体。然而,随着数据率的增加,它们的制作指标要求、所采用的材料以及对连接它们的要求变得越来越重要。
    下面简要列出了相关的术语以及定义:
    NEXT即“近端串扰”。在近端(源端)上,发送的信号最强。发送信号的那对双绞线可能把能量耦合到周围的双绞线上,从而造成它们的信号干扰到其它双绞线上的信号,这就称为“串扰”。568B.2标准详细说明了在不同频点处的最小串扰值。视频工程师可能会惊讶,传输模拟视频频率时,在UTP中可以获得良好的串扰值。
    PSNEXT是观测所有邻近双绞线对被测双绞线的“近端串扰功率总和”,而不是两对双绞线之间的近端串扰功率总和。当所有双绞线均被施加能量时,这样的测试就是“最坏情况测试”。要对每一种组合的测量结果取平均值。
    ATTENUATION是信号损耗,且常见于所有的信号传输系统。衰减用分贝进行测量。分贝是对数单位。-40dB以下的数据信号(原始强度的万分之一)被完全和方便地恢复。这一点不足为奇,因为大多数音频/视频工程师认为,模拟麦克风信号常常为-60dB且易于恢复。
    ACR是“衰减-串扰比”。把串扰从衰减中减去,可以获得显示整个电缆性能的一个数字。ACR为正,表示电缆的性能较高,特别是在高频时,性能更好。ACR非常类似于在模拟音频/视频世界中的信噪比。因此,在多个信号沿着四对双绞线传输,如平行的千兆网时,ACR可能是一个颇有价值的指标。对于也采用双绞线的非数据应用,如RGBS、VGA或多基带或宽带视频信号来说,ACR可能也是一个颇有价值的指标。
    PSACR 是“功率总衰减与串扰之比”,在此,围绕被测双绞线的所有双绞线均被供给了能量并且对测量结果取平均。
    DELAY SKEW是多对双绞线电缆之间的时间差。对于上面列出的所有电缆,最大容许的延迟偏差是45ns/100m。对于同时传输数据的多条双绞线来说,延迟偏差是至关重要的。诸如千兆以太网这样的格式把数据分离在四对双绞线上传输,因此,每一对双绞线上的信号同时抵达电缆末端就非常重要。对于一个完整的系统来说,任意四条路径之间的时间偏差不应该超过50ns。仅仅对于电缆而言,最大延迟为45ns/100m。在非数据应用,如RGB或VGA信号的传输中,具有低时间偏差的电缆(如MediaTwist和VideoTwist电缆)获得了广泛的应用。 
    PAIR TWISTING “敷设长度”。绷紧的双绞线可以极大地降低串扰,但是,对于电缆也有许多负作用。每单位长度所采用的铜材越多,电缆的价格就越高;而铜材越多,信号沿着双绞线传输所花的时间就越长(相对于其它双绞线),因此,衰减和延迟偏差均会恶化。如果你没有足够的信号强度,那么,在接收端就无法恢复信号,此时不论ACR有多高或串扰有多小均不重要。你真正想要的是:串扰和衰减均得到改善的电缆,以便改善ACR,从而在较高的频点获得正的ACR,并且不影响或可能甚至不降低延迟偏差。
    IMPEDANCE 表示数据电缆把信号从一个盒子传输到另一个盒子的能力。系统的阻抗,以及它连接到的盒子,详细定义了电缆的阻抗。TIA/EIA标准为5类电缆定义的阻抗为100Ω±15Ω。一些5类电缆满足这个规范的要求,其它的电缆要采用所谓的“Zo拟合”平滑公式。这就容许制造商忽略阻抗中的快速变化。
    RETURN LOSS显示在电缆内阻抗的所有变化。阻抗变化造成信号被反射回源端,因此,回损是直接信号与反射信号之比。其测量单位是分贝(dB)。对于较大的负数,表明越多的信号抵达目的地,而较少的信号被反射回源端。回损在说明电缆构造和安装的过程特别有效,例如过度的弯曲或伸展就会影响电缆的阻抗。在链路和通道测试中,回损可以说明安装不良的连接器、配线架以及其它被动硬件的影响。
    BANDWIDTH是信号传输可用的频率范围。它就是“通道的尺寸。”然而,了解通道的尺寸并没有告诉你通过它的流量如何?这是因为数据可以被压缩以占用较小的带宽。例如,100Mbps的数据信号可以在100MHz带宽的电缆上传输。或数据可以被安排并编码为在50MHz的带宽、30MHz的带宽或甚至更小的带宽上传输。实际上,对于经压缩的155Mbps(ATM)协议,31.25MHz数字通常被视为电缆的规格。因为编码方案是不透明的,只有采用以MHz表示的带宽来比较潜在的数据处理能力。如果你想比较电缆的信号传输能力的话,就要比较带宽。
    成本
    双绞线的优势在于性价比高。从成本上看,你可以购买比同轴电缆或光纤便宜得多的双绞线。尽管其它的两种系统也具有带宽优势,但是,这种优势会快速降低。标准的室内/数据电缆在一根电缆中包含四对双绞线,因此,每一对的实际成本是每英尺价格的1/4。
    测试
    虽然一些制造商表示,它们的电缆“经测试达到350MHz的带宽”(或一些其它高频),但是,以100baseT为例,在所需要的带宽为100MHz以上,许多制造商没有提供数据(阻抗、串扰、衰减、ACR、延迟偏差等等)。在较高频率上的阻抗变化常常为100Ω±50Ω,这些电缆实际不可用。如果所选择的电缆可能被用于这些已提高的频率上,至关重要的是掌握需要什么性能。正如将看到的那样,一些应用,如宽带/CATV需要的频率和带宽可能甚至远远高于最先进的双绞线的带宽。 
    平衡不平衡
    在本文中介绍的许多应用需要平衡不平衡变压器。平衡不平衡变压器主要是用来把平衡电缆与不平衡电缆匹配的器件,因此,被命名为BAL-UN(平衡-不平衡)。它们可能也包含诸如变压器这样的器件,以匹配电缆的阻抗,或改变一个器件源阻抗,并容许电缆的敷设距离更远。
    许多人认为,平衡不平衡变压器是一种无源器件。在那些无源平衡不平衡变压器中,它们常常是双向的,并且可以不管信号流动的方向随意使用。换言之,它们可以匹配一条平衡线与一条不平衡线,或反之亦然。然而,我们已经把平衡不平衡变压器的定义中包含了有源器件,这种器件只能让信号朝一个方向流动。尽管它们仍然把平衡信号转换为不平衡信号,但是,仍然保留了平衡不平衡变压器的名称。在这些有源器件当中,有些甚至不采用变压器,取而代之的是包含“有源平衡电路”来实现相同的目标。
    模拟基带视频
    “模拟基带视频”是具有(典型情况下)从直流到4.2MHz带宽的点对点视频单信道。采用UTP传输模拟视频存在三个主要问题:首先,大多数视频设备采用同轴连接器、BNC实现专业的安装以及用RCA实现消费应用的安装;第二,尽管UTP具有100Ω的阻抗,同轴系统的输出阻抗却是75Ω;第三,区别在于UTP技术是一种“平衡线”系统,而同轴电缆是“不平衡的”。你可以利用一只平衡不平衡变压器解决所有这三个问题。
    平衡不平衡变压器的主要问题是频率低,较高频率的信号不太容易通过。如果你要采用UTP来传输模拟视频,要确信你获得的关于平衡不平衡变压器的性能数据显示了整个工作范围的特性。广播质量的视频要求从工作频率到直流的整个性能。因为传统的变压器不能通过直流,所以,要采用其它方法来设计这些平衡不平衡变压器,如采用“共模扼流圈”。
    平衡也是一个重要的参数。一条线具有平衡的特性就意味着在双绞线中的两个导体是相同的(长度和尺寸相同)。它们越一致,并且它们靠的越近,平衡不平衡变压器就越能抑制由外面的双绞线产生的噪声和干扰。当噪声干扰两个导体时,在两根导线上就会出现一个由此产生的噪声“脉冲”,在电缆端点每一条导线上的噪声越一致,在平衡线上获得的噪声抑制(“共模抑制”)就越大。两个导体越不一致,而标准的POTS线常常非常不平衡,那么,将被通过的噪声就越多。为了帮助减小这个问题,许多公司推出专门的无源和有源器件,以期更完美地平衡这些导线。正如你可能设想的那样,有源器件(有源意味着它们必须插上电源才能工作)包含“调节”平衡的电路,与无源器件相比,它们能够把视频信号发送的更远,但是,常常成本也更高。
    解决平衡问题的另一个解决方案就是选择经过非常良好平衡的电缆。5类电缆的平衡性比3类电缆要好。Belden公司的绑定双绞线产品—如Belden DataTwist 350、MediaTwist、600E以及VideoTwist—更好。在给定距离上的平衡是由电容差(电容不平衡)的大小来决定的,电缆中的电容以pF为单位进行测量。5类电缆的标准为具有1000pF /1000英尺的电容不平衡性。Belden 1872A MediaTwist的电容不平衡性小于150pF /1000英尺。
    点对点布线是最常见的模拟基带视频。这样的电缆的应用很多,包括视频监控、娱乐场、机场监控以及教室闭路电视等等。在教室中,安装是类似的,对课程材料的选择常常由远处的中央设备进行遥控。控制最常见的是利用电话提供。你要拨打正确的号码,输入密码,然后从主列表上选择要观看的视频。磁带可以手工、自动加载,或从主服务器(并转换为模拟视频)播放。播放机(或服务器)正好被切换到请求提供视频的那根电缆。因此,你可能有几百种视频可以选择,但是,传输视频的媒介仍然只是一对双绞线。在这个应用中,3类、5类以及DT350类电缆的差异在于从中央室到教室之间的距离以及对电缆内部或来自其它邻近电缆的信号抗干扰度(两对双绞线之间的串扰)。电缆的质量越好,衰减就越低,串扰就越小,信号传输的距离就越远。
    基带模拟视频
    共享护套的非数据应用
    利用UTP传输视频的优点与所采用的电缆有关。例如,6类数据电缆可以传输诸如10baseT、100baseT、1000baseT、令牌环或以太网这样的数据。应用领域涉及电话、传真、调制解调器、DSL、ISDN、T-1或其它电话公司的应用。在四对双绞线UTP上,可以传输模拟和数字音频以及多达8通道的数字音频。因此,除了6类UTP电缆之外,不需要采用其它电缆就可以把学校、医院或其它设施联网,并提供几乎一切服务。
    安装公司应该认识到,在TIA/EIA 568B.2中,尽管没有专门说明不容许任何电缆针对多种用途,但是,如果这样的多种应用被安装的话,那么,这种电缆就会被认证为不符合568B.2,即使对电缆的其它要求得到满足。故障—尽管难以预测—通常是基于相信串扰(NEXT)将补偿数据信号。这并不意味着在一捆电缆中邻近它的电缆是否符合标准。要指明哪一根电缆符合568B.2标准,并要根据那个标准进行安装。可以根据需要布设非标准的共享护套。
    此外,有可能安装所有符合568B.2的电缆,并使非标准应用出现在每一个墙壁插座的外面。以那种方式,所有的布线在任何时间可以成为符合568B.2标准的网络的组成部分,而且,通过更换一个接插线,可以成为视频馈线、电话、T-1线、RGB电缆或许多其它应用的电缆。
    模拟视频图像
    在模拟视频中,带宽要求是众所周知的。只有图像的质量未经详细说明。表8是根据帧速率和线分辨率得到的关于图像质量的图形。
    表:视频图像的主观指标。

模拟带宽

帧速度

线数

图像质量

4.2MHz

<15fps

<100

很差

4.2MHz

>15fps

>100

及格

4.2MHz

30fps

>200

标准家庭收看质量

4.2MHz

30fps

>400

演播室标准质量

4.2MHz

30fps

RGB分量

很高分辨率

 
    带宽。在模拟彩色电视机中,图像所需要的信号被标准化为“亮度”(黑色和白色的图像信息)以及“色度”(覆盖在黑色和白色桑的彩色图像信息)。图像信号中包含通常为立体声信号,音频信号。这些信号的总带宽为4.2MHz。
    限制或降低模拟电视图像信息量的唯一途径就是仅仅以黑白两色发送每一幅图像,或以比常规更慢的速度发送每一帧。传输整个视频信号的电缆就是复合视频电缆。
    帧速度是每秒显示的图像帧的数量。在广播接收机中,标准是每秒30帧(fps)。每一帧被分为两场,每一场占1/60秒。在欧洲,帧速率为25fps,而场速率为50。
    这些场被“交织”在一起,意味着每隔一行显示每一场(即第一场显示在奇数行的图像,第二场显示在偶数行的图像)。在任意时刻,你看到的仅仅是图像的一半。这就会危及图像的细节。然而,反应时间大大降低了(当观看运动图像时,有时候可以看到闪烁)。在人类大脑中存在的“视觉持续效应”把这两场结合在一起,因此,我们看到的是一幅完整的图像。
    运动图像是以24fps的速度摄制的(在欧洲为25fps),闪烁,特别是在屏幕上的明亮物体处可能非常明显。每秒30帧/每秒60场是广播质量。在欧洲为25帧/50场,比广播质量要差。
    在计算机监视器和显示器中,图像信息是以逐行扫描的方式被显示的,即一行接着一行显示。这给予这些显示器以极佳的细节(这在计算机场中是需要的),但是,在图像反应时间上差,并且模拟广播接收机显示一幅图像需要两倍的信息量。
线分辨率是对模拟图像细节的测量。水平和垂直分辨率是两类被测分辨率。分辨率是电视机屏幕显示细节的能力,并且通常由可以辨识的线数来决定。在电视机屏幕上可以显示一个测试图形,从中可以确定分辨率的线数。 
    在北美,水平线数由美国国家电视系统委员(NTSC)标准化为525线。欧洲电视(PAL)采用625线。因此,所有其它条件一样的情况下,PAL有潜力提供更高的分辨率以及更多的细节。因此,每一条线的垂直分辨率确实是对分辨率及细节的唯一测量,广播商可以对分辨率及细节进行控制。
    摄像机和监视器,特别是那些用于广播用途的详细定义了它们的水平分辨率为具有如此多的线数。正如可从上一张图可见的那样,200线左右是普通消费者从空中接收到的线数。采用电缆的情况—尽管理论上能够传输更多的线数—罕见。大多数家用摄录机能够做到200-300线。广播设备—特别是专用设备—能够记录和播放400-700线,比它们向消费者播放的图像的质量要高2.5倍!有趣的是,许多在1960年和1970年代末制造的电视接收机降低了水平分辨率。这样做极大地降低了屏幕上的噪声,并显示更为锐利、清晰的图像,但是,实际情况并非如此。
    S视频
    S视频的意思是“超视频”。这也称为S-VHS或“超视频家庭系统”。
    为了提高图像显示的锐度,视频信号被分为两组:黑白信号、亮度(Y)以及色度信号(C)。因此,我们给这样的信号一个正式的名字Y-C。
    最初作为高质量的消费电子设备的格式,但是,S视频已经进入设备成本低且难以获得像样图像质量的“专业”应用。因媒介、编辑以及存储的成本低,也使这种格式成为诸如工业视频、培训或教育视频之类专业应用的有利选择。在最终图像质量不是非常重要的地方,普遍采用S视频。
    RGB
    RGB代表在视频图像中的三种三原色:红、绿和蓝。你的电视机就是根据一组彩色像素来显示彩色的图像。眼睛把三原色混合为我们希望看到的五彩缤纷的色彩。
    当在模拟视频中工作室,要把图像分解为分量色彩,即所谓的“分量”电视信号。尽管图像永远不会以这种格式在空中传输,但是,它们常常被以这种格式在电影厂或编辑设备上进行处理,以提高质量和细节。人们采用一组同轴电缆(通常分为红、绿和蓝三色,以方便连接)把这些信号从一个地方传输到另外一个地方。
    可以采用多条双绞线来传输分量视频图像。每一对双绞线处理最终图像的一部分,并且传输或图像单元的到达“时序”是至关重要的。在数字领域存在偏移或延迟偏移,时序就是图像各个单元的不同抵达时间。广播标准要求最大时序误差(偏差)为40ns。
    无偏差和低偏差电缆
    在分量视频中,红、绿、蓝(RGB)分量视频的色彩信号是分别传输的。这就产生了最高质量的模拟视频图像。通常采用具有多根同轴轴芯的电缆来传输分量信号。然而,在早期人们就认识到,这可能就是“类”电缆的非数据应用之一。
    如果你沿着多条电缆发送RGB信号,你就需要让信号以相同的时间抵达。要手工把多条同轴电缆调整为具有相同的长度。那个电气长度可能与物理长度不一样,特别是在长距离传输的过程中,一条同轴电缆可能比另外一根更长或更短。
    在传输信号的同轴电缆之间存在时序偏差,广播行业的事实标准为小于40ns。馈入一端的同样信号应该以不超过40ns的偏差抵达另一端。因为各个原色之间存在40ns的时序偏差,在视频监视器上,专家眼能够识别色彩的改变以及细节的损失。  Belden公司的捆扎RGB同轴电缆通常保证每100英尺的时序偏差小于4ns(有些产品为5ns/100英尺)。由于捆扎同轴电缆的时序偏差为4ns/100英尺,当与40ns的最大时序偏差值比较时,这样的电缆可以最长做到1000英尺。
    那是否意味着你可以把RGB信号发送到1000英尺以外呢?那取决于电缆的衰减。对于许多较小的电缆,衰减可能造成信号在抵达1000英尺以前就因电平太低而无法使用。因此,Belden公司的时序保证意味着时序完全不是需要考虑的事情。只要切割并连接电缆就行了。不需要手工调节定时。
    在双绞线上,时序变化发生在四对双绞线之间。因为需要在相同的时间连接所有四条双绞线,你不能加长或缩短任何一对双绞线。你依赖于构建到电缆之中的延迟偏移。在数字世界领域,“时序”现在被称为“扭曲”或“延迟扭曲”,具有相同的影响。这种度量在引入诸如1000baseT千兆以太网这样的应用时非常重要。千兆以太网沿着所有的四对双绞线同时跑数据,并且是双向进行的。在一端发送的信号,需要在另一端同时抵达。有趣的是,在TIA/EIA568B.2标准中规定,每100米所有四对双绞线之间的最大延迟偏差为45ns,即328英尺(令人惊讶地发现接近RGB的40ns)。
    一根延迟偏移为45ns且视频分量要求为40ns的电缆,意味着通用类别的电缆在出现延迟偏差超标之前,可以敷设40/45×328=292英尺。尽管292英尺可能似乎像一条漫长的路,但是,有许多供应商感觉这似乎是对利用UTP传输RGB信号的严重限制。长期以来,MediaTwist (25 ns)就是可用的、具有最低延迟偏差的电缆:40/25×328=525,因此,你可能会认为,那肯定足够了。
    那么,为什么不采用一根没有延迟偏差的电缆呢?原因在于:延迟偏差总是存在的,因为在UTP电缆中的所有四对双绞线是以不同的方式扭曲在一起的。掌握这一点对于减小各对双绞线之间的串扰至关重要。然而,如果串扰不是一个问题,为什么你不能完全一致地把所有的双绞线扭曲起来呢?Extron及其它公司就拥有为此而制造的电缆,它们均具备相同的敷设长度(成对扭曲在一起)。Belden公司就提供一种称为Nanoskew (7987R、7987P)的电缆。
    因为在所有四对双绞线中的扭曲是一样的,我们甚至没有测试这种电缆的串扰。我们知道它甚至过不了3类电缆的要求。它仅仅被推荐用于串扰没有问题的应用,而时序就是一切。不论电缆的制造多么完美,均不存在“零”延迟偏差的电缆。实际上,在7987R/P上的最大延迟偏差为最大2.2ns/100米(对于40ns的最大值,不出现时序偏差的最大距离几乎为6,000英尺)。
捆扎同轴电缆的优点是明显的。这些电缆比甚至小型化的RGB电缆要小得多。它们便于与RJ-45数据连接器连接,并且易于安装。在采用充气增压RGB同轴电缆很昂贵的地方,剥开和连接电缆相当耗时,充气增压版的“类”型电缆极大地方便和加快了安装,并且因为消费者数量大,安装基数大,所以,价格合理。
    一个未经证明的部分在于串扰对RGB信号的影响。这些色彩信号是否将彼此互相渗透?或许,眼睛看色彩渗透的能力远远不如时序及图像细节变化敏感。来自设备供应商及电缆安装商的经验证明,这种串扰色彩渗透似乎没有因果关系。其它的限制在于这种电缆是专门为RGB以及VGA类信号而设计的。即使它看起来像、且连接起来像数据电缆,但是,它不是数据电缆。它只有一个系列的应用,即RGB、VGA以及其它类似的应用。
    如果我们能够生产真正的UTP数据电缆,如像5e和6类电缆那样具有非常小的延迟偏差,那有什么意义吗?Belden公司已经生产的全系列的低偏差VideoTwist电缆产品线。这些包括:具有9ns/100m偏差的5e类UTP—Belden 7988R和7988P,以及具有10ns/100m偏差的6类UTP—Belden 7989R 和7989P。
这些电缆可以被用于RGB或室内/数据电缆。
    视频图形阵列
    这些电缆的一个附加应用就是传输VGA(视频图形阵列)及其分支(SVGA、XGA、SXGA、UXGA)信号。这些应用当中的许多已经超过了5类或5e类电缆的100MHz的极限,其中,一些频率高达245MHz。要小心地选择一种带宽指标匹配或超过被传输信号的电缆。
    数字基带视频
    数字视频不同于模拟视频,它已经是“0和1”构成的数据。数字视频信号非常稳定(像数据)并且更能够抗干扰。数字视频易于被分组、传输和再次编组。如果所有的比特以正确的顺序抵达,对数字信号进行1/1000的拷贝,等于最初的信号,从而使数字视频成为记录、复制以及播放的理想媒介。唯一真正困难的是数据率。
    真正广播质量视频的数据率为至少45Mbps,并且广播制造商通常定义为143 Mbps(71.5 MHz)到270 Mbps(135 MHz)。6类数据电缆目前仅仅覆盖这些数据率和带宽。采用通用的5或5e类电缆存在一个问题,因为它仅仅具有100MHz的被测带宽。
    针对这个问题,创建“视频到桌面”的网络设计工程师有三种方案。第一种方案,在不影响图像质量的情况下,采用比特率压缩或BRR方案,极大地减小带宽。对数字图像质量的评价是一个非常主观的判断,特别是对那些类似于家庭视频的质量。100-1的压缩或BRR被认为是“高质量视频到桌面”(接近1.544 Mbps的T-1数据率)。非常少的终端用户拥有这种质量的可用视频。在大多数时间中,视频到桌面的数据率是1/4的T-1(384Kbps)或甚至更低。
    第二种方案是隐藏数据的缺失。视频图像被放置在显示监视器的一个小部分。如果你仅仅有几千个像素作出反应,那么,缺失数据将察觉不到。只有当你完全填满屏幕时,或具有非常大的监视器时,或在礼堂中用投影仪投影图像时,质量的缺失才是明显的。
    第三个方案就是降低帧速率。因为这仅仅是另外一种数据形式,非常易于把帧速率降低到每秒20帧或以下。然而,如果帧速率小于15,那么,人眼的反应时间足以看到各帧之间的跳跃,并且观看这样的图像是引起人们疲倦的事情。
    数字视频图像的主要优点之一,即使图像质量低也不存在噪声和干扰。对于许多曾经看着充满雪花(信号强度弱)或鬼影(多径效应)的模拟图像而长大的人来说,数字图像没有噪声和鬼影,因此,显得“锐利”,但是,实际上被观看的数据比标准的家庭电视画面质量要低几个数量级。
    表12列出了用于数字视频的平衡不平衡变压器的制造商。要注意的是,可以实现的距离与数据率直接相关。数据率直接与压缩及帧速率有关。除非这些设备传输的是解压的30帧视频,它们肯定不能被认为是“广播质量”。因此,令人惊讶的是多少“蜂窝电话视频”出现在国家电视上。毕竟,内容就是一切!
    对于比较低的数据率来说,速率越低,越便于传输信号。各类电缆均被详细定义为可以它们的最大数据率敷设最多100米(328英尺)。在T-1或较低的数据率,高质量的双绞线可能跑得更远。
    DVD和HDMI
    这些电缆把数字视频发送到诸如等离子体屏幕这样的消费/家庭高清晰度显示设备。数字视频倡议(DVI)以及高清晰度多媒体接口(HDMI)均采用双绞线进行传输。唯一的问题在于:在经过测试和验证的、最高频率为100MHz的5类电缆上,如何传输频率超过1.5GHz的DVI和HDMI信号?
    因此,当考虑使用这些设备时,采用5类电缆来传输DVI或HDMI信号的潜在用户要小心。
    模拟宽带视频
    许多系统制造商正考虑采用UTP进行宽带传输。众所周知,在有线电视传输中,宽带系统以一个复用协议同时沿着一根电缆把信号在一组信道中传输。
    在这里,这些信道均落在标准电视广播频率上,标准电视可以解除各信道的复用,以便观看。在复用信道被扰乱的地方,信号在其它频段或频率组上发送,因此,要采用转换器把它们转化为标准的广播频率。
    为了完全掌握同轴电缆或UTP如何能够处理宽带/有线电视信道或无线广播电视信道,你必须掌握这些信道是如何被分配的。由FCC对信道的分配绝不是明智的。无线发射的电视信道覆盖了许多频段。这些频段有时候是、而有时候不是与有线电视行业的信道分配相对应的。
    实际上,正如从下图可见的,一些有线电视信道的数量与它们的频率没有任何关系。例如,有线电视分配的第14-22信道对应于无线信道的6和7.
    这些信道分配被沿用至数字电视。那就是说,信道50可能是模拟或数字信道。最终,如果模拟信道被关闭,那么,将只有数字信号。然而,不论信号类型如何,不管是模拟还是数字信号,在那个频率上,信道的带宽维持在相同的6MHz。因此,说同轴电缆为“数字电视”或“HDTV”准备就绪就是一个笑话。你已经使用多年的电缆将很好地工作。UTP电缆可以方便地传输6MHz信号、模拟信号、数字信号或HDTV信号。唯一的问题是有多少信道?
    从69-83的电视信道已经被美国联邦通信委员会(FCC)出售给蜂窝电话公司,并且现在被用来实现你的蜂窝电话。同样,信道60-69,可能甚至一些较低的信道将由FCC重新定义其用途并卖给其它的应用。当然,新的信道分配与承载这些信号的电缆没有任何直接的关系。
    在上面列出的频率中,你将注意到一些“间隔频段”。这些频率被FCC分配给不同的非电视服务,如FM收音机、飞机导航、地面和移动固话,因此,超出了本文讨论的范围。然而,应该认识到,UTP可能也支持许多这些当中的应用(因为它们目前由同轴电缆提供支持)。
    在上图中没有示出的是向数字电视(DTV)发展的进程。这就是把第二个信道重新分配给现有的广播商。第二信道是专门为数字传输而定义的。这些数字信号可能包括高清晰度视频。此外,上图中没有示出的还有直接广播卫星电视(DBS),因为这些系统扩展到1GHz以上,并且因此而远远超过了UTP现有的能力。
    在同轴电缆、用于宽带/CATV的标准铜电缆以及双绞线之间存在许多差异。第一个差异是带宽。标准宽带同轴电缆可以处理高达1GHz的带宽(158个信道)。专用版可以处理多达2.25GHz的带宽(大约300个信道)。有线电视公司现在要求被测同轴电缆要达到3GHz的带宽,以便将来的扩容。大多数前沿的UTP/STP的宽带性能仍然远远低于这个带宽,除了即将出现的10Gbps电缆之外。
    同轴电缆与双绞线之间的第二个差异是衰减。行业标准要求5类或5e类双绞线具有24AWG,6类双绞线具有23AWG或22AWG。这些线的电阻高于标准的RG-6同轴电缆。此外,还存在许多其它的因素—如回损或串扰—是双绞线无法与同轴电缆竞争的。
    因此,让人倍感惊讶的是把这种应用,在双绞线上传输宽带/CATV考虑为最迫切需要的非数据应用!在许多宽带/CATV应用中,同轴电缆的150个以上的信道容量并不是至关重要的。在学校、医院和其它受控的环境中,仅仅需要少量的信道。在那些情形下,UTP可能是非常有成本经济性的解决方案。所需要的一切就是一个宽带平衡不平衡变压器。下表15列出了为UTP电缆提供CATV/宽带平衡不平衡变压器的制造商。
    VHF电视广播频段从54MHz(信道2)开始且覆盖信道2-13。尽管带宽为54MHz到216MHz,信道为27个,对应的无线信道仅仅为12个信道。然而,对于许多教育或商业应用来说,一打信道仍然是足够的。
    阻抗变化、失配以及结构性回损似乎表明:限制因素越少,有线电视信道就越少,且平衡不平衡变压器及其它硬件就越来越多。350MHz等效于45个有线电视信道;600MHz相当于86个有线电视信道。
    双绞线在这些高频段的损耗特性极大地不同于在同轴电缆上的损耗特性。我没有听说过针对UTP降低损耗所需要的均衡放大器,但是,同轴电缆标准产品却需要均衡放大器。
    辐射
    在上面讨论宽带/CATV应用的过程中,我们成功地回避了一个关键主题,那就是在高频段UTP电缆上存在的辐射问题。在数字世界中,为了保持实际运行的频率为低,人们做了大量的工作。在30MHz以上,FCC并没有辐射/发射的指标。因此,采用压缩技术的主要驱动力之一就是让系统在在接近要回避的FCC要求的那个数。
    宽带/CATV应用无法采用这样的压缩技术,并且被要求满足非常严格的辐射指标。
    应该指出的是,这种应用,分量串行数字基带视频的带宽仅仅为135MHz,而并不意味着MediaTwist或任何其它的UTP产品在功能上等于同轴电缆。
    我们正在“逼近”同轴电缆的性能,但是,我们尚未实现这个目标。因此,在UHF频段,即使采用6类电缆,也要验证是否满足FCC宽带辐射标准。
    互联网视频
    我们的最新应用是在互联网上传输视频。这不同于所有以前的传输系统,因为传输“媒介”是互联网而不是网络电缆。尽管5类、5e类和6类电缆毫无疑问是传输链的一个组成部分,但是,在链路的开端和结尾,它们对这种应用是不重要的,并且它们的性能对实际视频图像的影响很小。只要网络满足每一个终端用户计算机、服务器或其它设备的要求,视频图像的性能和质量将直接与IP连接上的数据率有关。
    最近的实验已经实现了通过互联网连接传输1.5Gbps的数字高清晰度信号。然而,这些实验是在实验室中完成的,并不是在现有的设备中完成的这项令人惊讶的壮举。互联网可以传输的不光是速率比T-1信号快1000倍的高清晰度信号,要让许多这样的超高速数字信号在网络上传输,就需要甚至更大的带宽。现有的最高速“标准”技术双绞线是仅仅达到1Gbps的1000baseT,因此,在未来的10G世界中,有大量的工作要做。不论这是否能够在当今的电缆设计中完成,或甚至在未来的铜缆中完成,我们要拭目以待。
    “非-平衡不平衡变压器”
    应该介绍的是,一些连接器以及连接硬件制造商已经开始生产可以装配到墙壁插座上的视频模块。这些模块的占位空间与标准的RJ-45数据连接器一样。这些制造商提供RCA、F、BNC、S-视频以及甚至光纤连接。这些模块是直通的,模块前后端的连接器类型一样,因此,它们非常管用,通用性也非常好。
    然而,有一些模块—特别是RCA和S视频—提供在前端的连接器以及在后端的“110型”压接块。这些模块看来为把这些连接器附接在UTP上提供了非常快速的途径,但是,它们均存在一个致命缺陷。RCA和S视频通常连接到同轴电缆。S视频实际上采用两根同轴电缆。根据定义,那些电缆以及它们传输的信号是不平衡的。很可能被压接到侧面110模块上的电缆就是一种UTP类室内/数据电缆,但是,那些UTP双绞线电缆是平衡的。
    为了进行平衡到不平衡信号的转换,你要采用平衡不平衡变压器,正如我们已经在此用长的篇幅所讨论的那样。然而,在这些模块中,没有平衡不平衡变压器,没有变压器,也没有任何类型的匹配网络。简单地把不平衡信号插入一条双绞线之中,也能使双绞线变成不平衡的。所有噪声抑制特性被消除了,并且那条双绞线能够把信号辐射到其它的双绞线对或其它电缆,并拾取外部噪声。
    进一步说,不平衡音频的传输距离非常有限(通常小于30英尺),并且对S视频也存在类似的限制(通常小于50英尺),该情况通过这些“适配器”得不到改善,实际上,因为存在噪声和干扰的易感性,传输距离可能被缩短。
    这些制造商当中的一些已经承认,对这些模块的设计不太理想,并且在研究确实包含平衡不平衡变压器的版本。在此之前,我们强烈建议回避这些RCA到110以及S视频到110转换的适配器。当这些适配器确实包含真正的平衡不平衡变压器时,信号的传输距离就远得多,可能有几百英尺。
    10Gbps网络
    这些即将出现的新标准承诺在铜缆上取得重大突破。电缆本身是一种新版6类电缆。实际上,其正式名称为6a类电缆(6类电缆的增强版)。该标准仍然在发展,并且考虑到它获得批准以前,在6类电缆基础上已经做出了14个草案,因此,10G网络不会在最近就完成最终草案的修订。
    那就是说,该标准关于连接性、电缆、连接器、插架、插线已经撰写完成,并且看来不会改变。因此,许多制造商已经开始在市场上供应10G解决方案。
     以10Gbps运行是一个极大的数据负载。在双绞线上实现10Gbps传输的唯一途径就是采取广泛的压缩和数字处理技术。利用6类电缆是一个巨大的限制因素,并且所提议的规范将可能把那个解决方案限制在最大55英尺的传输距离。

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