电缆的选择与技术应用

    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 

    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、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，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：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%。所以很多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。