Transmisja sygnału wizji

Analogowy sygnał wizyjny jest przesyłany w systemach telewizji użytkowej najczęściej za pomocą kabli współosiowych, skrętek telefonicznych, światłowodów i łączy radiowych. Zamiana analogowego sygnału wizyjnego w postać cyfrową stwarza możliwości przesyłania obrazów w sieciach komputerowych oraz przez internet.

1. Transmisja sygnału wizji kablem współosiowym

Do transmisji sygnałów wizyjnych stosuje się kable współosiowe (koncentryczne) o impedancji charakterystycznej 75 ohm. Takie przesyłanie wizji jest proste w obsłudze i instalacji. Doskonale sprawdza się na małych odległościach, jest powszechnie stosowane w lokalnych instalacjach telewizji użytkowej.

Najważniejsze parametry kabla współosiowego to:
- tłumienie sygnału - [dB/100m], zależne od częstotliwości przesyłanego sygnału,
- pojemność liniowa - [pF/m], wynikająca z wzajemnego oddziaływania przewodu środkowego i ekranu jako okładek kondensatora,
- współczynnik ekranowania - [dB], obrazujący zdolność do ochrony przed promieniowaniem z zewnątrz,
- rezystancja ekranu i przewodu wewnętrznego - [ohm].

Wszystkie urządzenia telewizyjne są przystosowane do tego typu transmisji, bowiem standardem w przypadku urządzeń CCTV jest impedancja 75 omów na wejściach i wyjściach. Stąd też nie ma potrzeby stosowania jakichkolwiek urządzeń pośredniczących. I chociaż jest to najpowszechniej spotykana metoda transmisji sygnałów wizyjnych, to jednak wpływa na jakość sygnału. W przypadku systemów czarno-białych wpływ toru kablowego objawia się obniżeniem poziomu sygnału zwłaszcza w zakresie wyższych częstotliwości, ponieważ tłumienie rośnie wraz z częstotliwością. Ogólne obniżenie poziomu sygnału daje się łatwo kompensować wzmocnieniem np. za pomocą wzmacniacza lub w najprostszym przypadku pokrętłem kontrastu w monitorze. Obniżenie wyższych składowych sygnału wizyjnego objawiające się zmniejszeniem ostrości może być kompensowane za pomocą specjalnych korektorów z charakterystyką odwrotnie proporcjonalną do charakterystyki kabla współosiowego przenoszącego sygnał wizyjny. Korektor taki musi zatem bardziej tłumić mniejsze częstotliwości. W systemach kolorowych wpływ toru kablowego objawia się ponadto obniżeniem nasycenia barw. Stąd też wynika wniosek, że należy stosować dobre kable, zwłaszcza przy przesyłaniu sygnałów kolorowych. Należy również unikać zbyt długich torów transmisyjnych budowanych na bazie przewodów współosiowych.

Kabel współosiowy jest stosowany przede wszystkim do transmisji pojedynczych sygnałów na małe odległości. W zależności od jakości kabla osiąga się połączenia na odległości od 200 do 600 metrów. W przypadku transmisji sygnałów wizyjnych należy unikać kabli koncentrycznych z miedziowaną żyłą stalową. Tego typu kable są przeznaczone do przesyłania wielkich częstotliwości. Przy większych odległościach i słabszych kablach konieczne jest stosowanie wzmacniaczy korekcyjnych. Przy dużych odległościach nie wystarcza już stosowanie dobrych kabli koncentrycznych i wzmacniaczy korekcyjnych, zwłaszcza przy występowaniu silnych zakłóceń. Przesyłanie sygnałów wizyjnych na odległości powyżej 1km staje się rozwiązaniem dość ryzykownym. Wówczas od razu należy pomyśleć o innej metodzie transmisji.

Wzmacniacz wizyjny z korekcją VCA-4/1200 Delta
Wzmacniacz wizyjny z korekcją VCA-4/1200 Delta

Przedstawiony na powyższej fotografii wzmacniacz 4-kanałowy VCA-4/1200 jest przeznaczony do wzmocnienia czterech sygnałów wizyjnych przesyłanych kablem koncentrycznym. Wzmacniacz umożliwia przesyłanie sygnału wizyjnego na odległość do maksymalnie 1200 metrów. Pokrętła regulacji są przeznaczone do równoczesnej zmiany charakterystyki amplitudowej i częstotliwościowej. Wzmacniacz należy stosować na końcu linii przesyłowej.

Zastosowanie wzmacniacza wizyjnego VCA-4/1200
Zastosowanie wzmacniacza wizyjnego VCA-4/1200 Delta

Ekran kabli współosiowych jest przewodem sygnałowym. Należy więc pamiętać, że wszelkie różnice potencjałów mas pomiędzy punktem nadawczym a odbiorczym dodają się do napięcia sygnału powodując zakłócenia obrazu. Podobnie rzecz się ma z zakłóceniami indukującymi się w ekranie przewodu z otoczenia. Powodowane w ten sposób zakłócenia pogarszają jakość obrazu, czasami w sposób nie do zaakceptowania. Transmisja wizji kablem współosiowym nie emituje zakłóceń, sygnał bowiem nie "wycieka" dzięki ekranowi kabla. Ekran działa oczywiście w obie strony.

Część z tych zakłóceń da się wyeliminować poprzez zastosowanie separatora galwanicznego w liniach przesyłowych.

Zastosowanie separatora galwanicznego SV-1000/4-G DELTA
Zastosowanie separatora galwanicznego SV-1000/4-G DELTA

Separator galwaniczny SV-1000/4-G przeznaczony jest do dodatkowego zabezpieczenia czterech torów sygnałowych w instalacjach telewizji przemysłowej. Urządzenie chroni przed różnicą potencjałów pomiędzy urządzeniami oraz prądami płynącymi masą sygnałową. Urządzenie eliminuje zakłócenia przy przesyłaniu sygnału na odległość kilkuset metrów.

W przypadku długich linii przesyłowych prowadzonych na zewnątrz warto zastosować ograniczniki przepięciowe. Chronią one przed przepięciami pojawiającymi się na skutek wyładowań atmosferycznych.

Zastosowanie ogranicznika przepięć OPV-4 DELTA
Zastosowanie ogranicznika przepięć OPV-4 DELTA

Informacje z serwisów CCTV wskazują, że nawet do 25% uszkodzeń sprzętu elektronicznego jest skutkiem przepięć powstałych przez bliskie uderzenie pioruna. Ogranicznik przepięć OPV-4 skutecznie zabezpiecza cztery wizyjne linie przesyłowe umożliwiając odprowadzenie prądu udarowego do ziemi. W ten sposób jest realizowana właściwa ochrona urządzeń wizyjnych. OPV-4 nie powoduje straty jakości sygnału wizyjnego i jest urządzeniem biernym nie wymagającym zasilania.

2. Transmisja sygnału wizji po skrętce telefonicznej

Skrętka telefoniczna jest tworzona z pary izolowanych przewodów miedzianych skręconych spiralnie wokół siebie. Skrętka telefoniczna stwarza możliwość transmisji kilku sygnałów wizyjnych w jednym kablu (skrętki wieloparowe, w tym skrętki komputerowe UTP). Ten rodzaj przesyłania sygnałów wizyjnych może być stosowany w istniejących sieciach telefonicznych i komputerowych. Zaletą jest wysoka odporność na zakłócenia zewnętrzne. Wynika to z nadawania takich samych sygnałów w obu przewodach w przeciwnych fazach i stosowania wzmacniaczy różnicowych na końcu linii. Takie rozwiązanie wytłumia składowe sumacyjne, czyli zakłócenia pojawiające się w kablu w wyniku oddziaływania otoczenia.

Ogólnie do różnicowej transmisji sygnałów wizyjnych zaleca się stosowanie skrętki nieekranowanej. Stosowanie skrętki ekranowanej może powodować skrócenie maksymalnego zasięgu w porównaniu ze skrętką nieekranowaną. Należy przyjąć, że zmniejszenie zasięgu wyniesie kilka procent dla kabli z pojedynczym ekranem (np. skrętki komputerowe FTP) lub nawet kilkadziesiąt procent dla kabli z indywidualnie ekranowanymi parami (skrętki komputerowe STP). Ponadto mogą wystąpić problemy z właściwą korekcją tłumienia toru, bowiem urządzenia transmisyjne optymalizowane są zwykle do kabli nieekranowanych. Zaś charakterystyki przenoszenia kabli ekranowanych i nieekranowanych się różnią. Czasami jednak nie da się uniknąć stosowania kabli ekranowanych, np. gdy w pobliżu trasy kablowej znajdują się źródła silnych pól elektromagnetycznych, zwłaszcza impulsowych. Taka sytuacja występuje często w zakładach przemysłowych. Skrętki komputerowe wyższych kategorii są bardziej odporne na zakłócenia skrośne (przenikanie), stąd przy bardzo wysokich wymaganiach dotyczących jakości przesyłu, bądź też pracy systemu w obecności silnych zakłóceń wskazane jest stosowanie kabli kat.5.

System transmisji wizji za pomocą skrętek telefonicznych wymaga stosowania układów dopasowujących impedancję kabla do impedancji do wejść i wyjść wizyjnych. Tanie, małe i wygodne w stosowaniu są urządzenia bierne. Urządzenia te dokonują konwersji niesymetrycznego sygnału wizyjnego na symetryczny i konwersji impedancji 75 omów na 100 omów po stronie nadawczej i odwrotnej po stronie odbiorczej toru przesyłowego. Są to urządzenia dwukierunkowe; zatem nie istnieje podział na nadajnik i odbiornik. Należy pamiętać jednak, że są to urządzenia stratne.

Konwertery sygnału wizyjnego do przesyłania skrętką
Konwerter wideo na skrętkę VTV 401C
Konwerter wideo na skrętkę VT-401C
Konwerter wideo na skrętkę VTV 402
Konwerter wideo na skrętkę VT-402

Konwerter VT-401C to bierny konwerter (może pracować jako nadajnik lub odbiornik) sygnału wizji (video balun). Jako przewód przesyłowy można stosować skrętkę telefoniczną lub komputerową UTP. Przez jeden przewód UTP (4 pary) można przesłać sygnał z 4 standardowych kamer CCTV. Do prawidłowego działania zestawu potrzebne są dwa konwertery dopasowujące (na początku i końcu przewodu UTP). Maksymalna długość przewodu wynosi około 350m.

Przesyłanie sygnałów wizyjnych za pomocą skrętki UTP
Przesyłanie sygnałów wizyjnych za pomocą skrętki UTP

Urządzenia aktywne mają zdolność wzmacniania i kształtowania charakterystyki przenoszenia sygnałów. Dzięki temu zapewniają znacznie większe zasięgi transmisji przy zachowaniu dobrej jakości. Często są wyposażone w zabezpieczenia przeciwprzepięciowe, co jest bardzo ważne (wręcz konieczne) przy prowadzeniu kabli transmisyjnych poza budynkami.

Urządzenia aktywne do przesyłania wizji skrętką
Nadajnik aktywny skrętki 1092/302 Urmet
Nadajnik aktywny skrętki
Odbiornik aktywny skrętki 1092/303 Urmet
Odbiornik aktywny skrętki

Użycie urządzeń aktywnych może zapewnić transmisję kolorowego sygnału wizyjnego do 800m i monochromatycznego do ponad 1200m. To są w zasadzie maksymalne zasięgi i ze szczególną ostrożnością należy podchodzić do producentów, którzy podają większe odległości. Najlepszym sposobem na zwiększenie zasięgu jest zastosowanie stacji pośredniej (tzn. wzmacniacza zawierającego odbiornik i nadajnik). Należy oczywiście pamiętać, o konieczności doprowadzenia zasilania do stacji pośredniej.

Również w przypadku przesyłania wizji za pomocą skrętki komputerowej warto zatroszczyć się o zabezpieczenie urządzeń przed przepięciami. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, gdy kable są prowadzone na zewnątrz budynków i narażone w ten sposób na oddziaływanie piorunów.

Ogranicznik przepięć OPV-4S zabezpiecza wszystkie przewody skrętki komputerowej i umożliwia odprowadzenie prądu udarowego do ziemi. W ten sposób zapewnia właściwą ochronę podłączonych urządzeń elektronicznych. Urządzenie jest [przeznaczone do zastosowań, w których sygnały wizyjne są przesyłane różnicowo za pomocą skrętki komputerowej. Urządzenie nie powoduje straty jakości sygnału wideo i nie wymaga zasilania.

Zastosowanie ogranicznika przepięć OPV-4S DELTA
Zastosowanie ogranicznika przepięć wideo OPV-4S DELTA

Na powyższym rysunku przedstawiono ochronę toru kamery IP podłączonej do sieci komputerowej. W przypadku przesyłania sygnału wizji ze standardowych kamer korzysta się z jednej pary skręconych przewodów. Stąd też to urządzenia można wykorzystać na przykład do ochrony 4 wejść rejestratora cyfrowego.

Zasadę działania ogranicznika przepięć OPV-4S przedstawiono na poniższym rysunku.

Zasada działania ogranicznika przepięć OPV-4S DELTA
Zasada działania ogranicznika przepięć OPV-4S DELTA

Układ zabezpieczający ogranicznika przepięć wideo OPV-4S składa się z trzech bloków:
• Odgromnik gazowy (iskiernik) odprowadza znaczną część ładunku elektrycznego do ziemi i powoduje ograniczenie przepięcia do kilkudziesięciu woltów,
• Układ opóźniający wydłuża czas działania odgromnika gazowego,
• Diody zabezpieczające wyrównują napięcie pomiędzy poszczególnymi żyłami do 2,4V i odprowadzają ładunki o większym potencjale do ziemi.

3. Transmisja sygnału wizji światłowodem

Bardzo dobrym medium transmisyjnym dla sygnałów wizyjnych jest światłowód. Obecnie powszechnie stosuje się światłowody jednomodowe (SM) i wielomodowe (MM), które różnią się między sobą właściwościami transmisyjnymi. W przypadku światłowodów jednomodowych strumień optyczny rozchodzi się w nitce światłowodu niemal bez odbić od zewnętrznych krawędzi włókna. W przypadku światłowodów wielomodowych strumień optyczny wielokrotnie odbija się od krawędzi ulegając wielokrotnym załamaniom. W związku z tym do dociera odbiornika różnymi drogami, w różnym czasie i w różnej fazie wywołując różnorakie zniekształcenia sygnału ograniczające zasięg, zwłaszcza w zakresie większych częstotliwości. Cechą odróżniającą oba typy światłowodów jest średnica rdzenia, która w przypadku światłowodów jednodomowych wynosi 2-10µm, zaś w przypadku wielodomowych standardowo 50 lub 62,5µm.

Najważniejszą cechą światłowodu jest tłumienność w odniesieniu do długości fali optycznej (tzw. okna).
Typowe wartości dla światłowodów wielomodowych (MM) wynoszą:
a) okno 850nm - 3dB/km,
b) okno 1300nm - 1dB/km,
c) opno 1550nm - nie stosowane.
W przypadku światłowodów jednomodowych (SM) wartości tłumienności dla poszczególnych okien przedstawiają się następująco:
a) 850nm - nie stosowane,
b) 1300nm - 0,5dB/km,
c) 1550nm - 0,25dB/km.

Światłowód wprowadza bardzo małe zniekształcenia przesyłanego sygnału. Może to mieć ogromne znaczenie przy planowaniu instalacji, gdy jest wymagana bardzo wysoka jakość przesyłanego obrazu. W przypadku konieczności transmisji wizji na odległości rzędu kilkunastu, czy kilkudziesięciu kilometrów światłowody są w zasadzie jedynym medium. Przy dużych odległościach można również skorzystać z gotowej infrastruktury komunikacyjnej zbudowanej na światłowodach. Ponadto światłowód jest trwały (nie koroduje) i odporny na warunki atmosferyczne.

Ponadto transmisja światłowodowa doskonale sprawdza się w warunkach silnych zakłóceń. Typowym przykładem są hale przemysłowe, gdzie zastosowanie kabli współosiowych może przysporzyć wiele kłopotów. Silne zakłócenia energetyczne powodują wiele problemów, których przyczyny są trudne do określenia, a skutki trudne do usunięcia. Łącze światłowodowe jest bardzo odporne na wszelkiego rodzaju zakłócenia elektromagnetyczne. Dotyczy to zarówno zakłóceń współbieżnych, jak i indukowanych na trasie kabla. Światłowód stanowi doskonałą izolację galwaniczną, nie występują tutaj oczywiście ani różnice potencjałów, ani prądy błądzące. Nie bez znaczenia jest również fakt, iż sam światłowód nie generuje zakłóceń elektromagnetycznych.

Najprostszą metodą transmisji sygnału wizyjnego jest metoda bezpośredniej modulacji intensywności strumienia świetlnego (IM). Metoda ta jest najczęściej stosowana do przesyłania wizji światłowodem wielodomowym na odległości do 5km przy zachowaniu zupełnie dobrej jakości. Czasami do sygnału wizyjnego jest dodawany sygnał podnośnej zmodulowanej częstotliwościowo sygnałami audio lub danych. Innym sposobem transmisji sygnału wizyjnego (w tym również złożonego) jest szerokopasmowa modulacja częstotliwości (FM). Nowsze techniki stosują już cyfrowe przetwarzanie, w tym również z użyciem kompresji w celu zmniejszenia zajmowanego pasma częstotliwości. Modulacja intensywności strumienia świetlnego jest techniką wąskopasmową. Pozostałe techniki wymagają dużych pasm przesyłowych, a w związku z tym i światłowodów oraz urządzeń jednodomowych. Jest to konieczne przy zasięgach przekraczających 2-3km.

Ceny światłowodów i przetworników ciągle spadają, więc ten argument przestaje mieć istotne znaczenie w stosowaniu linii światłowodowych do transmisji sygnałów wizyjnych. Skomplikowane jest jednak zarabianie złącz i łączenie linii (trzeba mieć skomplikowane i ciągle drogie urządzenia). Jeżeli jest niewiele takich połączeń do wykonania, to sensowne jest zlecenie tego zadania specjalistycznej firmie.

4. Przesyłanie sygnału wizji łączami radiowymi

W terenie silnie zurbanizowanym mogą wystąpić warunki uniemożliwiające układanie przewodów. Wtedy w grę wchodzą łącza radiowe wykorzystujące fale wielkiej częstotliwości. Do przesyłania sygnałów telewizji przemysłowej coraz częściej wykorzystuje się mikrofale (przeważnie pasmo 2,4GHz). Takie rozwiązania są popularne w instalacjach do monitoringu okresowego, np. w przypadku różnego rodzaju imprez. W celu zapewnienia dobrej transmisji korzysta się z kierunkowych anten nadawczych i odbiorczych.

Zestaw do transmisji bezprzewodowej VID-2 Mielke
Zestaw do transmisji bezprzewodowej VID-2 Mielke

Zestaw transmisji bezprzewodowej VID-2 Mielke jest przeznaczony do bezpośredniej współpracy z urządzeniami CCTV. Zestaw umożliwia przesyłanie drogą radiową sygnału wizji i audio (modulacja zgodna z CCIR 405) na odległość do 400m. Urządzenia mogą pracować na jednym z czterech kanałów w paśmie 2.4 GHz. System umożliwia odbiór 4 nadajników z funkcją przełącznika (czas 1...3s).

Zestaw transmisji bezprzewodowej VID-7 MIELKE
Zestaw transmisji bezprzewodowej VID-7 MIELKE

Zestaw transmisji bezprzewodowej VID-7 Mielke jest przeznaczony do bezpośredniej współpracy z urządzeniami telewizji dozorowej. Umożliwia przesyłanie drogą radiową sygnałów wizji i fonii (mod. zgodna z CCIR 405). Urządzenia mają wbudowaną wewnętrzną antenę, która umożliwia dobrą transmisję sygnałów na odległość do 300m. Urządzenia mogą pracować na jednym z siedmiu kanałów w paśmie 5.8 GHz. Przy pracy z tymi urządzeniami jest możliwy odbiór 7 nadajników z funkcją przełącznika (czas 1...3s).

W przypadku konieczności konieczności przesyłania sygnałów na znaczne odległości kiedyś stosowano linie radiowe zapewniające poprawną transmisję nawet na odległości sięgające kilkudziesięciu kilometrów. Dzisiaj korzysta się raczej ze światłowodów.

5. Przesyłanie sygnału wizyjnego w sieciach komputerowych i internecie

Jedną z nowych możliwości systemów telewizji dozorowej jest natychmiastowy podgląd obiektu znacznie oddalonego od obserwatora. Wiele rejestratorów jest wyposażonych w wyjście ethernet stwarzające możliwość przesyłania obrazów oraz pełnej kontroli nad systemem przez sieć komputerową (LAN, WAN). Ponadto niektóre urządzenia maja wbudowana funkcję serwera WEB i stwarzają możliwość przesyłania obrazów i sterowania systemem przez internet. Do przekazywania obrazów przez internet nie jest już potrzebny specjalny komputer, a działanie systemu nie jest zależne od stabilności systemu operacyjnego tego komputera. Są to bowiem urządzenia autonomiczne, mające własny system operacyjny, które są wyposażone w mechanizmy transmisji obrazu, zdalnego sterowania oraz obsługi sytuacji alarmowych. Instalacja tych urządzeń wymaga jedynie prostego skonfigurowania i podłączenia do internetu.

Serwer - transmiter 1-kanałowy
Serwer - transmiter 1-kanałowy
IP-PRO512

Do zdalnego oglądania obrazów wysyłanych przez serwer WEB wystarczy zwykły komputer z dostępem do internetu i standardowa przeglądarka internetowa. Konieczna jest oczywiście znajomość adresu, pod którym jest dostępny serwer. Jest to idealne rozwiązanie do pracy z rozległym systemem składającym się z wielu instalacji telewizji dozorowej. Dotyczy to np. systemów telewizji dozorowej rozproszonych w wielu punktach miasta lub nawet na terenie całego kraju. Może też być wykorzystywane do zdalnej (np. z domu) obserwacji aktualnej sytuacji na terenie małej firmy. Zainstalowanie dedykowanych serwerów sieciowych w każdym punkcie (oddziale firmy) umożliwia monitorowanie wielu obiektów z jednego miejsca. Wystarczy komputer z dostępem do internetu i standardowa przeglądarka internetowa.

Część funkcji wymaga zainstalowania na tym komputerze dodatkowego oprogramowania, które jest dostarczane wraz z serwerem. Oprogramowanie takie powoduje, że użytkownik może wybrać z listy kamerę, a następnie oglądać wysyłany przez nią obraz. Ponadto możliwe jest zdefiniowanie podglądu w trybie podziału, sekwencji itp. W wielu urządzeniach są zaimplementowane funkcje telemetryczne. Do serwera można zatem podłączyć zintegrowane kamery szybkoobrotowe i zdalnie nimi sterować. Systemy zapewniają w reguły możliwość sterowania Pan/Tilt/Zoom, ustawianie ostrości oraz wybieranie zaprogramowanych pozycji kamery. Ponadto w niektórych rozwiązaniach występuje możliwość dwustronnego kontaktu głosowego.

Serwery sieciowe mogą być stosowane w instalacjach alarmowych jako urządzenia do weryfikacji alarmu. Nie każda sygnalizacja alarmu przez centralę alarmową musi świadczyć o realnym zagrożeniu chronionego obiektu. Dzięki takiemu systemowi można za pomocą komputera z dostępem do internetu natychmiast sprawdzić obiekt, w którym został zasygnalizowany alarm. Często serwery umożliwiają wysyłanie informacji po wykryciu alarmu na zadeklarowany adres e-mail. Do powiadomienia mogą być dołączane zdjęcia wykonane w momencie i miejscu wystąpienia alarmu.

Bardzo ważnym zagadnieniem jest ochrona przesyłanych informacji - danych konfiguracyjnych, obrazów i sygnałów alarmowych. Należy pamiętać, że odpowiednio wyszkolony intruz może te dane przechwycić i zmodyfikować w czasie rzeczywistym, sprytnie oszukując aplikację. Może podszyć się pod administratora lub użytkowników, na przykład podszywając się pod jej użytkowników i przejąć systemem. Albo po prostu wyłączyć alarm. Oglądanie przesyłanych przez internet obrazów powinno być możliwe tylko po podaniu (zapisanych w pamięci serwera) nazwy użytkownika i hasła. Same dane zaś powinny być odpowiednio zakodowane.

Autor: Aleksy Kordiukiewicz

Ofertę urządzeń do transmisji sygnałów wizyjnych telewizji przemysłowej wraz z opisami, fotografiami i kartami katalogowymi można obejrzeć w katalogu internetowym AVAL.