電纜的選擇與技術應用

    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 

    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、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，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：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%。所以很多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。