Wie werden unsymmetrische Koaxialkabel für die problemlose Übertragung von Fernsehsignalen verwendet?

Soweit ich weiß, werden in der Telefonie STP- oder Twisted Pair-Kabel verwendet. Dies erzeugt ausgeglichene Leitungsimpedanzen, die nützlich sind, um Gleichtaktstörungen zu mildern.

Die Verwendung von symmetrischen Kabeln für Telefonie und Audio ist daher von entscheidender Bedeutung, um EM- oder HF-Störungen zu beseitigen.

Andererseits werden bei Fernsehsendungen oder vielen HF-Systemen Koaxialkabel verwendet. Und die meisten Koaxialkabel, die ich gesehen habe, sind nicht symmetrisch. Ich kann sehen, dass das 50-Ohm-Konzept gut ist, um Reflexionen in der Übertragungsleitungstheorie loszuwerden. Aber wie kommt es, dass die Unsymmetrie von Koaxialkabeln keine Probleme mit dem Impedanzausgleich verursacht?

Aber wie kommt es, dass die Unsymmetrie von Koaxialkabeln keine Probleme mit dem Impedanzausgleich verursacht?

Das Schöne an Koax ist, dass die Abschirmung fast alle Störungen des äußeren elektrischen Feldes gegen Erde ableitet und der innere Draht weitgehend unberührt bleibt. Bei einer Störung durch ein externes Magnetfeld geschieht etwas Feines. Der Strom, der in der Abschirmung aufgrund des Vorhandenseins des Feldes fließt, erzeugt einen Spannungsabfall entlang der Abschirmung und aufgrund der nahezu 1: 1-Kopplung zwischen der Abschirmung und der inneren ist dieser identische Spannungsabfall am inneren Kern vorhanden.

Wenn Sie also einen Differentialempfänger verwenden und das sendende Ende auf der Abschirmung und im Inneren einigermaßen die gleichen Impedanzen gegen Erde aufweist, kann der Differentialempfänger die Gleichtaktstörung zurückweisen.

Wenn Sie die externen Felder berechnen, die durch ein reguläres Signal erzeugt werden, das über ein Koaxialkabel gesendet wird, und die Felder aus den Sende- und Rückströmen einzeln analysieren, stellen Sie fest, dass sich die entgegengesetzten Magnetfelder an allen Punkten außerhalb der Abschirmung genau auf Null aufheben. Es gibt kein Magnetfeld außerhalb eines Koax von einem normalen Koaxsignal.

Dies hat zur Folge, dass das Magnetfeld des Signals nur im Spalt zwischen innerer und äußerer Abschirmung erzeugt wird. Eine Auswirkung davon ist, dass die Abschirmung daher eine Induktivität von Null haben muss. Dies liegt daran, dass das äußere Magnetfeld Null ist (auch bekannt als Null-Induktion) und das interne Magnetfeld des Signals keinen Einfluss auf einen röhrenförmigen Leiter hat (auch bekannt als Abschirmung).

Das mag ein bisschen schwer zu schlucken sein, aber wenn man auf die Theorien der Magnetfelder zurückgreift, die mit einem rohrförmigen Stromfluss verbunden sind, wird ein äußeres Feld erzeugt, aber kein inneres Feld. Das Gegenteil ist völlig richtig; Ein Magnetfeld innerhalb einer Röhre induziert keine Spannung entlang der Röhre UND, wenn kein externes Feld vorhanden ist, hat die Abschirmung eine Induktivität von Null.

Das Fazit meines Streifens ist, dass es funktioniert, obwohl das Impedanz-Regime zwischen innerer und äußerer Abschirmung erheblich unausgeglichen ist. Es ist gar nicht so einfach, es sofort zu sehen. Ich gebe es dir so hoffentlich, dass ich es ein bisschen gerecht gemacht habe.

Andy spricht darüber, wie Koax im Allgemeinen funktioniert, aber ein weiterer Punkt ist, dass Video im Allgemeinen nicht die gleichen SNR-Anforderungen wie Audio hat. Daten mit 8 bis 10 Bit pro Farbkanal liefern sehr gute Bilder, was einem SNR von nur 50 bis 60 dB entspricht.

Andererseits muss Audio, um als "CD-Qualität" zu gelten, eine Auflösung von mindestens 16 Bit haben, was einem SNR von fast 100 dB entspricht.

Telefonie ist ein Sonderfall. Es erfordert zwar nicht viel Bandbreite, aber einen Dynamikbereich von 13 bis 14 Bit. (Die verwendete Codierung reduziert jedoch das SNR auf etwa 7 Bits.) UTP (Unshielded Twisted Pair) wird nur verwendet, weil es so billig herzustellen ist und so viel davon benötigt wird.

Der wichtigste technische Unterschied besteht darin, wie sie Störungen abweisen. Twisted Pair ist darauf angewiesen, dass die Interferenz beide Drähte gleichermaßen beeinflusst und Gleichtaktstörungen erzeugt, die vom Differentialempfänger leicht unterdrückt werden. Dies funktioniert gut für magnetische Interferenzen bis zu sehr niedrigen Frequenzen.

Das Koaxialkabel stützt sich auf magnetische Störungen, die im Schirm entgegengesetzte Ströme induzieren, die das Magnetfeld im Inneren aufheben. Eindringen des Magnetfeldes in das Kabel begrenzt wird durch Skineffekt . Dies funktioniert gut bei HF-Frequenzen, ist jedoch bei Audio- und Stromleitungsfrequenzen schlecht bis unbrauchbar. Bei 50 Hz beträgt die Hauttiefe ~ 9 mm, sodass die Interferenz direkt durch die Abschirmung verläuft.

Welche am besten geeignet ist, hängt weitgehend von den beteiligten Frequenzen und der Art der möglicherweise vorhandenen Interferenz ab, aber es ist nicht der einzige Grund, eine über die andere zu wählen.

Analoge Telefonleitungen müssen häufig über große Entfernungen in der Nähe von Stromleitungen verlaufen, während Audiosignale mit relativ niedrigem Pegel übertragen werden. Das menschliche Ohr reagiert sehr empfindlich auf Netzoberwellen, die Koaxialkabel nicht zurückweisen könnten. Koaxialkabel sind außerdem sperriger und teurer, was eine große Sache ist, wenn Sie Tausende von Kabeln über viele Kilometer verlegen müssen. Stellen Sie sich das vor , aber mit 1800 einzelnen Koaxialkabeln, die zusammen gebündelt sind ...

Twisted Pair kann auch bei höheren Frequenzen gut funktionieren, die Kabelabmessungen können jedoch ungünstig sein. Bei Fernsehgeräten wurde ein 300-Ω-Flachbandkabel verwendet, das bei UKW-Frequenzen einen geringeren Verlust aufweist als Standard-Koaxialkabel. Es war jedoch ärgerlich, es zu verwenden, da es vom Metalldach usw. ferngehalten werden musste, anfällig für Witterungsschäden war und ein Balun erforderlich war, um es am Empfänger auf 75 Ω unsymmetrisch umzustellen.

Bei höheren Frequenzen hat Koaxialkabel den Vorteil geringerer Verluste und größerer Bandbreite in einem robusten Kabel mit hervorragender Abschirmung, und das unsymmetrische Signal ist leichter zu verbinden. Die Kabelwege sind im Allgemeinen kurz, sodass die Kosten nicht so sehr ins Gewicht fallen - mit Ausnahme von CATV. Im Gegensatz zu Telefonen benötigt jedoch jeder Teilnehmer keinen eigenen Stromkreis, sodass ein einziges Kabel Tausende von Zuschauern bedienen kann (modernes CATV besteht hauptsächlich aus Glasfasern) Optik, so dass Koax-Läufe viel kürzer sind).

Koaxialkabel werden häufig für die Audioverbindung zwischen Komponenten und Geräten im Inneren verwendet, obwohl sie nicht sehr effektiv gegen niederfrequente magnetische Störungen sind. Die Schaltungsimpedanzen liegen jedoch im Allgemeinen im Bereich von 1 k bis 1 M, sodass magnetische Interferenzen (die hohen Strom, aber niedrige Spannung erzeugen) weniger problematisch sind. Das Koaxialkabel schützt weiterhin vor elektrischen Feldern (die bei höheren Impedanzen eine größere Auswirkung haben) und HF-Störungen aller Art. Audiosignale mit niedrigem Pegel müssen möglicherweise besser geschützt werden, und dann wird häufig abgeschirmtes Twisted Pair verwendet. Dies kombiniert die Vorteile beider Kabeltypen.

Ich kann sehen, dass das 50-Ohm-Konzept gut ist, um Reflexionen in der Übertragungsleitungstheorie loszuwerden. Aber wie kommt es, dass die Unsymmetrie von Koaxialkabeln keine Probleme mit dem Impedanzausgleich verursacht?

Symmetrisch oder asymmetrisch macht keinen Unterschied für die Impedanzanpassung, und eine präzise Anpassung ist sowieso nicht immer erforderlich. Wenn die Kabellänge viel kürzer als die Signalwellenlängen ist, sind Reflexionen in den meisten Anwendungen kein Problem. Niemand kümmert sich um die Koaxialimpedanz in Audioanwendungen, und selbst Composite-Video (mit einer Bandbreite von ~ 6 MHz) wird von nicht passenden Kabeln in Gerätekabeln nicht sichtbar beeinträchtigt.

Ein völlig anderer Grund, warum Koax für das Fernsehen bevorzugt wird, ist der Frequenzgang.

Die mit Twisted Pair verbundenen Verluste steigen mit der Frequenz schnell an, bis zu dem Punkt, an dem DSL- Modems Schwierigkeiten haben, selbst die niedrigsten 10 MHz Bandbreite in analogen Telefonanschlüssen zu nutzen. Aus dem gleichen Grund ist High-Speed-Ethernet ( 1G , 10G und höher ) über Twisted Pair auf sehr kurze physikalische Verbindungslängen (höchstens 100 m) beschränkt - und erfordert eine Menge moderner Technologie, um dorthin zu gelangen.

Koax hingegen hat (und hatte schon immer) einigermaßen geringe Verluste bei den für das Fernsehen erforderlichen VHF- und UHF-Frequenzen (10 MHz bis 1 GHz).

Vereinfacht gesagt:

Koaxialkabel rollen die flache Erdungsansicht so auf, dass sie eine starke Symmetrie und kein "Äußeres" aufweist (zuvor "Unten").

Plus Skin-Tiefe in den Kabeln bedeutet, dass das Äußere des Mantels (bei höheren Frequenzen) effektiv vom Inneren des Mantels isoliert ist, der mit dem Kern interagiert.

Trotzdem sind symmetrische Kabel bei sachgemäßer Verwendung von großem Vorteil. Beachten Sie, dass die Impedanzen zum gemeinsamen Punkt ausgeglichen sind, nicht die „Spannungen“ (die eine willkürliche Referenz haben, da es sich immer um Potenzialunterschiede handelt). Ausgeglichene Systeme wirken wie Wheatstone-Brücken, bei denen im vernetzten Arm nichts fließt.