CoaXPress 케이블 길이
내 시스템에서 사용할 수 있는 최대 케이블 길이가 얼마인가요?
CoaXPress 케이블 길이 고려 사항
CoaXPress 표준은 단일 동축 케이블을 사용하여 고속 데이터 다운스트림(일반적으로 카메라에서 프레임 그래버로), 저속 제어 데이터 및 DC 전원(프레임 그래버에서 카메라로)을 전송하도록 설계된 잘 알려진 고속 인터페이스입니다. 이 인터페이스는 2010년에 처음 출시되었으며, 현재까지도 고객과 채택자들로부터 가장 많이 받는 질문 중 하나는 “내 시스템에서 사용할 수 있는 최대 케이블 길이가 얼마인가요?”이며, 이 질문에 대한 답변은 일반적으로 “상황에 따라…”입니다.
이 글에서는 최대 도달 가능 거리에 영향을 미치는 동축 케이블의 기본 특성, CoaXPress 표준의 관점에서 이러한 특성이 미치는 영향, 마지막으로 표준 한계를 넘어서는 솔루션이 무엇인지 소개함으로써 이 질문에 답하고자 합니다.
동축 케이블: 감쇠량 대 주파수
동축 케이블은 19세기에 병렬 케이블 간의 신호 간섭을 제거하기 위해 만들어졌습니다. 현대의 동축 케이블은 라디오 방송국부터 고속 컴퓨터 시스템에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에서 고주파 전기 신호를 송수신하는 데 널리 사용됩니다.
동축 케이블의 최대 길이를 제한하는 주요 특징은 케이블을 따라 발생하는 신호 감쇠입니다. 일반적으로 100피트 또는 100m당 데시벨(dB/100피트 또는 dB/100m)로 표시되는 케이블 감쇠량은 주파수에 따라 달라집니다. 즉, 전송되는 주파수의 함수에 따라 달라집니다.
아래 그래픽에서 동일한 애플리케이션 영역을 대상으로 하는 네 가지 케이블의 일반적인 감쇠량 대 주파수 곡선을 볼 수 있습니다. 이러한 곡선은 일반적으로 케이블 제조업체에서 제공하며, 감쇠는 케이블의 대상 애플리케이션 영역에서 사용되는 주파수에서 측정됩니다.
위 그래프에서 케이블 A는 직경이 2.5mm에 불과한 얇고 가벼운 케이블로, 네 가지 케이블 중 감쇠량이 가장 큽니다. 케이블 B와 C는 외경이 7mm로 동일하지만 기계적 특성이 다릅니다. 케이블 B는 유연하게제작되어 케이블이 작동 중 여러 번 구부러지는 환경에 노출되는 애플리케이션에 적합합니다. 케이블 C는 굽힘 주기가 제한된 고정 설비에 사용되는 더 일반적인 케이블입니다. 케이블 D는 외경이 10mm인 두껍고 무거운 케이블로, 전반적으로 감쇠량이 작습니다.
| Cable Type | Cable Diameter (mm) | Mechanical Characteristic | Attenuation (comparison) |
|---|---|---|---|
| Cable A | 2.5 | Rigid (single core) | – – – – |
| Cable B | 7 | Flexible (stranded core) | – – – |
| Cable C | 7 | Rigid (single core) | – – |
| Cable D | 10 | Rigid (single core) | – |
시스템에서 사용할 수 있는 최대 케이블 길이를 구하려면 시스템 수신기에서 허용하는 최대 신호 감쇠량을 알아야 합니다. 예를 들어 수신기에서 허용되는 신호 감쇠량이 3000MHz에서 -17dB인 시스템에서는 목표 주파수에서 알려진 케이블 감쇠량에 최대 허용 신호 감쇠량(이 경우 -17dB)을 교차하여 곱하면 됩니다. 케이블 A, B, C, D에 대해 3000MHz에서 최대 케이블 길이를 계산하면 다음 결과를 얻을 수 있습니다.
| Cable Type | Cable Attenuation (dB/100m) | Target Frequency (MHz) | Max. Signal Attenuation (dB) | Max. Cable Length (m) |
|---|---|---|---|---|
| Cable A | -120 | 3000 | -17 | 14.2 |
| Cable B | -52 | 32.7 | ||
| Cable C | -35 | 48.6 | ||
| Cable D | -23 | 73.9 |
이 예에서 볼 수 있듯이 “상황에 따라…”라는 답이 여전히 맞습니다. 케이블을 따라 발생하는 신호 감쇠량은 동축 케이블의 코어 도체 직경, 케이블이 단일 강성 구리 도체로 만들어졌는지 또는 유연성을 높이기 위해 연선으로 만들어졌는지 여부, 품질, 절연 재료 등 여러 요인에 따라 크게 달라집니다. 간략히 분석을 하자면, 얇고 가벼운 케이블은 신호 감쇠량이 커서 케이블 도달 거리가 짧고, 두껍고 무거운 케이블은 신호 감쇠량이 작아 케이블 도달 거리가 길다고 말할 수 있습니다. 케이블의 품질과 직경이 비슷한 경우, 감쇠량은 기계적 특성에 따라 다음과 같이 달라질 수 있습니다.
- 유연성 증가(연선 코어) = 감쇠량 증가
- 유연성 감소(강성 코어) = 감쇠량 감소
CoaXPress 표준의 케이블 길이
앞서 설명한 바와 같이, 특정 주파수에서 최대 케이블 길이를 계산하려면 해당 주파수에서 시스템수신기가 허용하는 최대 감쇠량과 케이블의 해당 신호 감쇠량을 알아야 합니다. CoaXPress 표준은 수신기 측에서 허용되는 최대 신호 감쇠량뿐 아니라 케이블에 허용되는 최대 감쇠량도 명시합니다. 그 이유는 케이블 제조업체가 카메라 및 프레임 그래버와 같은 다른 CoaXPress 인증 제품과 상호 운용할 수 있는 기성 제품을 인증할 수 있게 하여 사용자 경험을 개선하기 위해서입니다. 아래 표는 수신기 및 케이블에 허용되는 최대 고속 신호 감쇠량을 나타냅니다.
| CoaXPress Speed | Bit Rate (Gbps) | Frequency (GHz) | Attenuation @ Receiver (dB) | Attenuation @ Cable (dB) |
|---|---|---|---|---|
| CXP-1 | 1.250 | 0.625 | -22.0 | -21.2 |
| CXP-2 | 2.500 | 1.250 | -27.2 | -26.0 |
| CXP-3 | 3.125 | 1.5625 | -28.1 | -26.8 |
| CXP-5 | 5.000 | 2.500 | -22.6 | -20.9 |
| CXP-6 | 6.250 | 3.125 | -17.8 | -15.8 |
| CXP-10 | 10.000 | 5.000 | -23.4 | -20.8 |
| CXP-12 | 12.500 | 6.250 | -20.9 | -17.9 |
수신기와 케이블의 최대 감쇠량 차이로 인해 케이블이 수신기에서 허용되는 최대 길이보다 몇 미터 더 짧아야 하는 안정성 마진이 생깁니다. 이 여유를 통해 CoaXPress 인증을 받은 모든 기성품 케이블이 인증된 프레임 그래버 및 카메라와 상호 운용될 수 있습니다.
케이블 A, B, C, D의 예로 돌아가면 다음과 같은 최대 길이를 구할 수 있습니다.
여기서 “상황에 따라…”라는 답이 다시 한번 옳다는 것을 알 수 있습니다. 케이블 C를 예로 들면, CXP-12 시스템에서는 최대 34m까지 케이블이 길어질 수 있지만, CXP-3 시스템에서는 동일한 케이블이 최대110m까지 길어질 수 있습니다! 이는 시스템 매개변수도 지원되는 최대 케이블 길이에 영향을 줄 수 있다는 것을 보여줍니다.
CoaXPress 표준은 또한 카메라 제어에 사용되는 저속 신호(프레임 그래버에서 카메라로의 업스트림)에 대해 허용되는 최대 감쇠량을 명시하고 있습니다. 아래 표는 수신기 및 케이블에 허용되는 최대 저속 신호 감쇠량을 나타냅니다.
| CoaXPress Speed | Bit Rate (Mbps) | Frequency (MHz) | Attenuation @ Receiver (dB) | Attenuation @ Cable (dB) |
|---|---|---|---|---|
| CXP-1 to 6 | 20.833 | 30 | -4.9 | -4.74 |
| CXP-10 to 12 | 41.666 | 60 | -2.6 | -2.5 |
예를 들어 케이블 A, B, C, D의 경우 저속 신호 감쇠량은 고속 감쇠량 매개변수에 기반한 케이블보다 긴 케이블을 제공하기 때문에 최대 케이블 길이에 영향을 미치지 않습니다. CoaXPress에서는 고속 신호와 저속 신호 모두 동일한 케이블에 존재하므로 케이블 길이는 가장 작은 결과에 의해 제한됩니다. 아래 그래프는 허용된 최대 저속 신호 감쇠량 매개변수를 사용한 결과를 보여줍니다.
케이블을 따라 발생하는 신호 감쇠량 외에도 CoaXPress의 케이블 길이는 케이블의 왕복 DC 저항의 영향을 받을 수 있습니다. 그 이유는 CoaXPress가 데이터 전송에 사용되는 것과 동일한 동축 케이블을 통해 카메라에 전원을 공급할 수 있기 때문입니다. PoCXP(Power over CoaXPress)라고 하는 이 기능은 최대 전류 703mA에 대해 3.5V의 전압 강하 예산을 가지며, 이는 최대 왕복 DC 저항 4.98Ω을 제공합니다.
이 매개변수를 케이블 A, B, C, D에 적용하면 다음과 같은 최대 케이블 길이를 구할 수 있습니다.
이러한 결과는 DC 저항이 케이블 A와 같은 얇은 케이블에 더 중요하다는 것을 보여줍니다. DC 저항은 모든 CXP 속도에서 동일하므로 케이블 A의 최대 길이는 19m로 제한되지만 케이블 B, C, D의 경우 DC 저항은 영향을 미치지 않습니다.
마지막으로 고속 및 저속 케이블 감쇠량과 왕복 DC 저항에 대한 모든 결과를 사용하여 다음과 같은 최대 케이블 길이 그래프를 얻을 수 있습니다.
또한 CoaXPress 표준과 관련하여 흔히 잘못 알고 있는 점은 표준 문서에 예시로 제시된 최대 케이블 길이입니다. CoaXPress 표준은 필수 매개변수가 케이블 길이에 미치는 영향을 설명하기 위해 이 문서에서 Belden 1694A를 참조로 사용합니다. 많은 독자들이 Belden 1694A의 결과를 CoaXPress의 절대적인 최대 케이블 길이로 여기지만, 이 글에서 살펴본 바와 같이 이는 특정 케이블에 대한 결과일 뿐입니다.
기성품 CoaXPress 케이블
실제로 CoaXPress 사용자는 여기에 제시된 대로 케이블 길이 분석을 할 필요가 없습니다. 여러 회사에서 CoaXPress 표준 요구 사항을 준수하는 기성품 케이블 어셈블리를 제공합니다. 이러한 회사 중 다수는 CoaXPress 표준을 주관하는 일본 산업 이미징 협회(JIIA)에서 케이블을 인증받기도 했습니다. 이 인증은 모든 CoaXPress 구성 요소(카메라, 프레임 그래버, 케이블)의 상호 운용성을 보장합니다.
기성품 CoaXPress 케이블을 제공하는 회사 목록은 다음과 같습니다.
표준의 한계를 뛰어넘어
CoaXPress 이퀄라이저 2세대
CoaXPress 표준 v2.0에 CXP-10 및 CXP-12 속도가 도입되면서 카메라 및 프레임 그래버 제조업체는 케이블 드라이버 및 이퀄라이저와 같은 고속 등급의 구성 요소를 활용하여 최대 12.5Gbps까지 도달할 수 있게 되었습니다. 이 2세대 구성 요소는 감쇠율이 높은 신호에서 직렬 데이터를 검색하는 데 더 나은 감도를 제공합니다. 이 새로운 세대의 컴포넌트의 또 다른 장점은 1세대 CoaXPress 이퀄라이저에 비해 CXP-1에서 CXP-6 속도에서 더 긴 케이블을 지원할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, Euresys는 케이블 길이가 72m인 2세대 이퀄라이저에서 CXP-6으로 실행되는 시스템을 검증했는데, 이는 CoaXPress 표준에 명시된 케이블 길이보다 140% 더 긴 케이블 길이입니다.
CXP-1~CXP-6 속도에 대해 CoaXPress 표준에 명시된 최대 감쇠량과 2세대 구성 요소로 얻은 감쇠량 간에 차이가 나는 이유는 CoaXPress에서 제공하는 기성품 경험 때문입니다. 인증된 CoaXPress 케이블은 모든 세대의 CoaXPress 구성 요소와 상호 운용되어야 하며, CXP-6에서 72m의 케이블을 사용한 예의 경우, 동일한 케이블은 1세대 CoaXPress 이퀄라이저에서 지원되지 않습니다.
2세대 구성 요소의 향상된 감도를 활용하는 시스템은 기성품 케이블이 아닌 맞춤형 케이블을 사용해야 합니다. 이러한 맞춤형 케이블은 카메라 및 프레임 그래버 제조업체와 함께 시스템 통합업체의 기능 검증이 필요합니다.
CoaXPress-over-Fiber
장거리 전송에 가장 경제적인 솔루션은 광섬유를 전송 매체로 사용하는 것입니다. 광 케이블은 동축 케이블보다 훨씬 가볍고 얇고 저렴하며 매우 긴 거리에서 매우 높은 대역폭을 제공할 수 있습니다.
CoaXPress 표준의 확장으로 CoaXPress-over-Fiber가 도입되면서 표준에 명시되어 있는 동축 케이블길이를 넘어서는 간편한 솔루션이 확보되었습니다. 광섬유를 사용하면 케이블 혼잡 감소, EMI 내성 및 더 빠른 속도 등 다른 장점도 있지만, 이러한 주제는 이 글의 범위에서 벗어납니다. 또한 동축 케이블을 통한 PoCXP의 경우처럼 광케이블을 통해 전원을 공급할 수 없습니다.
동축 케이블의 최대 길이를 초과하는 두 가지 광섬유 솔루션이 있습니다. 첫 번째 솔루션은 전적으로 CoaXPress-over-Fiber 표준을 기반으로 하는 시스템으로, 카메라와 프레임 그래버가 모두 표준을 준수하고 광섬유를 통해 직접 상호 연결됩니다. 두 번째 솔루션은 동축 케이블 기반의 CoaXPress 카메라를 CoaXPress-over-Fiber 프레임 그래버에 연결할 수 있는 컨버터를 통한 것입니다. 두 솔루션 모두 몇 미터에서 수십 킬로미터에 이르는 다양한 길이의 광케이블을 사용할 수 있습니다.
