非屏蔽雙絞線傳輸視頻補(bǔ)償放大器設(shè)計(jì)研究

劉駿 柴霖 李貴勇

（貴州省新聞出版廣電局七五一臺(tái)，貴州 貴陽(yáng) 550002）

0 引言

雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair，STP）兩種。屏蔽雙絞線在雙絞線與外層絕緣封套之間有一個(gè)金屬屏蔽層。屏蔽層可減少輻射，防止信息被竊聽(tīng)，也可阻止外部電磁干擾的進(jìn)入，使屏蔽雙絞線比同類的非屏蔽雙絞線具有更高的傳輸速率。屏蔽雙絞線在線徑上要明顯精于非屏蔽雙絞線，而且由于它具有較好的屏蔽性能，所以也具有較好的電氣性能。但由于屏蔽雙絞線的價(jià)格較非屏蔽雙絞線貴，且非屏蔽雙絞線的性能對(duì)于普通的企業(yè)局域網(wǎng)來(lái)說(shuō)影響不大，甚至說(shuō)很難察覺(jué)，所以在企業(yè)局域網(wǎng)組建中所采用的通常是非屏蔽雙絞線。

在1-2公里范圍視頻傳輸工程中，同軸不行，光纖太貴，雙絞線最好，它很好地解決了上面的難題。但是，電視頻段的信號(hào)在傳輸線中傳送時(shí)，由于電阻損耗和介質(zhì)損耗及輻射損耗，信號(hào)功率從進(jìn)入傳輸線傳送到負(fù)載時(shí)會(huì)衰減掉一些，且衰減量的大小與信號(hào)頻率有關(guān)，信號(hào)頻率愈高衰減量愈大。故本文討論實(shí)踐了長(zhǎng)距離在雙絞線上傳輸視頻信號(hào)的方法。

1 視頻信號(hào)的雙絞線傳輸原理

雙絞線傳輸視頻信號(hào)屬于平衡傳輸。視頻設(shè)備，包括信號(hào)源及顯示設(shè)備，其接口通常是非平衡式。因此要用雙絞線傳輸視頻信號(hào)，必需在發(fā)送端將非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào)，以便驅(qū)動(dòng)雙絞線，在接收端再將平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為非平衡信號(hào)，與顯示設(shè)備連接。因此，一個(gè)基本的雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)包括平衡發(fā)射器、傳輸線、差分信號(hào)接收器，如圖1所示。A1是差分信號(hào)發(fā)送放大器,實(shí)現(xiàn)非平衡到平衡的轉(zhuǎn)換，A2是差分信號(hào)接收放大器，實(shí)現(xiàn)平衡到非平衡的轉(zhuǎn)換[5]。

視頻信號(hào)要在雙絞線內(nèi)傳輸要解決兩個(gè)問(wèn)題：阻抗匹配和衰減補(bǔ)償。

標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)接口一般是75Ω、非平衡方式，而雙絞線傳輸時(shí)是100Ω、平衡方式，這樣用雙絞線傳輸視頻信號(hào)就要設(shè)法解決75Ω←→100Ω以及非平衡←→平衡的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。有兩種方法可以完成這種轉(zhuǎn)換：一種是采用傳輸變壓器的無(wú)源方式，它無(wú)須供電，但是會(huì)對(duì)信號(hào)有一定損失，驅(qū)動(dòng)能力有限;另外一種是采用有源方式，通過(guò)寬帶放大器和專用芯片，不僅可以完成阻抗和平衡方式的轉(zhuǎn)換，而且可以提供較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)和對(duì)圖像信號(hào)的放大補(bǔ)償，缺點(diǎn)是需要供電才能工作。

另外，視頻信號(hào)是一種高頻寬帶信號(hào)，帶寬達(dá)到6MHz，如果直接在雙絞線內(nèi)傳輸，信號(hào)的幅度會(huì)受到較大的衰減，在監(jiān)視器上表現(xiàn)為圖像的色彩變淡以及亮度變暗。因此，視頻信號(hào)在雙絞線上要傳輸較遠(yuǎn)距離必須進(jìn)行放大和補(bǔ)償，以保證圖像質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射器設(shè)計(jì)

能夠用于視頻傳輸系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)雙絞線的電路有多種形式，可以采用分立元件，也可以采用運(yùn)算放大器，且有多種運(yùn)算放大器可以完成單端信號(hào)到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換。用EL2880作為前端視頻補(bǔ)償放大器，把單端視頻信號(hào)一路放大三倍，一路反相放大三倍，驅(qū)動(dòng)器視頻信號(hào)在雙絞線上傳輸。EL2280是一款低功耗集成差分寬帶放大器，輸入信號(hào)是單端而輸出信號(hào)始終是差分形式，因而主要用于視頻傳輸應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)雙絞線。EL2280還具有高輸出電流驅(qū)動(dòng)，可輸出550mA，-3dB的帶寬為250MHz[8]?；倦娐啡鐖D3所示：

對(duì)輸入視頻信號(hào)進(jìn)行放大，利用EL2280在運(yùn)算放大器，使輸入信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程產(chǎn)生較小的功耗，并且利用EL2280也可把單輸入的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成差分信號(hào)。

發(fā)送端采用250MHz/3mA電流模式反饋放大器EL2280，非平衡的視頻信號(hào)通過(guò)同軸電纜送到EL2280，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成平衡的視頻信號(hào)，然后在雙絞線上傳輸，平衡的視頻信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中產(chǎn)生較小的功耗。輸入特性阻抗為75歐姆，輸出阻抗為100歐姆。因此，在信號(hào)輸入端加一個(gè)75歐的匹配電阻，在芯片的兩個(gè)輸出端各加一個(gè)50歐的匹配電阻。

2.2 接收器設(shè)計(jì)

MAX4445的作用是將雙絞線傳輸來(lái)的差分信號(hào)還原為單端輸出的視頻信號(hào)，且要求復(fù)合視頻信號(hào)的幅度保持在1V，3dB，輸出阻抗為75Ω。MAX4445是低功耗差分線接收器，-3dB帶寬550MHz，放大器的輸入共模電壓信號(hào)范圍為-5～+5V，差分信號(hào)輸入范圍為-3.7～+3.7V，如果輸入共?；虿钅Ｐ盘?hào)超出以上范圍將引起輸出信號(hào)失真。MAX4445的工作原理圖如圖4所示：

接收端采用具有550MHz帶寬，高速、低損耗的差分線接收芯片；此芯片的增益可調(diào)，增益調(diào)節(jié)公式：

在接收端首先把一個(gè)100歐的電阻跨接在雙絞線的兩端進(jìn)行阻抗匹配，然后把平衡的視頻信號(hào)傳到芯片，芯片和外圍電路一起工作，把平衡的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成非平衡的視頻信號(hào)，再接一個(gè)75歐的電阻進(jìn)行阻抗匹配，然后在顯示器上顯示。

從攝像頭采集的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)前端的補(bǔ)償放大器放大，雙絞線的傳輸，視頻信號(hào)有一定衰減后到達(dá)末端補(bǔ)償放大器。在末端放大器把傳來(lái)的視頻信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償放大。從而使平衡的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成非平衡的視頻信號(hào)，BNC非平衡輸出，最后信號(hào)輸入電視顯示。MAX4445增益可調(diào)，通過(guò)電位器改變芯片的增益從而調(diào)制傳輸距離，改變圖像質(zhì)量。這樣就可以在電視顯示的圖像與攝影機(jī)原圖像比較，沒(méi)有任何差別。

系統(tǒng)采用在接收端制作直流穩(wěn)壓電源給接收模塊供電，再提供適當(dāng)電壓給發(fā)送模塊供電。在接收模塊制作一個(gè)±5V的直流穩(wěn)壓電源，±5V的直流穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)前端用到芯片EL2280,此芯片雙端供電電壓是±1.5V～±6V；單電源供電是+3V～+12V。用一對(duì)雙絞線來(lái)為前端模塊提供電源，為了使前端能得到一個(gè)穩(wěn)定的電壓，我們把接收端的±15V的直流穩(wěn)壓電源傳到發(fā)送端，會(huì)有2～3V的衰減，然后經(jīng)過(guò)7805、7905在末端穩(wěn)壓，再經(jīng)過(guò)電容濾波產(chǎn)生±5V的電源，給發(fā)送模塊供電。

3 補(bǔ)償放大器設(shè)計(jì)

視頻信號(hào)在雙絞線中傳輸時(shí)，由于電阻損耗、介質(zhì)損耗及輻射損耗，信號(hào)功率從進(jìn)入傳輸線傳送到負(fù)載時(shí)會(huì)衰減掉一些，且衰減量的大小與傳輸距離和信號(hào)頻率有關(guān)，傳輸距離越遠(yuǎn)，信號(hào)頻率越高衰減量越大[11]。經(jīng)過(guò)一定距離的傳輸視頻圖象就會(huì)變得不清晰，尤其是高頻部分，表現(xiàn)為圖像的邊緣處模糊不清，整體亮度偏暗。因此在發(fā)射端必須設(shè)置一定的增益，在接收端進(jìn)行頻率加權(quán)補(bǔ)償，即頻率越低增益越低，頻率越高增益越高，對(duì)不同頻率呈現(xiàn)不同的傳輸特性。經(jīng)過(guò)雙絞線的長(zhǎng)距離傳輸，視頻信號(hào)衰減明顯，特別是高頻段衰減更加明顯。

補(bǔ)償方法有兩種：一種是預(yù)提升方法；另一種是后補(bǔ)償方法。

所謂的預(yù)提升方法是指要傳輸?shù)囊曨l信號(hào)在傳輸前預(yù)先把信號(hào)的高頻段提升到一定幅度，經(jīng)過(guò)雙絞線傳輸時(shí)高頻部分要跌落，使視頻信號(hào)傳輸?shù)浇邮拯c(diǎn)時(shí)成為高頻和低頻部分的幅度一樣平。視頻測(cè)試信號(hào)(脈沖串)的預(yù)提升信號(hào)如圖5所示：

所謂后補(bǔ)償方法也就是傳輸?shù)囊曨l信號(hào)在經(jīng)過(guò)雙絞線傳輸后再把信號(hào)的高頻段提升一定的幅度，來(lái)抵消經(jīng)過(guò)雙絞線傳輸時(shí)跌落的高頻部分，使視頻信號(hào)成為高頻和低頻部分的幅度一樣平。

從圖6可以看出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償以后，從以上兩條曲線的相互作用看出，兩條曲線在5MHz處起到了相互抵消，而使得在5～6MHz一段頻率上得到較平坦的衰減特性。

4 結(jié)論

高頻預(yù)提升和補(bǔ)償具體運(yùn)用在1.2km五類雙絞線傳輸視頻信號(hào)的試驗(yàn)中，效果很好，經(jīng)過(guò)高頻預(yù)提升和補(bǔ)償，無(wú)論從接收端送到顯示器上的信號(hào)或在顯示器上看到的圖形都比較滿意。在試驗(yàn)中還觀察到高頻預(yù)提升和補(bǔ)償可以具體運(yùn)用于不同長(zhǎng)度雙絞線傳輸視頻信號(hào)時(shí)而進(jìn)行不同的補(bǔ)償或預(yù)提升，這樣使得經(jīng)雙絞線傳輸后接收到的信號(hào)達(dá)到最佳接收狀態(tài)。

本文通過(guò)討論預(yù)提升和補(bǔ)償?shù)霓k法，對(duì)不同長(zhǎng)度的雙絞線在傳輸高頻信號(hào)時(shí)進(jìn)行不同的補(bǔ)償，使輸出的視頻圖像信號(hào)得到很好的補(bǔ)償效果，再加上驅(qū)動(dòng)器和接收器，使用雙絞線來(lái)傳視頻圖像信號(hào)的長(zhǎng)度可以達(dá)到1km以上。

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