如何利用差分信令获得更好的模拟视频信号

2007-06-27 11:05:11来源: 电子系统设计 关键字:低压  发射  保护  电源

与单端信令相比,差分信令有许多优势:电磁干扰(EMI)低、失真少、电源电压低并且成本也低。这些优势促进差分信令在许多应用中得到采用,包括数字(低压差分信令,即LVDS)应用和模拟应用(音频)。对模拟视频而言差分信令也有类似优势,但由于一些原因,大多数视频应用还在继续采用单端75Ω同轴电缆连接。

采用差分信令和低成本的CAT5网络电缆,可将模拟视频传输到很远的距离,从而降低视频互连和传输的成本。CAT5电缆在安全系统、闭路电视(CCTV)和汽车系统等普通应用中具有较高的成本效益。

如果系统配置中有大量的摄像头等视频源,特别是用于安全系统或CCTV系统的摄像头,那么通过互联网协议的视频可能是比较理想的选择方案。但当系统具有少量视频源且总系统成本非常重要时,模拟视频互连可以提供最佳性价比,这是因为这种系统不要求压缩或任何软件控制。

实现差分模拟视频的障碍在于缺乏可以通过差分电缆转换、传输和接收视频,并同时还提供一个与现有75单端视频电路进行接口的低成本发射器-接收器IC。实现这种功能需要大量电路,(至少)包括一个平衡-不平衡变压器电路,这个电路具有补偿电缆损耗的振幅均衡功能,以及稳定视频黑电平的箝位或偏置功能。这个IC还将要求I/O保护、单电源供电、故障诊断功能以及低成本。下面通过数百米CAT5电缆发送视频讨论时必须考虑的问题。

通过CAT5电缆传输模拟视频的实际问题

建立一个针对模拟视频的CAT5传输系统涉及许多重要问题。与同轴电缆等传统方法相比,CAT5双绞线具有诸多优势。第一个优势是成本优势,CAT5电缆比同轴电缆便宜得多,这得益于前者在电脑网络中的广泛应用。

在许多情况下,CAT5电缆可能已经安装,但却没再被使用,这可能是因为已经升级到可以支持速度更高的数字数据的CAT6电缆。在这种情况下,旧的CAT5电缆可以用来传输分量模拟视频(三个通道+同步)或者带有一些额外控制信号的合成视频广播信号(CVBS)。

对发射器来说,CAT5电缆有四根双绞线(8芯线),因此如果我们需要多个通道同时传输信号,就必须处理好通道之间的串扰问题。差分驱动器和接收器组合的CMRR在视频带宽为0~5MHz时至少必须为30dB。现在的大多数差分驱动器/接收器都满足这一规格,并且有一部分是专门为驱动CAT5电缆而设计的。

CAT5电缆的另一个问题是高频损耗远远高于同轴电缆,这意味着设计工程师必须在电缆长度超过3米左右时考虑增加某种电缆均衡。这种需求一定程度上的确取决于系统必须维持的视频信号质量标准。同一CAT5电缆中双绞线的频率损耗是不同的,因此不同通道会产生不同延迟。对于较长的CAT5电缆,设计工程师必须在接收端附加一个选择方案来修正延迟误差。使用四根独立的同轴电缆则不存在这类问题,这是因为等长的同轴电缆具有相同延迟。

基本互连

采用CAT5电缆有几种基本的互连选择方案(67页图1),为应用选择最佳配置取决于具体条件以及为差分驱动器/接收器选择的IC。制造商通常会提供有关具体IC的最佳和效率最高配置的信息和实例,这里讨论的配置问题应提供附加指导,以帮助确定采用哪个选择方案可达到最佳效果。若我们有一个低压单电源(首选的)供电系统,一般需要在输入端增加视频箝位电路,以便在视频信号发生变化时维持正确的直流电平。在具有足够电压摆幅空间的双电源供电环境(±5V或同等电压)中不需要箝位电路。

此外,直流耦合系统或交流耦合系统的选择取决于具体的应用。例如,如果我们不希望源和目标之间有较大的地电位差,并且差分驱动器/接收器是同一家制造商生产的,那么直流耦合系统就是较好的选择方案。它可以提供较低的低频失真、不需要较大的去耦电容、不会产生垂直倾斜,并且在接收端不需要直流恢复电路或箝位电路。

另外,我们可能希望系统中源和目标间有较高的地电位差(5V、10V或更高),也可能不得不采用不同制造商生产的驱动器和接收器芯片,或者可能只设计驱动器端而不了解接收端的情况。在以上情况中,交流耦合连接都是较好的选择方案,这种连接可提供更高的灵活性。

多通道视频的传输问题

CAT5电缆有多条双绞线,非常方便用在需要多个视频通道的应用。如当必须传输四个视频分量(RGB信号和复合同步信号)或者YPbPr分量信号时,设计工程师必须确保维持直流箝位电平。

直流箝位电平非常关键,因为Y、G、B或R分量的直流箝位电平不同于Pb和Pr分量。当然,如果需要,可以从Y/G通道中抽取同步信息。R和B通道也可能包含同步信号,但这不是强制的,设计工程师不能假设通过R通道或B通道可以获得同步信息。通道Pb和Pr不包含同步信息。请注意,如果我们需要通过同一CAT5电缆传输同步信息,首先必须对合成同步信号进行滤波。无论驱动器/接收器IC的组合是如何好,高频和高能量同步边沿都会由于串扰而在视频信号中以噪声形式显示出来。这导致了将同步带宽限制在最大1MHz左右的强烈要求,最大同步带宽值取决于所选的驱动器/接收器组合。

最后一个任务是处理各个通道之间的延迟差。CAT5电缆内的四根双绞线由于电缆长度、电缆位置和温度的不同而具有不同的信号延迟。由于人眼对通道之间的相位误差非常敏感(色差),电缆驱动器/接收器电路须补偿延迟差,目标处所有通道的误差都应小于3ns。为进行补偿,许多设计都采用模拟或电荷耦合器件(CCD)可调节延迟线路(调节范围为0~50ns)。延迟修正可手动或自动进行,当然自动延迟修正更方便但成本也更高。

当数据(摄像头的控制命令)和视频必须通过同一电缆进行传输时(图2详见本刊网站),CAT5电缆还可以用于监视或安全系统中。在这个整合的系统中,摄像头将模拟视频发送给主机系统,同时主机将命令数据发送给摄像头(摇移、倾斜、变焦等)。

在本例中,假设CAT5电缆并不太长(10~20英尺),并且系统不需要电缆EQ补偿。图2a中的电路采用一根双绞线用于视频和数据通道,而图2b中电路的视频通道和数据通道分别位于不同的双绞线,但采用了相同的CAT5电缆。在这两种情况中非常重要的一点是:驱动器/接收器组合的CMRR保持在30dB以上,以通过设置时序来控制通道只在视频垂直折回期间被激活。这有助于最大限度地减少可能出现视频通道中的可视噪声。

如果我们需要与远处(30~1,000英尺以上)的摄像头进行通信,必须采用不同的方法,这是因为CAT5电缆需要电缆EQ补偿。但我们无法将EQ补偿应用到数据通道中,因为EQ补偿采用高频提升功能,而这是不可接收的。此问题的一个可行解决方案是对数据通道中的控制信号采用相位调制。上述示例采用的都是单向通道,但并不仅限于此。在增加了某些硬件之后,数据通道可以双向工作。

电缆均衡

使用CAT5电缆时,电缆长度是不得不考虑的一个因素。对于长距离互连,我们必须选择可实现电缆EQ/增益修正的差分驱动器/接收器IC。某些情况下我们需要可调节电缆EQ,因此设计工程师将有多个选择方案可以考虑。但是并非所有差分驱动器/接收器都有可调节电缆EQ。典型的CAT5频率特性为高频损耗与电缆长度,系统可以实现高频信号损耗的补偿。这里以采用美信公司的MAX9546/47差分CAT5驱动器/接收器构建的系统为例。对于不同供应商的驱动器/接收器组合,具体的EQ网络会有所变化,但基本原则相同。

驱动器芯片包含视频箝位和误差检测电路,以及检测短路或输出端无连接的能力。这消除了增加额外支持元器件的需要、简化了总系统设计。源和目标之间的互连是直流耦合的,采用MAX9546/47时,可以在接收端增加EQ和增益补偿。

补偿可以采用复杂的RC网络替换定义接收器增益的外部电阻Zt来增加。补偿网络包含仅由R设定的直流增益条件和由R1×C1、R2×C2以及R3×c3设定的三个交流条件。这些条什并联组合时会形成复杂的阻抗Zt,增益等式如下:

VOUT/VIN=K×(Rl/Zt)

其中,K为电流增益(内部设定为1)、R1为外部输出电阻(如68页图3所示)。这种组合可以有效地补偿1,000英尺(300m)以内的高频损耗。对于某些应用,补偿距离可高达1,500英尺(450m)。高出这个长度时Zt无效,并会增加增益且提升高频、降低信噪比(降至45dB以下)和K系数(>3%)。

对于长距离应用,我们需要进行某种形式的调制。在下面示例中,EQ网络是一个覆盖一定频率范围的模块。EQ网络基于三个R×C元器件,但用户可以通过增加R×C元器件数来达到更精确的频率补偿。

EMI考虑

分别通过单端RG-59同轴电缆、差分CAT5非屏蔽双绞线(UTP)、带单端放大器的标准UTP将CVBS信号传输到电视会产生典型结果。接下来,用RF信号干扰电缆来测试电缆的干扰。当出现可视干扰时,信号电平会降低,直到干扰不再可视,干扰水平以V/m计。总之,差分信令与同轴电缆的性能相当,但对某些应用来说,差分信令的性能可能更好且成本更低。成本和性能优势使差分信令胜出一筹,然而在产品中采用差分信令还需解决具体的设计问题。

关键字:低压  发射  保护  电源

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