非屏蔽雙絞線傳輸視頻補償放大器設計研究

劉駿 柴霖 李貴勇

（貴州省新聞出版廣電局七五一臺，貴州 貴陽 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金屬屏蔽層。屏蔽層可減少輻射，防止信息被竊聽，也可阻止外部電磁干擾的進入，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格較非屏蔽雙絞線貴，且非屏蔽雙絞線的性能對于普通的企業局域網來說影響不大，甚至說很難察覺，所以在企業局域網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，電視頻段的信號在傳輸線中傳送時，由于電阻損耗和介質損耗及輻射損耗，信號功率從進入傳輸線傳送到負載時會衰減掉一些，且衰減量的大小與信號頻率有關，信號頻率愈高衰減量愈大。故本文討論實踐了長距離在雙絞線上傳輸視頻信號的方法。

1 視頻信號的雙絞線傳輸原理

雙絞線傳輸視頻信號屬于平衡傳輸。視頻設備，包括信號源及顯示設備，其接口通常是非平衡式。因此要用雙絞線傳輸視頻信號，必需在發送端將非平衡信號轉換為平衡信號，以便驅動雙絞線，在接收端再將平衡信號轉換為非平衡信號，與顯示設備連接。因此，一個基本的雙絞線視頻傳輸系統包括平衡發射器、傳輸線、差分信號接收器，如圖1所示。A1是差分信號發送放大器,實現非平衡到平衡的轉換，A2是差分信號接收放大器，實現平衡到非平衡的轉換[5]。

視頻信號要在雙絞線內傳輸要解決兩個問題：阻抗匹配和衰減補償。

標準視頻信號接口一般是75Ω、非平衡方式，而雙絞線傳輸時是100Ω、平衡方式，這樣用雙絞線傳輸視頻信號就要設法解決75Ω←→100Ω以及非平衡←→平衡的轉換問題。有兩種方法可以完成這種轉換：一種是采用傳輸變壓器的無源方式，它無須供電，但是會對信號有一定損失，驅動能力有限;另外一種是采用有源方式，通過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換，而且可以提供較強的驅動和對圖像信號的放大補償，缺點是需要供電才能工作。

另外，視頻信號是一種高頻寬帶信號，帶寬達到6MHz，如果直接在雙絞線內傳輸，信號的幅度會受到較大的衰減，在監視器上表現為圖像的色彩變淡以及亮度變暗。因此，視頻信號在雙絞線上要傳輸較遠距離必須進行放大和補償，以保證圖像質量。

2 系統設計

2.1 發射器設計

能夠用于視頻傳輸系統中驅動雙絞線的電路有多種形式，可以采用分立元件，也可以采用運算放大器，且有多種運算放大器可以完成單端信號到差分信號的轉換。用EL2880作為前端視頻補償放大器，把單端視頻信號一路放大三倍，一路反相放大三倍，驅動器視頻信號在雙絞線上傳輸。EL2280是一款低功耗集成差分寬帶放大器，輸入信號是單端而輸出信號始終是差分形式，因而主要用于視頻傳輸應用中驅動雙絞線。EL2280還具有高輸出電流驅動，可輸出550mA，-3dB的帶寬為250MHz[8]。基本電路如圖3所示：

對輸入視頻信號進行放大，利用EL2280在運算放大器，使輸入信號在傳輸的過程產生較小的功耗，并且利用EL2280也可把單輸入的視頻信號轉變成差分信號。

發送端采用250MHz/3mA電流模式反饋放大器EL2280，非平衡的視頻信號通過同軸電纜送到EL2280，經過處理轉換成平衡的視頻信號，然后在雙絞線上傳輸，平衡的視頻信號在傳輸的過程中產生較小的功耗。輸入特性阻抗為75歐姆，輸出阻抗為100歐姆。因此，在信號輸入端加一個75歐的匹配電阻，在芯片的兩個輸出端各加一個50歐的匹配電阻。

2.2 接收器設計

MAX4445的作用是將雙絞線傳輸來的差分信號還原為單端輸出的視頻信號，且要求復合視頻信號的幅度保持在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范圍為-5～+5V，差分信號輸入范圍為-3.7～+3.7V，如果輸入共模或差模信號超出以上范圍將引起輸出信號失真。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，增益調節公式：

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

從攝像頭采集的視頻信號經過前端的補償放大器放大，雙絞線的傳輸，視頻信號有一定衰減后到達末端補償放大器。在末端放大器把傳來的視頻信號進行補償放大。從而使平衡的視頻信號轉變成非平衡的視頻信號，BNC非平衡輸出，最后信號輸入電視顯示。MAX4445增益可調，通過電位器改變芯片的增益從而調制傳輸距離，改變圖像質量。這樣就可以在電視顯示的圖像與攝影機原圖像比較，沒有任何差別。

系統采用在接收端制作直流穩壓電源給接收模塊供電，再提供適當電壓給發送模塊供電。在接收模塊制作一個±5V的直流穩壓電源，±5V的直流穩壓電源。系統前端用到芯片EL2280,此芯片雙端供電電壓是±1.5V～±6V；單電源供電是+3V～+12V。用一對雙絞線來為前端模塊提供電源，為了使前端能得到一個穩定的電壓，我們把接收端的±15V的直流穩壓電源傳到發送端，會有2～3V的衰減，然后經過7805、7905在末端穩壓，再經過電容濾波產生±5V的電源，給發送模塊供電。

3 補償放大器設計

視頻信號在雙絞線中傳輸時，由于電阻損耗、介質損耗及輻射損耗，信號功率從進入傳輸線傳送到負載時會衰減掉一些，且衰減量的大小與傳輸距離和信號頻率有關，傳輸距離越遠，信號頻率越高衰減量越大[11]。經過一定距離的傳輸視頻圖象就會變得不清晰，尤其是高頻部分，表現為圖像的邊緣處模糊不清，整體亮度偏暗。因此在發射端必須設置一定的增益，在接收端進行頻率加權補償，即頻率越低增益越低，頻率越高增益越高，對不同頻率呈現不同的傳輸特性。經過雙絞線的長距離傳輸，視頻信號衰減明顯，特別是高頻段衰減更加明顯。

補償方法有兩種：一種是預提升方法；另一種是后補償方法。

所謂的預提升方法是指要傳輸的視頻信號在傳輸前預先把信號的高頻段提升到一定幅度，經過雙絞線傳輸時高頻部分要跌落，使視頻信號傳輸到接收點時成為高頻和低頻部分的幅度一樣平。視頻測試信號(脈沖串)的預提升信號如圖5所示：

所謂后補償方法也就是傳輸的視頻信號在經過雙絞線傳輸后再把信號的高頻段提升一定的幅度，來抵消經過雙絞線傳輸時跌落的高頻部分，使視頻信號成為高頻和低頻部分的幅度一樣平。

從圖6可以看出經過補償以后，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 結論

高頻預提升和補償具體運用在1.2km五類雙絞線傳輸視頻信號的試驗中，效果很好，經過高頻預提升和補償，無論從接收端送到顯示器上的信號或在顯示器上看到的圖形都比較滿意。在試驗中還觀察到高頻預提升和補償可以具體運用于不同長度雙絞線傳輸視頻信號時而進行不同的補償或預提升，這樣使得經雙絞線傳輸后接收到的信號達到最佳接收狀態。

本文通過討論預提升和補償的辦法，對不同長度的雙絞線在傳輸高頻信號時進行不同的補償，使輸出的視頻圖像信號得到很好的補償效果，再加上驅動器和接收器，使用雙絞線來傳視頻圖像信號的長度可以達到1km以上。

[1]盧余慶.監控圖像傳輸方式分析[J].安防工程商,2004(1):130-133.

[2]秦鍵.雙絞線視頻傳輸器在監控系統中的應用[J].中國公共安全:市場版,3007(5):94-95.

[3]管京周,李世平,陳世偉.雙絞線的基本概念及應用技巧[J].工業控制計算機,2005(4):74-75.

[4]唐伯良.高頻預提升和補償在雙絞線視頻傳輸中的應用[J].上海大學學報,2000,6(1):79-82.

[5]吳海濱,唐磊,吳彬.監控系統中視頻信號的雙絞線傳輸[J].安徽教育學院學報,2007(3).