如何利用差分信令獲得更好的模擬視頻信號(hào)

與單端信令相比，差分信令有許多優(yōu)勢(shì)：電磁干擾(EMI)低、失真少、電源電壓低并且成本也低。這些優(yōu)勢(shì)促進(jìn)差分信令在許多應(yīng)用中得到采用，包括數(shù)字(低壓差分信令，即LVDS)應(yīng)用和模擬應(yīng)用(音頻)。對(duì)模擬視頻而言差分信令也有類似優(yōu)勢(shì)，但由于一些原因，大多數(shù)視頻應(yīng)用還在繼續(xù)采用單端75Ω同軸電纜連接。

采用差分信令和低成本的CAT5網(wǎng)絡(luò)電纜，可將模擬視頻傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的距離，從而降低視頻互連和傳輸?shù)某杀尽AT5電纜在安全系統(tǒng)、閉路電視(CCTV)和汽車系統(tǒng)等普通應(yīng)用中具有較高的成本效益。

如果系統(tǒng)配置中有大量的攝像頭等視頻源，特別是用于安全系統(tǒng)或CCTV系統(tǒng)的攝像頭，那么通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的視頻可能是比較理想的選擇方案。但當(dāng)系統(tǒng)具有少量視頻源且總系統(tǒng)成本非常重要時(shí)，模擬視頻互連可以提供最佳性價(jià)比，這是因?yàn)檫@種系統(tǒng)不要求壓縮或任何軟件控制。

實(shí)現(xiàn)差分模擬視頻的障礙在于缺乏可以通過(guò)差分電纜轉(zhuǎn)換、傳輸和接收視頻，并同時(shí)還提供一個(gè)與現(xiàn)有75單端視頻電路進(jìn)行接口的低成本發(fā)射器-接收器IC。實(shí)現(xiàn)這種功能需要大量電路，(至少)包括一個(gè)平衡-不平衡變壓器電路，這個(gè)電路具有補(bǔ)償電纜損耗的振幅均衡功能，以及穩(wěn)定視頻黑電平的箝位或偏置功能。這個(gè)IC還將要求I／O保護(hù)、單電源供電、故障診斷功能以及低成本。下面通過(guò)數(shù)百米CAT5電纜發(fā)送視頻討論時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

通過(guò)CAT5電纜傳輸模擬視頻的實(shí)際問(wèn)題

建立一個(gè)針對(duì)模擬視頻的CAT5傳輸系統(tǒng)涉及許多重要問(wèn)題。與同軸電纜等傳統(tǒng)方法相比，CAT5雙絞線具有諸多優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是成本優(yōu)勢(shì)，CAT5電纜比同軸電纜便宜得多，這得益于前者在電腦網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用。

在許多情況下，CAT5電纜可能已經(jīng)安裝，但卻沒(méi)再被使用，這可能是因?yàn)橐呀?jīng)升級(jí)到可以支持速度更高的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的CAT6電纜。在這種情況下，舊的CAT5電纜可以用來(lái)傳輸分量模擬視頻(三個(gè)通道+同步)或者帶有一些額外控制信號(hào)的合成視頻廣播信號(hào)(CVBS)。

對(duì)發(fā)射器來(lái)說(shuō)，CAT5電纜有四根雙絞線(8芯線)，因此如果我們需要多個(gè)通道同時(shí)傳輸信號(hào)，就必須處理好通道之間的串?dāng)_問(wèn)題。差分驅(qū)動(dòng)器和接收器組合的CMRR在視頻帶寬為0～5MHz時(shí)至少必須為30dB?，F(xiàn)在的大多數(shù)差分驅(qū)動(dòng)器／接收器都滿足這一規(guī)格，并且有一部分是專門為驅(qū)動(dòng)CAT5電纜而設(shè)計(jì)的。

CAT5電纜的另一個(gè)問(wèn)題是高頻損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同軸電纜，這意味著設(shè)計(jì)工程師必須在電纜長(zhǎng)度超過(guò)3米左右時(shí)考慮增加某種電纜均衡。這種需求一定程度上的確取決于系統(tǒng)必須維持的視頻信號(hào)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。同一CAT5電纜中雙絞線的頻率損耗是不同的，因此不同通道會(huì)產(chǎn)生不同延遲。對(duì)于較長(zhǎng)的CAT5電纜，設(shè)計(jì)工程師必須在接收端附加一個(gè)選擇方案來(lái)修正延遲誤差。使用四根獨(dú)立的同軸電纜則不存在這類問(wèn)題，這是因?yàn)榈乳L(zhǎng)的同軸電纜具有相同延遲。

基本互連

采用CAT5電纜有幾種基本的互連選擇方案(67頁(yè)圖1)，為應(yīng)用選擇最佳配置取決于具體條件以及為差分驅(qū)動(dòng)器／接收器選擇的IC。制造商通常會(huì)提供有關(guān)具體IC的最佳和效率最高配置的信息和實(shí)例，這里討論的配置問(wèn)題應(yīng)提供附加指導(dǎo)，以幫助確定采用哪個(gè)選擇方案可達(dá)到最佳效果。若我們有一個(gè)低壓單電源(首選的)供電系統(tǒng)，一般需要在輸入端增加視頻箝位電路，以便在視頻信號(hào)發(fā)生變化時(shí)維持正確的直流電平。在具有足夠電壓擺幅空間的雙電源供電環(huán)境(±5V或同等電壓)中不需要箝位電路。

此外，直流耦合系統(tǒng)或交流耦合系統(tǒng)的選擇取決于具體的應(yīng)用。例如，如果我們不希望源和目標(biāo)之間有較大的地電位差，并且差分驅(qū)動(dòng)器／接收器是同一家制造商生產(chǎn)的，那么直流耦合系統(tǒng)就是較好的選擇方案。它可以提供較低的低頻失真、不需要較大的去耦電容、不會(huì)產(chǎn)生垂直傾斜，并且在接收端不需要直流恢復(fù)電路或箝位電路。

另外，我們可能希望系統(tǒng)中源和目標(biāo)間有較高的地電位差(5V、10V或更高)，也可能不得不采用不同制造商生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器和接收器芯片，或者可能只設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器端而不了解接收端的情況。在以上情況中，交流耦合連接都是較好的選擇方案，這種連接可提供更高的靈活性。

多通道視頻的傳輸問(wèn)題

CAT5電纜有多條雙絞線，非常方便用在需要多個(gè)視頻通道的應(yīng)用。如當(dāng)必須傳輸四個(gè)視頻分量(RGB信號(hào)和復(fù)合同步信號(hào))或者YPbPr分量信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)工程師必須確保維持直流箝位電平。

直流箝位電平非常關(guān)鍵，因?yàn)閅、G、B或R分量的直流箝位電平不同于Pb和Pr分量。當(dāng)然，如果需要，可以從Y／G通道中抽取同步信息。R和B通道也可能包含同步信號(hào)，但這不是強(qiáng)制的，設(shè)計(jì)工程師不能假設(shè)通過(guò)R通道或B通道可以獲得同步信息。通道Pb和Pr不包含同步信息。請(qǐng)注意，如果我們需要通過(guò)同一CAT5電纜傳輸同步信息，首先必須對(duì)合成同步信號(hào)進(jìn)行濾波。無(wú)論驅(qū)動(dòng)器／接收器IC的組合是如何好，高頻和高能量同步邊沿都會(huì)由于串?dāng)_而在視頻信號(hào)中以噪聲形式顯示出來(lái)。這導(dǎo)致了將同步帶寬限制在最大1MHz左右的強(qiáng)烈要求，最大同步帶寬值取決于所選的驅(qū)動(dòng)器／接收器組合。

最后一個(gè)任務(wù)是處理各個(gè)通道之間的延遲差。CAT5電纜內(nèi)的四根雙絞線由于電纜長(zhǎng)度、電纜位置和溫度的不同而具有不同的信號(hào)延遲。由于人眼對(duì)通道之間的相位誤差非常敏感(色差)，電纜驅(qū)動(dòng)器／接收器電路須補(bǔ)償延遲差，目標(biāo)處所有通道的誤差都應(yīng)小于3ns。為進(jìn)行補(bǔ)償，許多設(shè)計(jì)都采用模擬或電荷耦合器件(CCD)可調(diào)節(jié)延遲線路(調(diào)節(jié)范圍為0～50ns)。延遲修正可手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行，當(dāng)然自動(dòng)延遲修正更方便但成本也更高。

當(dāng)數(shù)據(jù)(攝像頭的控制命令)和視頻必須通過(guò)同一電纜進(jìn)行傳輸時(shí)(圖2詳見(jiàn)本刊網(wǎng)站)，CAT5電纜還可以用于監(jiān)視或安全系統(tǒng)中。在這個(gè)整合的系統(tǒng)中，攝像頭將模擬視頻發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)主機(jī)將命令數(shù)據(jù)發(fā)送給攝像頭(搖移、傾斜、變焦等)。

在本例中，假設(shè)CAT5電纜并不太長(zhǎng)(10～20英尺)，并且系統(tǒng)不需要電纜EQ補(bǔ)償。圖2a中的電路采用一根雙絞線用于視頻和數(shù)據(jù)通道，而圖2b中電路的視頻通道和數(shù)據(jù)通道分別位于不同的雙絞線，但采用了相同的CAT5電纜。在這兩種情況中非常重要的一點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)器／接收器組合的CMRR保持在30dB以上，以通過(guò)設(shè)置時(shí)序來(lái)控制通道只在視頻垂直折回期間被激活。這有助于最大限度地減少可能出現(xiàn)視頻通道中的可視噪聲。

如果我們需要與遠(yuǎn)處(30～1，000英尺以上)的攝像頭進(jìn)行通信，必須采用不同的方法，這是因?yàn)镃AT5電纜需要電纜EQ補(bǔ)償。但我們無(wú)法將EQ補(bǔ)償應(yīng)用到數(shù)據(jù)通道中，因?yàn)镋Q補(bǔ)償采用高頻提升功能，而這是不可接收的。此問(wèn)題的一個(gè)可行解決方案是對(duì)數(shù)據(jù)通道中的控制信號(hào)采用相位調(diào)制。上述示例采用的都是單向通道，但并不僅限于此。在增加了某些硬件之后，數(shù)據(jù)通道可以雙向工作。

電纜均衡

使用CAT5電纜時(shí)，電纜長(zhǎng)度是不得不考慮的一個(gè)因素。對(duì)于長(zhǎng)距離互連，我們必須選擇可實(shí)現(xiàn)電纜EQ／增益修正的差分驅(qū)動(dòng)器／接收器IC。某些情況下我們需要可調(diào)節(jié)電纜EQ，因此設(shè)計(jì)工程師將有多個(gè)選擇方案可以考慮。但是并非所有差分驅(qū)動(dòng)器／接收器都有可調(diào)節(jié)電纜EQ。典型的CAT5頻率特性為高頻損耗與電纜長(zhǎng)度，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)損耗的補(bǔ)償。這里以采用美信公司的MAX9546／47差分CAT5驅(qū)動(dòng)器／接收器構(gòu)建的系統(tǒng)為例。對(duì)于不同供應(yīng)商的驅(qū)動(dòng)器／接收器組合，具體的EQ網(wǎng)絡(luò)會(huì)有所變化，但基本原則相同。

驅(qū)動(dòng)器芯片包含視頻箝位和誤差檢測(cè)電路，以及檢測(cè)短路或輸出端無(wú)連接的能力。這消除了增加額外支持元器件的需要、簡(jiǎn)化了總系統(tǒng)設(shè)計(jì)。源和目標(biāo)之間的互連是直流耦合的，采用MAX9546／47時(shí)，可以在接收端增加EQ和增益補(bǔ)償。

補(bǔ)償可以采用復(fù)雜的RC網(wǎng)絡(luò)替換定義接收器增益的外部電阻Zt來(lái)增加。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包含僅由R設(shè)定的直流增益條件和由R1×C1、R2×C2以及R3×c3設(shè)定的三個(gè)交流條件。這些條什并聯(lián)組合時(shí)會(huì)形成復(fù)雜的阻抗Zt，增益等式如下：

VOUT／VIN=K×(Rl／Zt)

其中，K為電流增益(內(nèi)部設(shè)定為1)、R1為外部輸出電阻(如68頁(yè)圖3所示)。這種組合可以有效地補(bǔ)償1，000英尺(300m)以內(nèi)的高頻損耗。對(duì)于某些應(yīng)用，補(bǔ)償距離可高達(dá)1，500英尺(450m)。高出這個(gè)長(zhǎng)度時(shí)Zt無(wú)效，并會(huì)增加增益且提升高頻、降低信噪比(降至45dB以下)和K系數(shù)(＞3％)。

對(duì)于長(zhǎng)距離應(yīng)用，我們需要進(jìn)行某種形式的調(diào)制。在下面示例中，EQ網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)覆蓋一定頻率范圍的模塊。EQ網(wǎng)絡(luò)基于三個(gè)R×C元器件，但用戶可以通過(guò)增加R×C元器件數(shù)來(lái)達(dá)到更精確的頻率補(bǔ)償。

EMI考慮

分別通過(guò)單端RG-59同軸電纜、差分CAT5非屏蔽雙絞線(UTP)、帶單端放大器的標(biāo)準(zhǔn)UTP將CVBS信號(hào)傳輸?shù)诫娨晻?huì)產(chǎn)生典型結(jié)果。接下來(lái)，用RF信號(hào)干擾電纜來(lái)測(cè)試電纜的干擾。當(dāng)出現(xiàn)可視干擾時(shí)，信號(hào)電平會(huì)降低，直到干擾不再可視，干擾水平以V／m計(jì)?？傊?，差分信令與同軸電纜的性能相當(dāng)，但對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，差分信令的性能可能更好且成本更低。成本和性能優(yōu)勢(shì)使差分信令勝出一籌，然而在產(chǎn)品中采用差分信令還需解決具體的設(shè)計(jì)問(wèn)題。