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雙絞線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種性價比較好的安防產品,在中國具有良好的開發(fā)前景。在大量實驗的基礎上,本文作者著重闡述了這一系統(tǒng)中傳輸介質、放大電路、頻率補償及自動增益控制等幾項關鍵技術及其實現(xiàn),具有一定的參考價值。
安防產品的重要性及市場需求逐年增加。中國將在2008年舉辦奧運會,僅北京市場預測,安防產品的需求大約在60億元人民幣左右。尤其以傳輸距離在1公里左右、布線容易、成本低廉且性能穩(wěn)定的雙絞線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)更具市場前景。
由于雙絞線特殊的物理結構,平衡傳輸時其上傳輸一對幅度相等、極性相反的差分信號,可使兩線間的寄生電容、寄生電感趨于零。但對外界干擾信號而言上述結果并不存在,干擾信號在兩根線上幅度極性都一樣。故當傳輸模擬視頻信號、距離在1公里左右時,綜合成本及工程難易程度等各方面因素,雙絞線平衡傳輸具有不可替代的優(yōu)勢。經(jīng)工程實踐并綜合性能、成本等各方面因素,目前普遍采用5類及超5類非屏蔽雙絞線。
視頻放大及芯片選擇
從雙絞線的分布參數(shù)分析,在雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)中,只要盡量保證平衡傳輸?shù)臈l件,就能使線纜分布電抗趨于零,且能較好地抑制共模信號。故在發(fā)送端視頻放大模塊的設計中,除提供一定的增益外,主要應實現(xiàn)從不平衡到平衡的轉換,提供一對幅度相等、極性相反的差模信號,以滿足雙絞線傳輸?shù)囊蟆Ｄ壳?可供選擇的視頻放大芯片很多,只要能提供上述條件且滿足帶寬要求則均可使用,較常用的有EL1501C、NE592、μA733等。
圖1為14腳封裝NE592的內部結構:Q1、Q2、Q3、Q4構成兩極差分放大電路；Q5、Q6構成射極跟隨器；Q7、Q8、Q9、Q10、Q11分別組成恒流源。可調電壓放大倍數(shù)從0-400連續(xù),具有三種增益調節(jié)方式:、G1B相聯(lián),平均放大倍數(shù)約400；、G2B相聯(lián),平均放大倍數(shù)約100；、G1B、G2A、G2B均斷開,增益最小。其次,NE592帶寬為120MHz ,完全滿足0-8MHz頻率成分視頻信號的傳輸要求。供電電壓為±8V,輸入信號電壓幅度±5V,共模輸入信號電壓±6V,工作溫度范圍0-70℃。在發(fā)送端的視頻放大模塊設計中,利用NE592,只要考慮接入匹配電阻(一般視頻輸出設備的輸出電阻為75Ω,故匹配電阻值取75Ω)；并提供NE592合適的工作電壓一般均可實現(xiàn)一定的視頻放大及從不平衡到平衡的轉換。參考電路如圖2(視頻設備輸出信號在負載75Ω時峰值為VP-P=1V,因此NE592的輸入信號幅度為VP-P=1V)。
頻率補償及實現(xiàn)
以PAL制式的視頻信號為例,帶寬為8MHz,彩色副載波為,色度信號帶寬。視頻信號在雙絞線傳輸時,不同的頻率成分其衰減亦不同,在4-8MHz每百米衰減約。信號的衰減隨線纜長度、信號頻率的增加而增加。
只有接收端接收信號幅度基本一致時,才能收到滿意的傳輸效果。理想的頻率補償曲線應與衰減曲線互補,才可輸出滿意的接收信號。頻率補償?shù)幕舅枷爰锤鶕?jù)不同的衰減曲線視不同的頻率成分給出不同的放大倍數(shù),展寬通頻帶,從而實現(xiàn)均衡的視頻輸出。
可供選擇的補償方法很多。常用的有負反饋補償、發(fā)射極電容補償、電感補償?shù)取Ｘ摲答佈a償使放大器增益下降,但改善了電路的穩(wěn)定性,展寬了電路的通頻帶,主要方法是在發(fā)射極接負反饋電阻Re；發(fā)射極電容補償?shù)姆椒ㄊ墙o發(fā)射極電阻Re1并聯(lián)一個小電容Ce1,Ce1的阻抗隨頻率的升高而下降,則Re1對高分量的負反饋作用減弱,正好提升了高頻信號增益。實踐中Re1取40-70Ω,Re取4-7kΩ時,Ce1取值在1,000-2,000pF；電感并聯(lián)補償主要是考慮三極管分布電容的影響。
電路中設置電感,使其與分布電容振蕩在高頻端,實現(xiàn)高頻補償。較常見的補償電路是在三極管發(fā)射極并聯(lián)RC電路,RC電路的阻抗Zc=1/ωC隨著頻率的升高而減少,實現(xiàn)放大電路增益隨頻率的升高而增大。一個RC電路有一個中心頻率f0,如果傳輸距離較長,可以通過并聯(lián)若干RC電路的辦法實現(xiàn)分段補償,參考電路如圖3,各段補償電路的中心頻率由R、C決定,f0=1/2πωRC。
更方便的補償措施是利用NE592的增益可調性能。如圖4,調節(jié)RADJ使NE592提供不同的幅頻特性。故只需根據(jù)實際的衰減曲線選擇合適的RADJ(R、C串聯(lián)),可實現(xiàn)理想的頻率補償效果,且無須附加電路,而這也是高頻電路所期待的。實際上,在系統(tǒng)的發(fā)射端充分利用該特性對高頻分量實現(xiàn)預提升,可進一步提高傳輸距離,參考電路見圖2。
實際應用中,并非高頻補償越大越好,尤其對彩色信號,其+-1MHz頻率范圍在黑白監(jiān)視器中屬于干擾信號,使圖像產生網(wǎng)紋。因此一味提升高頻增益恰恰適得其反。工程上不但要考慮高頻補償,還要考慮低頻補償、直流補償及三極管實際放大電路中分布電容的影響。
自動增益控制
實際應用中考慮到信號的強弱變化會導致接收端信號的嚴重失真,以及為了滿足發(fā)射端輸入信號幅值的要求,在發(fā)射端設計自動增益控制(AGC)電路,以改善其對大信號的能力,可進一步提高整個系統(tǒng)的適應能力。
可供選擇的AGC電路是很多的。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中利用視頻信號同步頭幅值最大的特點,用檢波二極管檢出同步頭做放大器的增益控制電壓,使該電壓反饋控制三極管的直流工作點,從而控制其增益,以達到穩(wěn)定輸出的目的,AGC電壓隨信號的峰值變化,與圖像的內容無關,避免了圖像內容對AGC電壓的影響。這種AGC電路實現(xiàn)容易,但AGC電路充電時間常數(shù)小,混在視頻信號中高于同步頭的干擾信號對電路的工作狀態(tài)影響很大。實際若選擇帶AGC功能的視頻放大芯片,如MC1590、MAX3861等。MAX3861輸入電壓范圍為6mVP-P—1,200mVP-P,信號帶寬。采用集成芯片則可大大簡化電路,提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
作為一種傳輸系統(tǒng)而言,除上述功能模塊外,還應考慮供電電源、控制模塊、綜合布線等諸方面因素,由于篇幅所限不能一一表述。
作者:馬義德、劉映杰、嚴春滿、張新衛(wèi)
蘭州大學信息科學與工程學院
