視頻VGA信號分配的原理及在遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

VGA分配器將來自一個(gè)信號源的視頻信號分配成兩個(gè)或多個(gè)信號。高分辨率視頻分配放大器的一個(gè)常見應(yīng)用就是，在接收來自一個(gè)計(jì)算機(jī)視頻端口的信號后將其放大，并在保持原有信號質(zhì)量的情況下將其分配到兩個(gè)或多個(gè)高分辨率數(shù)據(jù)顯示設(shè)備。分配放大器同時(shí)提供信號的峰值和電平調(diào)整和均衡等放大和增強(qiáng)功能。分配放大器上的每路輸出都經(jīng)過緩沖處理，所以在信號分配時(shí)仍可保持原始信號的清晰度和強(qiáng)度，完全達(dá)到桌面效果。分配器可以做成1分2，1分4等。VGA雙絞線傳輸具有長距離驅(qū)動(dòng)能力，可將電腦主機(jī)輸出的RGBHV形式的信號，通過非屏蔽五類及五類以上雙絞線(CAT5／5E／6)平衡傳輸，高保真地傳輸30．0 m，傳輸后的視頻效果沒有重影、沒有拖尾、畫面清澈如初，線材好時(shí)可達(dá)500 m，可廣泛應(yīng)用在液晶、等離子平板多媒體廣告工程中。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括兩部分，一部分是視頻信號的本地分配，實(shí)現(xiàn)1分2、1分4等；另一部分是視頻信號的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)又包括本地發(fā)送端和遠(yuǎn)程接收端。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 VGA信號分配

VGA信號分配是指在本地分配，即一路VGA信號帶2個(gè)、4個(gè)顯示器。VGA信號分配包括兩部分，一是視頻信號R，G，B的分配；二是同步信號HSYNC，VSYNC的分配。

2．1 同步HSYNC，VSYNC信號的分路

水平、垂直同步信號HSYNC，VSYNC經(jīng)過74HC04高速反相器后，輸出波形得到整形，提高帶負(fù)載的能力后，分別接至輸出分路器1、2路的水平、垂直同步信號線上，實(shí)現(xiàn)VGA水平、垂直同步信號的1分2功能。同步信號分路如圖2所示。

圖2 同步信號分路

2．2 視頻信號R、G、B的分配

視頻信號R，G，B分路如圖3所示。C101和R107構(gòu)成高通網(wǎng)絡(luò)，下限截止頻率為1／(2πRC)，如果C101選33 nF，R107選150 Ω，則下限截止頻率fL=1／(2πRC)=1／(2π×150×33×10-9)=3 215 Hz，改變電阻R107和電容C101的值，就可以改變下限頻率。Q100，Q101，Q102為高頻三極管，截止頻率應(yīng)大于視頻信號的最高頻率。頻率信號經(jīng)電容C101耦合至Q100的基極，Q100飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)Q100的VCES約為0．3 V，流過R102電阻的電流為ic，流過電阻R101的電流為ie。因?yàn)閕c≈ie，則Q100集電極的電壓為。如果，VCC設(shè)置為5V，則VC=1．76V。Q101，Q102構(gòu)成兩級射極跟隨器，VGA OUT1 RED，VGA OUT2 RED分別接至輸出分路器1，2路VGA的紅色信號輸入端，驅(qū)動(dòng)VGA紅色信號，輸出電壓為VCC-VCES=(5-0．3)V=4．7 V，提高了系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。VGA信號的藍(lán)色信號、綠色信號分路原理與紅色信號一致，從而實(shí)現(xiàn)了VGA信號的1分2功能。

圖3 視頻信號R，G，B分路

3 VGA信號遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

VGA信號遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)包括兩組發(fā)送端和接收端。發(fā)送端將信號差分放大后，接入RJ-45網(wǎng)口，通過CAT-5雙絞線傳輸至遠(yuǎn)程端。遠(yuǎn)程接收端從RJ-45口將信號接收下來，處理后還原成清晰的視頻信號接入本地VGA接口。

3．1 VGA發(fā)送端

VGA信號遠(yuǎn)程傳輸中，由于傳輸導(dǎo)線的阻抗會(huì)引起信號的衰減，傳輸?shù)木嚯x越長衰減越大，從而造成信號不能正確讀取。因此，VGA信號在遠(yuǎn)程傳輸?shù)陌l(fā)送端需要將信號差分放大，以提高信號的傳輸能力。本系統(tǒng)發(fā)送端選用EL4543為差分放大器件。EL4543是Intersil公司生產(chǎn)的帶同步編碼的三路差分雙絞線驅(qū)動(dòng)器。EL4543是高帶寬(350 MHz)的三路差動(dòng)放大器，可對視頻同步信號進(jìn)行完整的編碼，它的輸入適合處理單端或差分形式的高速視頻或其他通信信號。高帶寬是標(biāo)準(zhǔn)雙絞線或同軸電纜線上的差分信號，有非常低的諧波失真，同時(shí)，內(nèi)部反饋保證輸出有穩(wěn)定的增益和相位，以減少輻射的電磁干擾和諧波。嵌入邏輯將標(biāo)準(zhǔn)的視頻水平和垂直同步信號編碼到雙絞線的共模信號上，帶同步信息的VGA輸入RGB信號后與EL4543輸入端上的75 Ω的終端電阻相連，單端的RGB信號被轉(zhuǎn)換為差模信號，HSYNC和VSYNC在三個(gè)差動(dòng)信號各自的共模信號上進(jìn)行編碼。EL4543的50 Ω終端輸出驅(qū)動(dòng)差分R，G，B，同步信號編碼在CAT-5雙絞線電纜的共模中。不帶信號頻率均衡的系統(tǒng)，可在200英尺的CAT-5雙絞線上很好的傳輸。對于更長的電纜，在接收端用頻率和增益均衡技術(shù)(EL9111)和延遲線技術(shù)(EL9115)來補(bǔ)償信號的衰減，從而調(diào)整接收端的信號的相位不匹配。發(fā)送端EL4543驅(qū)動(dòng)如圖4所示。

圖4發(fā)送端EL4543驅(qū)動(dòng)

3．2 VGA信號接收端

EL9111是三通道差分接收器和均衡器，含有三個(gè)高速差分接收器，具有5個(gè)可編程的電極。EL9111帶寬為150 MHz，均衡長度由一個(gè)單獨(dú)引腳上的電壓設(shè)定。EL9111有兩個(gè)邏輯輸入引腳(ENBL)和開關(guān)增益(X2)。邏輯電路的邏輯基準(zhǔn)管腳(VREF)的電勢之上都有1．1V的額定門限。在多數(shù)應(yīng)用中，芯片工作在+5 V，0 V，-5 V的供電系統(tǒng)中，邏輯值在0～+5 V之間。EL9111的特點(diǎn)是共模譯碼，可對水平和垂直方向上的信息進(jìn)行譯碼，該信息由EL4543的三個(gè)差分輸入端譯碼，因此僅用三對電纜，就可完整地傳輸RGB視頻信號和相關(guān)的同步信息，如圖5所示。

圖5 接收端電路圖

EL9115是三路模擬延遲線，可對三個(gè)信號提供斜率補(bǔ)償。EL9115對由典型的CAT-5電纜(每對電線有不同的電長度)引入的斜率，可提供非常好的補(bǔ)償。EL9115總延遲為62 ns，可在每個(gè)通道上設(shè)置2 ns的步長。EL9115延遲時(shí)間由延遲寄存器內(nèi)8 b數(shù)據(jù)決定，延遲寄存器的數(shù)據(jù)格式為：0abVWXYZ。當(dāng)ab=01時(shí)，表示紅色寄存器，當(dāng)ab=10時(shí)，表示綠色寄存器當(dāng)ab=11時(shí)，表示藍(lán)色寄存器。延遲寄存器的數(shù)據(jù)乘以步長即為延遲的總時(shí)間。如表1所示。

表1 延遲總時(shí)間 （ns）

延遲寄存器數(shù)據(jù)由外部AVR單片機(jī)程序設(shè)置(圖5中未畫出)，NSEnable，SCLOCK，SDATA三個(gè)引腳和單片機(jī)的三個(gè)引腳構(gòu)成串行總線通信，通信時(shí)序如圖6所示。

圖6　EL9115串行總線時(shí)序圖

通信的模擬程序如下：

SETB NSENALE;

CLR NSENALE;串行通信使能

NOP;

CLR SCLOCK;模擬時(shí)鐘，根據(jù)單片機(jī)頻率調(diào)整脈寬

NOP;

CLR C;

MOV SDATA,C;寫入初始數(shù)據(jù)“0”

SETB SCLOCK;

4 結(jié)語

當(dāng)頻率較高或有較大負(fù)載時(shí)，內(nèi)部功耗引發(fā)芯片溫度升高，EL4543的驅(qū)動(dòng)能力將受到限制。EL4543的模片最高為125℃，因此設(shè)計(jì)線路板時(shí)應(yīng)做好芯片的散熱工作。同時(shí)，傳輸視頻信號時(shí)，PCB上要有一個(gè)“健康”的接地平面，接地端必須靠近輸入端，以使輸入電容最小；而接地平面應(yīng)盡量遠(yuǎn)離信號輸入端，以防止負(fù)載和電源電流流入輸入接點(diǎn)。采用此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要做好相關(guān)的電磁干擾(EMI)，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。