如何利用差分信令獲得更好的模擬視頻信號

與單端信令相比，差分信令有許多優(yōu)勢：電磁干擾(EMI)低、失真少、電源電壓低并且成本也低。這些優(yōu)勢促進差分信令在許多應用中得到采用，包括數(shù)字(低壓差分信令，即LVDS)應用和模擬應用(音頻)。對模擬視頻而言差分信令也有類似優(yōu)勢，但由于一些原因，大多數(shù)視頻應用還在繼續(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)絡電纜，可將模擬視頻傳輸?shù)胶苓h的距離，從而降低視頻互連和傳輸?shù)某杀?。CAT5電纜在安全系統(tǒng)、閉路電視(CCTV)和汽車系統(tǒng)等普通應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。但當系統(tǒng)具有少量視頻源且總系統(tǒng)成本非常重要時，模擬視頻互連可以提供最佳性價比，這是因為這種系統(tǒng)不要求壓縮或任何軟件控制。

實現(xiàn)差分模擬視頻的障礙在于缺乏可以通過差分電纜轉換、傳輸和接收視頻，并同時還提供一個與現(xiàn)有75單端視頻電路進行接口的低成本發(fā)射器-接收器IC。實現(xiàn)這種功能需要大量電路，(至少)包括一個平衡-不平衡變壓器電路，這個電路具有補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IC還將要求I／O保護、單電源供電、故障診斷功能以及低成本。下面通過數(shù)百米CAT5電纜發(fā)送視頻討論時必須考慮的問題。

通過CAT5電纜傳輸模擬視頻的實際問題

建立一個針對模擬視頻的CAT5傳輸系統(tǒng)涉及許多重要問題。與同軸電纜等傳統(tǒng)方法相比，CAT5雙絞線具有諸多優(yōu)勢。第一個優(yōu)勢是成本優(yōu)勢，CAT5電纜比同軸電纜便宜得多，這得益于前者在電腦網(wǎng)絡中的廣泛應用。

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

對發(fā)射器來說，CAT5電纜有四根雙絞線(8芯線)，因此如果我們需要多個通道同時傳輸信號，就必須處理好通道之間的串擾問題。差分驅(qū)動器和接收器組合的CMRR在視頻帶寬為0～5MHz時至少必須為30dB?，F(xiàn)在的大多數(shù)差分驅(qū)動器／接收器都滿足這一規(guī)格，并且有一部分是專門為驅(qū)動CAT5電纜而設計的。

CAT5電纜的另一個問題是高頻損耗遠遠高于同軸電纜，這意味著設計工程師必須在電纜長度超過3米左右時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質(zhì)量標準。同一CAT5電纜中雙絞線的頻率損耗是不同的，因此不同通道會產(chǎn)生不同延遲。對于較長的CAT5電纜，設計工程師必須在接收端附加一個選擇方案來修正延遲誤差。使用四根獨立的同軸電纜則不存在這類問題，這是因為等長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頁圖1)，為應用選擇最佳配置取決于具體條件以及為差分驅(qū)動器／接收器選擇的IC。制造商通常會提供有關具體IC的最佳和效率最高配置的信息和實例，這里討論的配置問題應提供附加指導，以幫助確定采用哪個選擇方案可達到最佳效果。若我們有一個低壓單電源(首選的)供電系統(tǒng)，一般需要在輸入端增加視頻箝位電路，以便在視頻信號發(fā)生變化時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用。例如，如果我們不希望源和目標之間有較大的地電位差，并且差分驅(qū)動器／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、不會產(chǎn)生垂直傾斜，并且在接收端不需要直流恢復電路或箝位電路。

另外，我們可能希望系統(tǒng)中源和目標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)動器和接收器芯片，或者可能只設計驅(qū)動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題

CAT5電纜有多條雙絞線，非常方便用在需要多個視頻通道的應用。如當必須傳輸四個視頻分量(RGB信號和復合同步信號)或者YPbPr分量信號時，設計工程師必須確保維持直流箝位電平。

直流箝位電平非常關鍵，因為Y、G、B或R分量的直流箝位電平不同于Pb和Pr分量。當然，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，但這不是強制的，設計工程師不能假設通過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。請注意，如果我們需要通過同一CAT5電纜傳輸同步信息，首先必須對合成同步信號進行濾波。無論驅(qū)動器／接收器IC的組合是如何好，高頻和高能量同步邊沿都會由于串擾而在視頻信號中以噪聲形式顯示出來。這導致了將同步帶寬限制在最大1MHz左右的強烈要求，最大同步帶寬值取決于所選的驅(qū)動器／接收器組合。

最后一個任務是處理各個通道之間的延遲差。CAT5電纜內(nèi)的四根雙絞線由于電纜長度、電纜位置和溫度的不同而具有不同的信號延遲。由于人眼對通道之間的相位誤差非常敏感(色差)，電纜驅(qū)動器／接收器電路須補償延遲差，目標處所有通道的誤差都應小于3ns。為進行補償，許多設計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)。延遲修正可手動或自動進行，當然自動延遲修正更方便但成本也更高。

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

在本例中，假設CAT5電纜并不太長(10～20英尺)，并且系統(tǒng)不需要電纜EQ補償。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是：驅(qū)動器／接收器組合的CMRR保持在30dB以上，以通過設置時序來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。

如果我們需要與遠處(30～1，000英尺以上)的攝像頭進行通信，必須采用不同的方法，這是因為CAT5電纜需要電纜EQ補償。但我們無法將EQ補償應用到數(shù)據(jù)通道中，因為EQ補償采用高頻提升功能，而這是不可接收的。此問題的一個可行解決方案是對數(shù)據(jù)通道中的控制信號采用相位調(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，電纜長度是不得不考慮的一個因素。對于長距離互連，我們必須選擇可實現(xiàn)電纜EQ／增益修正的差分驅(qū)動器／接收器IC。某些情況下我們需要可調(diào)節(jié)電纜EQ，因此設計工程師將有多個選擇方案可以考慮。但是并非所有差分驅(qū)動器／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度，系統(tǒng)可以實現(xiàn)高頻信號損耗的補償。這里以采用美信公司的MAX9546／47差分CAT5驅(qū)動器／接收器構建的系統(tǒng)為例。對于不同供應商的驅(qū)動器／接收器組合，具體的EQ網(wǎng)絡會有所變化，但基本原則相同。

驅(qū)動器芯片包含視頻箝位和誤差檢測電路，以及檢測短路或輸出端無連接的能力。這消除了增加額外支持元器件的需要、簡化了總系統(tǒng)設計。源和目標之間的互連是直流耦合的，采用MAX9546／47時，可以在接收端增加EQ和增益補償。

補償可以采用復雜的RC網(wǎng)絡替換定義接收器增益的外部電阻Zt來增加。補償網(wǎng)絡包含僅由R設定的直流增益條件和由R1×C1、R2×C2以及R3×c3設定的三個交流條件。這些條什并聯(lián)組合時會形成復雜的阻抗Zt，增益等式如下：

VOUT／VIN=K×(Rl／Zt)

其中，K為電流增益(內(nèi)部設定為1)、R1為外部輸出電阻(如68頁圖3所示)。這種組合可以有效地補償1，000英尺(300m)以內(nèi)的高頻損耗。對于某些應用，補償距離可高達1，500英尺(450m)。高出這個長度時Zt無效，并會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％)。

對于長距離應用，我們需要進行某種形式的調(diào)制。在下面示例中，EQ網(wǎng)絡是一個覆蓋一定頻率范圍的模塊。EQ網(wǎng)絡基于三個R×C元器件，但用戶可以通過增加R×C元器件數(shù)來達到更精確的頻率補償。

EMI考慮

分別通過單端RG-59同軸電纜、差分CAT5非屏蔽雙絞線(UTP)、帶單端放大器的標準UTP將CVBS信號傳輸?shù)诫娨晻a(chǎn)生典型結果。接下來，用RF信號干擾電纜來測試電纜的干擾。當出現(xiàn)可視干擾時，信號電平會降低，直到干擾不再可視，干擾水平以V／m計?？傊罘中帕钆c同軸電纜的性能相當，但對某些應用來說，差分信令的性能可能更好且成本更低。成本和性能優(yōu)勢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計問題。