非屏蔽双绞线传输视频补偿放大器设计研究

刘骏 柴霖 李贵勇

（贵州省新闻出版广电局七五一台，贵州 贵阳 550002）

0 引言

双绞线可分为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）两种。屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入，使屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。屏蔽双绞线在线径上要明显精于非屏蔽双绞线，而且由于它具有较好的屏蔽性能，所以也具有较好的电气性能。但由于屏蔽双绞线的价格较非屏蔽双绞线贵，且非屏蔽双绞线的性能对于普通的企业局域网来说影响不大，甚至说很难察觉，所以在企业局域网组建中所采用的通常是非屏蔽双绞线。

在1-2公里范围视频传输工程中，同轴不行，光纤太贵，双绞线最好，它很好地解决了上面的难题。但是，电视频段的信号在传输线中传送时，由于电阻损耗和介质损耗及辐射损耗，信号功率从进入传输线传送到负载时会衰减掉一些，且衰减量的大小与信号频率有关，信号频率愈高衰减量愈大。故本文讨论实践了长距离在双绞线上传输视频信号的方法。

1 视频信号的双绞线传输原理

双绞线传输视频信号属于平衡传输。视频设备，包括信号源及显示设备，其接口通常是非平衡式。因此要用双绞线传输视频信号，必需在发送端将非平衡信号转换为平衡信号，以便驱动双绞线，在接收端再将平衡信号转换为非平衡信号，与显示设备连接。因此，一个基本的双绞线视频传输系统包括平衡发射器、传输线、差分信号接收器，如图1所示。A1是差分信号发送放大器,实现非平衡到平衡的转换，A2是差分信号接收放大器，实现平衡到非平衡的转换[5]。

视频信号要在双绞线内传输要解决两个问题：阻抗匹配和衰减补偿。

标准视频信号接口一般是75Ω、非平衡方式，而双绞线传输时是100Ω、平衡方式，这样用双绞线传输视频信号就要设法解决75Ω←→100Ω以及非平衡←→平衡的转换问题。有两种方法可以完成这种转换：一种是采用传输变压器的无源方式，它无须供电，但是会对信号有一定损失，驱动能力有限;另外一种是采用有源方式，通过宽带放大器和专用芯片，不仅可以完成阻抗和平衡方式的转换，而且可以提供较强的驱动和对图像信号的放大补偿，缺点是需要供电才能工作。

另外，视频信号是一种高频宽带信号，带宽达到6MHz，如果直接在双绞线内传输，信号的幅度会受到较大的衰减，在监视器上表现为图像的色彩变淡以及亮度变暗。因此，视频信号在双绞线上要传输较远距离必须进行放大和补偿，以保证图像质量。

2 系统设计

2.1 发射器设计

能够用于视频传输系统中驱动双绞线的电路有多种形式，可以采用分立元件，也可以采用运算放大器，且有多种运算放大器可以完成单端信号到差分信号的转换。用EL2880作为前端视频补偿放大器，把单端视频信号一路放大三倍，一路反相放大三倍，驱动器视频信号在双绞线上传输。EL2280是一款低功耗集成差分宽带放大器，输入信号是单端而输出信号始终是差分形式，因而主要用于视频传输应用中驱动双绞线。EL2280还具有高输出电流驱动，可输出550mA，-3dB的带宽为250MHz[8]。基本电路如图3所示：

对输入视频信号进行放大，利用EL2280在运算放大器，使输入信号在传输的过程产生较小的功耗，并且利用EL2280也可把单输入的视频信号转变成差分信号。

发送端采用250MHz/3mA电流模式反馈放大器EL2280，非平衡的视频信号通过同轴电缆送到EL2280，经过处理转换成平衡的视频信号，然后在双绞线上传输，平衡的视频信号在传输的过程中产生较小的功耗。输入特性阻抗为75欧姆，输出阻抗为100欧姆。因此，在信号输入端加一个75欧的匹配电阻，在芯片的两个输出端各加一个50欧的匹配电阻。

2.2 接收器设计

MAX4445的作用是将双绞线传输来的差分信号还原为单端输出的视频信号，且要求复合视频信号的幅度保持在1V，3dB，输出阻抗为75Ω。MAX4445是低功耗差分线接收器，-3dB带宽550MHz，放大器的输入共模电压信号范围为-5～+5V，差分信号输入范围为-3.7～+3.7V，如果输入共模或差模信号超出以上范围将引起输出信号失真。MAX4445的工作原理图如图4所示：

接收端采用具有550MHz带宽，高速、低损耗的差分线接收芯片；此芯片的增益可调，增益调节公式：

在接收端首先把一个100欧的电阻跨接在双绞线的两端进行阻抗匹配，然后把平衡的视频信号传到芯片，芯片和外围电路一起工作，把平衡的视频信号转换成非平衡的视频信号，再接一个75欧的电阻进行阻抗匹配，然后在显示器上显示。

从摄像头采集的视频信号经过前端的补偿放大器放大，双绞线的传输，视频信号有一定衰减后到达末端补偿放大器。在末端放大器把传来的视频信号进行补偿放大。从而使平衡的视频信号转变成非平衡的视频信号，BNC非平衡输出，最后信号输入电视显示。MAX4445增益可调，通过电位器改变芯片的增益从而调制传输距离，改变图像质量。这样就可以在电视显示的图像与摄影机原图像比较，没有任何差别。

系统采用在接收端制作直流稳压电源给接收模块供电，再提供适当电压给发送模块供电。在接收模块制作一个±5V的直流稳压电源，±5V的直流稳压电源。系统前端用到芯片EL2280,此芯片双端供电电压是±1.5V～±6V；单电源供电是+3V～+12V。用一对双绞线来为前端模块提供电源，为了使前端能得到一个稳定的电压，我们把接收端的±15V的直流稳压电源传到发送端，会有2～3V的衰减，然后经过7805、7905在末端稳压，再经过电容滤波产生±5V的电源，给发送模块供电。

3 补偿放大器设计

视频信号在双绞线中传输时，由于电阻损耗、介质损耗及辐射损耗，信号功率从进入传输线传送到负载时会衰减掉一些，且衰减量的大小与传输距离和信号频率有关，传输距离越远，信号频率越高衰减量越大[11]。经过一定距离的传输视频图象就会变得不清晰，尤其是高频部分，表现为图像的边缘处模糊不清，整体亮度偏暗。因此在发射端必须设置一定的增益，在接收端进行频率加权补偿，即频率越低增益越低，频率越高增益越高，对不同频率呈现不同的传输特性。经过双绞线的长距离传输，视频信号衰减明显，特别是高频段衰减更加明显。

补偿方法有两种：一种是预提升方法；另一种是后补偿方法。

所谓的预提升方法是指要传输的视频信号在传输前预先把信号的高频段提升到一定幅度，经过双绞线传输时高频部分要跌落，使视频信号传输到接收点时成为高频和低频部分的幅度一样平。视频测试信号(脉冲串)的预提升信号如图5所示：

所谓后补偿方法也就是传输的视频信号在经过双绞线传输后再把信号的高频段提升一定的幅度，来抵消经过双绞线传输时跌落的高频部分，使视频信号成为高频和低频部分的幅度一样平。

从图6可以看出经过补偿以后，从以上两条曲线的相互作用看出，两条曲线在5MHz处起到了相互抵消，而使得在5～6MHz一段频率上得到较平坦的衰减特性。

4 结论

高频预提升和补偿具体运用在1.2km五类双绞线传输视频信号的试验中，效果很好，经过高频预提升和补偿，无论从接收端送到显示器上的信号或在显示器上看到的图形都比较满意。在试验中还观察到高频预提升和补偿可以具体运用于不同长度双绞线传输视频信号时而进行不同的补偿或预提升，这样使得经双绞线传输后接收到的信号达到最佳接收状态。

本文通过讨论预提升和补偿的办法，对不同长度的双绞线在传输高频信号时进行不同的补偿，使输出的视频图像信号得到很好的补偿效果，再加上驱动器和接收器，使用双绞线来传视频图像信号的长度可以达到1km以上。

[1]卢余庆.监控图像传输方式分析[J].安防工程商,2004(1):130-133.

[2]秦键.双绞线视频传输器在监控系统中的应用[J].中国公共安全:市场版,3007(5):94-95.

[3]管京周,李世平,陈世伟.双绞线的基本概念及应用技巧[J].工业控制计算机,2005(4):74-75.

[4]唐伯良.高频预提升和补偿在双绞线视频传输中的应用[J].上海大学学报,2000,6(1):79-82.

[5]吴海滨,唐磊,吴彬.监控系统中视频信号的双绞线传输[J].安徽教育学院学报,2007(3).