1、如何利用差分信令获得更好的模拟视频信号 来源： 作者： 发表时间：2009-12-09 09:57:03 与单端信令相比，差分信令有许多优势：电磁干扰(EMI)低、失真少、电源电压低并且成本也低。这些优势促进差分信令在许多应用中得到采用，包括数字(低压差分信令，即 LVDS)应用和模拟应用(音频)。对模拟视频而言差分信令也有类似优势，但由于一些原因，大多数视频应用还在继续采用单端 75同轴电缆连接。采用差分信令和低成本的 CAT5网络电缆，可将模拟视频传输到很远的距离，从而降低视频互连和传输的成本。CAT5 电缆在安全系统、闭路电视(CCTV)和汽车系统等普通应用中具有较高的成本效益。如果系统
2、配置中有大量的像摄头等视频源，特别是用于安全系统或 CCTV系统的摄像头，通过互联网协议的视频可能是比较理想的选择方案。这是因为总系统成本会分摊到网络硬件成本、视频压缩硬件/软件成本以及控制和维护所有系统所需的软件成本中。但当系统具有少量视频源且总系统成本非常重要时，模拟视频互连可以提供最佳性价比，这是因为这种系统不要求压缩或任何软件控制。目前，差分信令的使用还未成气候，其中一个原因在于对差分电路的工作原理和规格缺乏了解。平衡的概念有助于改善这种不足，它可以提供差分电路的直观理解，并有助于将其与更常见的单端电路进行比较。根据使用的差分电路器件，平衡概念有各种不同的名字。在某些案例中根本就没有指
3、定这种概念，如大多数模拟差分驱动器。但是，术语是必不可少的，而且差分电路的其它器件可以改变其重要性。实现差分模拟视频的障碍在于缺乏可以通过差分电缆转换、传输和接收视频，同时还提供一个与现有 75单端视频电路进行接口的低成本发射器-接收器 IC。实现这种功能需要大量电路，(至少)包括一个平衡不平衡变压器电路，这个电路具有补偿电缆损耗的振幅均衡功能，以及稳定视频黑电平的箝位或偏置功能。这个 IC还将要求 I/O保护、单电源供电、故障诊断功能以及低成本。这种 IC目前已经开始供应，因此接下来我们研究一个典型应用。为了阐明能够实现的功能，我们将讨论几个通过数百米 CAT5电缆发送视频的实际电路，并讨论
4、处理具体应用时必须考虑的问题。虽然没有正式的设计标准规定差分模拟视频系统的设计和性能，但是可以规定这种系统在每个终端采用标准 75接口。此外还可以采用现有标准和测试设备来测试这些系统。差分信令基础知识了解差分电路的其中一个最佳方式是用较常见的单端(SE)形式进行类比(图 1)。尽管差分电路看起来很复杂，但是这种电路只是两个配置在一起的单端电路，旨在产生共端点的相同和相反信号。共端点被指定为图 1中的地，但它也是一个直流偏置电压。在任何情况下它都是虚拟接地的，它连接两个单端电路，使其形成一个差分电路。我们为什么要采用明显复杂得多的电路呢？视频信号“回答是微妙的，其关键在于将差分电路的不同器件连接
5、至共端点(图 1所示的地)的一条或多条线路。假设这些线路没有电性能，但是事实并非如此。这些线路至少具有阻抗。在较高频率下，其分布的电感和电容也变得非常明显。这些寄生元件是实际电路不同于基于其Spice模型的仿真电路的其中一个原因。差分电路和单端电路以不同方式解决了这个问题。差分电路依靠平衡的性质，而单端电路则采用结构的性质。结构是元器件的机械构造，就像同轴电缆一样明显。顾名思义，平衡是两个量之间的平衡状态。在图 1b中，电流 IA和 IB的大小相等，方向相反，因此这两个电流是平衡的。如果在同一电线中流动，它们就会相互抵消，就像图中所示的与接地符号相连的电流一样。这种抵消的结果是深奥的!差分电路
6、相对不易受到寄生元件的影响，这是因为趋向于流入这些元件的所有电流都会相互抵消。这样，由于信号耦合到一个平衡系统或从一个平衡系统耦合极其困难，所以这种效应消除了对结构(屏蔽)的需要。因此，为 CAT5/6电缆指定的信号线路为低成本的非屏蔽双绞线(UTP)。相比而言，单端电路通过与接地符号相连的线路传输信号电流。此外，单端电路极易受到这些线路中寄生元件的影响。为了解决这一问题，单端电路需包含一个电线编织组成的巨大接地结构，以连接源和负载，并确保接地阻抗大大低于信号导线阻抗。在信号导线周围缠绕电线编织所形成的形状以后可以演变成同轴电缆，这种电缆结合了地和屏蔽的要求。与 UTP相比，这种电路需要更高的
7、精密度和更多材料，成本也更高。虽然单端电路和差分电路有类似的线路，但这两种电路是依靠不同的方法来实现性能的。差分电路的性能取决于平衡，但是确定平衡的又是什么呢？完全平衡的连接为了回答这个问题，我们需要将差分电路分解成发射器、源和负载阻抗、电缆以及接收器。每个部件都对差分电路的总平衡起作用，尽管它们作用的方式、原因或程度并不总是一目了然。例如，接收器的共模抑制比(CMRR)决定其平衡。源和负载电阻之间的匹配(其容差)决定它们之间的平衡。电缆有多个平衡参数，但纵向平衡通常是最重要的参数。对于收发器而言，平衡规格是共模平衡(CMB)，这是一个广为人知的参数。CMB 是针对 LVDS来定义的，很少针对
8、模拟器件来定义。为了阐明原因，我们首先将 CMB定义为差分振幅与共模振幅之比，单位为分贝。在图 1b中，CMB是两个发生器电压(都是 Eg/2)之比。CMB 参数是完整描述电路所必需的，但电缆旨在修改 CMB误差，将多根电缆线紧密地扭在一起进行耦合，可得到 1:1变压器。变压器操作迫使图 1b中的电流 IA和 IB大小相等，方向相反，因此通过每个负载电阻 RL/2上的电压取决于所用电缆的长度。遗憾的是，这会导致有电流流过这些接地电线，结果是CMB误差使电路失衡。(由于这个误差一般小于串联电阻的容差，所以该误差几乎不会产生什么问题。)并非许多器件都定义了 CMB，所以你可能必须亲自测量 CMB。
9、考虑图 1b中的电路为什么有两个负载电阻，而不是一个。图 2a中的电路有单个负载电阻RL，且不会返回接地状态。通过匹配电缆阻抗，这种配置消除了反射，但它还抵消了前面描述的电缆变压器操作，从而增加了 CMB误差。为在避免产生这种影响的同时不降低来自源的直流偏移，我们将负载分离，并采用一个旁路电容将其中点接地(图 2b)。增加一个可变电阻(图 2c)可补偿任何失衡，同时还可以减少接地电线中的电流。通过 CAT5电缆传输模拟视频的实际问题建立一个针对模拟视频的 CAT5传输系统涉及许多重要问题。与同轴电缆等传统方法相比，CAT5双绞线具有诸多优势。第一个优势是成本优势，CAT5 电缆比同轴电缆便宜得
10、多，这得益于前者在电脑网络中的广泛应用。在许多情况下，CAT5 电缆可能已经安装，但却没再被使用，这可能是因为已经升级到可以支持速度更高的数字数据的 CAT6电缆。在这种情况下，旧的 CAT5电缆可以用来传输分量模拟视频(三个通道+同步)或者带有一些额外控制信号的合成视频广播信号(CVBS)。尽管 CAT5电缆存在一些已知问题时，但一旦问题被发现，这些问题将很容易得到解决。对发射器来说，CAT5 电缆有四根双绞线(8 芯线)，因此如果我们需要多个通道同时传输信号，就必须处理好通道之间的串扰问题。差分驱动器和接收器组合的 CMRR在视频带宽为05MHz时至少必须为 30dB。现在的大多数差分驱动
11、器/接收器都满足这一规格，并且有一部分是专为驱动 CAT5电缆而设计的。CAT5电缆的另一个问题是高频损耗(取决于电缆长度)远远高于同轴电缆，这意味着设计工程师必须在电缆长度超过 3米左右时考虑增加某种电缆均衡。这种需求一定程度上的确取决于系统必须维持的视频信号质量标准。同一 CAT5电缆中双绞线的频率损耗是不同的，因此不同通道会产生不同延迟。对于较长的 CAT5电缆，设计工程师必须在接收端附加一个选择方案来修正延迟误差。使用四根独立的同轴电缆则不存在这类问题，这是因为等长的同轴电缆具有相同延迟。基本互连采用 CAT5电缆有几种基本的互连选择方案(图 3)，为应用选择最佳配置取决于具体条件以及
12、为差分驱动器/接收器选择的 IC。制造商通常会提供有关具体 IC的最佳和效率最高配置的信息和实例，这里讨论的配置问题应提供附加指导，以帮助确定采用哪个选择方案可以达到最佳效果。图 3：将视频信号连接到 CAT5电缆的几种替代方案。如果我们有一个低压单电源(首选的)供电系统，一般需要在输入端增加视频箝位电路，以便在视频信号发生变化时维持正确的直流电平。在具有足够电压摆幅空间的双电源供电环境(5V 或同等电压)中不需要箝位电路。此外，直流耦合系统或交流耦合系统的选择取决于具体的应用。例如，如果我们不希望源和目标之间有较大的地电位差，并且差分驱动器/接收器是同一家制造商生产的，那么直流耦合系统就是较
13、好的选择方案。它可以提供较低的低频失真、不需要较大的去耦电容、不会产生垂直倾斜，并且在接收端不需要直流恢复电路或箝位电路。另一方面，我们可能希望系统中源和目标之间有较高的地电位差(5V、10V 或者更高)，或者可能不得不采用不同制造商生产的驱动器和接收器芯片，或者可能只设计驱动器端而不了解接收端的情况。在以上几种情况中，交流耦合连接都将是较好的选择方案，这种连接可以提供更高的灵活性。多通道视频的传输问题CAT5电缆有多条双绞线，非常方便用在需要多个视频通道的应用。例如，当必须传输四个视频分量(RGB 信号和复合同步信号)或者 YPbPr分量信号时，设计工程师必须确保维持直流箝位电平(图 4)。
14、直流箝位电平非常关键，因为 Y、G、B 或 R分量的直流箝位电平不同于 Pb和 Pr分量。当然，如果需要，可以从 Y/G通道中抽取同步信息。R 和 B通道也可能包含同步信号，但这不是强制的，设计工程师不能假设通过 R通道或 B通道可以获得同步信息。通道 Pb和 Pr不包含同步信息。请注意，如果我们需要通过同一 CAT5电缆传输同步信息，首先必须对合成同步信号进行滤波。无论驱动器/接收器 IC的组合是如何好，高频和高能量同步边沿都会由于串扰而在视频信号中以噪声形式显示出来。这导致了将同步带宽限制在最大 1MHz左右的强烈要求，最大同步带宽值取决于所选的驱动器/接收器组合。最后一个任务是处理各个通
15、道之间的延迟差。CAT5 电缆内的四根双绞线由于电缆长度、电缆位置和温度的不同而具有不同的信号延迟。由于人眼对通道之间的相位误差非常敏感(色差)，电缆驱动器/接收器电路必须补偿延迟差，目标处所有通道的误差都必须小于 3ns。为进行补偿，许多设计都采用模拟或电荷耦合器件(CCD)可调节延迟线路(调节范围为050ns)。延迟修正可以手动或自动进行，当然自动延迟修正更方便，但成本也更高。多通道连接视频+数据当数据(摄像头的控制命令)和视频必须通过同一电缆进行传输时(图 5)，CAT5 电缆还可以用于监视或安全系统中。在这个整合的系统中，摄像头将模拟视频发送给主机系统，同时主机将命令数据发送给摄像头(
16、摇移、倾斜、变焦等)。在本例中，假设 CAT5电缆并不太长(1020 英尺)，并且系统不需要电缆 EQ补偿。图 5a中的电路采用一根双绞线用于视频和数据通道，而图 5b中电路的视频通道和数据通道分别位于不同的双绞线，但采用了相同的 CAT5电缆。在这两种情况中非常重要的一点是：驱动器/接收器组合的 CMRR保持在 30dB以上，以通过设置时序来控制通道只在视频垂直折回期间被激活。这有助于最大限度地减少可能出现视频通道中的可视噪声。如果我们需要与远处(301000 英尺以上)的摄像头进行通信，必须采用不同的方法，这是因为 CAT5电缆需要电缆 EQ补偿。但我们无法将 EQ补偿应用到数据通道中，因
17、为 EQ补偿采用高频提升功能，而这是不可接收的。此问题的一个可行解决方案是对数据通道中的控制信号采用相位调制(图 6)。上述示例采用的都是单向通道，但并不仅限于此。在增加了某些硬件之后，数据通道可以双向工作。电缆均衡使用 CAT5电缆时，电缆长度是不得不考虑的一个因素。对于长距离互连，我们必须选择可实现电缆 EQ/增益修正的差分驱动器/接收器 IC。某些情况下我们需要可调节电缆 EQ，因此设计工程师将有多个选择方案可以考虑。但是并非所有差分驱动器/接收器都有可调节电缆 EQ。图 7a显示了典型的 CAT5频率特性：高频损耗与电缆长度。图 7b、7c、7d 和 7e显示了 0英尺(0m)、500
18、 英尺(150m)、1,000 英尺(300m)和 1,500英尺(450m)处的标准 NTSC多波群测试信号。从图片中可以看出，当电缆长度增加时可期望的信号退化情况非常清晰。系统可以实现高频信号损耗的补偿。这里以采用美信公司的 MAX9546/47差分 CAT5驱动器/接收器构建的系统为例。对于不同供应商的驱动器/接收器组合，具体的 EQ网络会有所变化，但基本原则相同。驱动器芯片包含视频箝位和误差检测电路，以及检测短路或输出端无连接的能力。这消除了增加额外支持元器件的需要，简化了总系统设计。源和目标之间的互连是直流耦合的，采用 MAX9546/47时，可以在接收端增加 EQ和增益补偿。补偿可
19、以采用复杂的 RC网络替换定义接收器增益的外部电阻 Zt来增加。补偿网络包含仅由 R设定的直流增益条件和由 R1*C1、R2*C2 和 R3*C3设定的三个交流条件。这些条件并联组合时会成形成复杂的阻抗 Zt，增益等式如下：VOUT/VIN K(Rl/Zt)其中，K 为电流增益(内部设定为 1)，R1 为外部输出电阻(图 8)。这种组合可以有效地补偿1,000英尺(300m)以内的高频损耗。对于某些应用，补偿距离可高达 1,500英尺(450m)。高出此长度时 Zt无效，并会增加增益并提升高频，降低信噪比(降至 45dB以下)和 K系数(3%)。图 8：专用的 CAT5视频驱动器 /接收器 I
20、C简化系统设计。对于长距离应用，我们需要进行某种形式的调制。在以下显示的示例中，EQ 网络是一个覆盖一定频率范围的模块(图 9)。EQ 网络基于三个 RC元器件，但用户可以通过增加 RC元器件数来达到更精确的频率补偿。图 9显示了 EQ网络的典型值。图 10a10d中的波形显示了 0英尺(0m)、500 英尺(150m)、1,000 英尺(300m)和 1,500英尺(450m)之后具有适当补偿的 NTSC多波群信号。EMI考虑熟悉同轴电缆的设计工程师了解同轴电缆的性能和可期望的效果。另一方面，在楼宇布线中，CAT5 电缆相邻双绞线中的信号间隔离能力还不为人知。这种不确定性反映在电缆的EMI发
21、射和 RF抑制能力参数上。为确定隔离性能，你可以通过测试来比较传统单端同轴电缆和 CAT5差分对(图 11)。分别通过单端 RG-59同轴电缆、差分 CAT5非屏蔽双绞线(UTP)、带单端放大器的标准 UTP将 CVBS信号传输到电视会产生典型结果。接下来用 RF信号干扰电缆，来测试电缆的干扰。当出现可视干扰时，信号电平会降低，直到干扰不再可视，干扰水平以 V/m计。本文小结性能比较显示，差分信令与同轴电缆的性能相当，但对某些应用来说，差分信令的性能可能更好且成本更低。成本和性能优势使差分信令胜出一筹，然而在产品中采用差分信令还需解决具体的设计问题。作者： Miles BekgranEmail: Bill Stutz、 Jurica Ivisic美信公司
