安防知識：雙絞線視頻監控系統信號調節技術及其實現

        雙絞線視頻監控系統是一種性價比較好的安防產品，在中國具有良好的開發前景。在大量實驗的基礎上，本文作者著重闡述了這一系統中傳輸介質、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，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、成本低廉且性能穩定的雙絞線視頻監控系統的研發更具市場前景。
        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網絡攝像機、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勢。經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。ALT="視頻放大芯片NE592的內部結構。
        視頻放大及芯片選擇
        從雙絞線的分布參數分析，在雙絞線視頻傳輸系統中，只要盡量保證平衡傳輸的條件，就能使線纜分布電抗趨于零，且能較好地抑制共模信號。故在發送端視頻放大模塊的設計中，除提供一定的增益外攝像機，主要應實現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，以滿足雙絞線傳輸的要求。目前，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。
       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?？烧{電壓放大倍數從0-400連續，具有三種增益調節方式：1.G1A、G1B相聯，平均放大倍數約400；2.G2A、G2B相聯，平均放大倍數約100；3.G1A、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ALT="發送端的視頻放大模塊設計參考電路。"
        以PAL制式的視頻信號為例，帶寬為8MHz，彩色副載波為4.43MHz，色度信號帶寬1.3MHz。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4.1-5.8db。信號的衰減隨線纜長度攝像機、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。頻率補償的基本思想即根據不同的衰減曲線視不同的頻率成分給出不同的放大倍數，展寬通頻帶，從而實現均衡的視頻輸出。
        可供選擇的補償方法很多。常用的有負反饋補償、發射極電容補償、電感補償等。負反饋補償使放大器增益下降，但改善了電路的穩定性，展寬了電路的通頻帶，主要方法是在發射極接負反饋電阻Re；發射極電容補償的方法是給發射極電阻Re1并聯一個小電容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，實現高頻補償。較常見的補償電路是在三極管發射極并聯RC電路，RC電路的阻抗Zc=1/ωC隨著頻率的升高而減少，實現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，可以通過并聯若干RC電路的辦法實現分段補償，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。ALT="圖3：參考電路">
        更方便的補償措施是利用NE592的增益可調性能。如圖4，調節RADJ使NE592提供不同的幅頻特性攝像機。故只需根據實際的衰減曲線選擇合適的RADJ(R、C串聯)，可實現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，在系統的發射端充分利用該特性對高頻分量實現預提升，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4.43+-1MHz頻率范圍在黑白監視器中屬于干擾信號，使圖像產生網紋。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網絡攝像機，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，以及為了滿足發射端輸入信號幅值的要求，在發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的適應能力。ALT="圖4：根據實際衰減曲線選擇合適RADJ，可實現理想的頻率補償效果。">
        可供選擇的AGC電路是很多的。視頻監控系統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電路實現容易，但AGC電路充電時間常數小，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影響很大。實際若選擇帶AGC功能的視頻放大芯片攝像機，如MC1590、MAX3861等。MAX3861輸入電壓范圍為6mVP-P—1,200mVP-P，3.4GHz信號帶寬。采用集成芯片則可大大簡化電路，提高整個系統的穩定性。