安防知識：雙絞線視頻監(jiān)控系統(tǒng)信號調節(jié)技術及其實現(xiàn)

        雙絞線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種性價比較好的安防產(chǎn)品，在中國具有良好的開發(fā)前景。在大量實驗的基礎上，本文作者著重闡述了這一系統(tǒng)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(xiàn)，具有一定的參考價值。
        安防產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)定的雙絞線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)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(wǎng)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(yōu)勢。經(jīng)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(shù)分析，在雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)中，只要盡量保證平衡傳輸?shù)臈l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(fā)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(xiàn)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?shù)囊蟆Ｄ壳埃晒┻x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。可調電壓放大倍數(shù)從0-400連續(xù)，具有三種增益調節(jié)方式：1.G1A、G1B相聯(lián)，平均放大倍數(shù)約400；2.G2A、G2B相聯(lián)，平均放大倍數(shù)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)ALT="發(fā)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?shù)幕舅枷爰锤鶕?jù)不同的衰減曲線視不同的頻率成分給出不同的放大倍數(shù)，展寬通頻帶，從而實現(xiàn)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(fā)射極電容補償、電感補償?shù)取Ｘ摲答佈a償使放大器增益下降，但改善了電路的穩(wěn)定性，展寬了電路的通頻帶，主要方法是在發(fā)射極接負反饋電阻Re；發(fā)射極電容補償?shù)姆椒ㄊ墙o發(fā)射極電阻Re1并聯(lián)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(lián)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(xiàn)高頻補償。較常見的補償電路是在三極管發(fā)射極并聯(lián)RC電路，RC電路的阻抗Zc=1/ωC隨著頻率的升高而減少，實現(xiàn)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(lián)若干RC電路的辦法實現(xiàn)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(jié)RADJ使NE592提供不同的幅頻特性攝像機。故只需根據(jù)實際的衰減曲線選擇合適的RADJ(R、C串聯(lián))，可實現(xiàn)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(tǒng)的發(fā)射端充分利用該特性對高頻分量實現(xiàn)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(jiān)視器中屬于干擾信號，使圖像產(chǎn)生網(wǎng)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(wǎng)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(fā)射端輸入信號幅值的要求，在發(fā)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(tǒng)的適應能力。ALT="圖4：根據(jù)實際衰減曲線選擇合適RADJ，可實現(xiàn)理想的頻率補償效果。">
        可供選擇的AGC電路是很多的。視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(wěn)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(xiàn)容易，但AGC電路充電時間常數(shù)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(tài)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(tǒng)的穩(wěn)定性。