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安防知識：雙絞線視頻監(jiān)控系統(tǒng)信號調(diào)節(jié)技術(shù)及其實(shí)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文作者著重闡述了這一系統(tǒng)中傳輸介質(zhì)、放大電路、頻率補(bǔ)償及自動增益控制等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)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(yùn)會，僅北京市場預(yù)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(jié)構(gòu)，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(jié)果并不存在，干擾信號在兩根線上幅度極性都一樣。故當(dāng)傳輸模擬視頻信號網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、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(shí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。
        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(shè)計(jì)中，除提供一定的增益外攝像機(jī)，主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)從不平衡到平衡的轉(zhuǎn)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?。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(nèi)部結(jié)構(gòu)：Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成兩極差分放大電路；Q5、Q6構(gòu)成射極跟隨器；Q7、Q8、Q9、Q10、Q11分別組成恒流源?？烧{(diào)電壓放大倍數(shù)從0-400連續(xù)，具有三種增益調(diào)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(shè)計(jì)中，利用NE592，只要考慮接入匹配電阻(一般視頻輸出設(shè)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(shí)現(xiàn)一定的視頻放大及從不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換。參考電路如圖2(視頻設(shè)備輸出信號在負(fù)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(bǔ)償及實(shí)現(xiàn)ALT="發(fā)送端的視頻放大模塊設(shè)計(jì)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(jī)、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(bǔ)償曲線應(yīng)與衰減曲線互補(bǔ)，才可輸出滿意的接收信號。頻率補(bǔ)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(shí)現(xiàn)均衡的視頻輸出。
        可供選擇的補(bǔ)償方法很多。常用的有負(fù)反饋補(bǔ)償、發(fā)射極電容補(bǔ)償、電感補(bǔ)償?shù)取Ｘ?fù)反饋補(bǔ)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(fù)反饋電阻Re；發(fā)射極電容補(bǔ)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(fù)反饋?zhàn)饔脺p弱，正好提升了高頻信號增益。實(shí)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(bǔ)償主要是考慮三極管分布電容的影響。
        電路中設(shè)置電感，使其與分布電容振蕩在高頻端，實(shí)現(xiàn)高頻補(bǔ)償。較常見的補(bǔ)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(shí)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(shí)現(xiàn)分段補(bǔ)償，參考電路如圖3，各段補(bǔ)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(bǔ)償措施是利用NE592的增益可調(diào)性能。如圖4，調(diào)節(jié)RADJ使NE592提供不同的幅頻特性攝像機(jī)。故只需根據(jù)實(shí)際的衰減曲線選擇合適的RADJ(R、C串聯(lián))，可實(shí)現(xiàn)理想的頻率補(bǔ)償效果，且無須附加電路，而這也是高頻電路所期待的。實(shí)際上，在系統(tǒng)的發(fā)射端充分利用該特性對高頻分量實(shí)現(xiàn)預(yù)提升，可進(jìn)一步提高傳輸距離，參考電路見圖2。
        實(shí)際應(yīng)用中，并非高頻補(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，還要考慮低頻補(bǔ)償、直流補(bǔ)償及三極管實(shí)際放大電路中分布電容的影響。
        自動增益控制
        實(shí)際應(yīng)用中考慮到信號的強(qiáng)弱變化會導(dǎo)致接收端信號的嚴(yán)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(shè)計(jì)自動增益控制(AGC)電路，以改善其對大信號的能力，可進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的適應(yīng)能力。ALT="圖4：根據(jù)實(shí)際衰減曲線選擇合適RADJ，可實(shí)現(xiàn)理想的頻率補(bǔ)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(diǎn)，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(diǎn)，從而控制其增益，以達(dá)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(nèi)容無關(guān)，避免了圖像內(nèi)容對AGC電壓的影響。這種AGC電路實(shí)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(shí)際若選擇帶AGC功能的視頻放大芯片攝像機(jī)，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。