安防知识：双绞线视频监控系统信号调节技术及其实现

        双绞线视频监控系统是一种性价比较好的安防产品，在中国具有良好的开发前景。在大量实验的基础上，本文作者着重阐述了这一系统中传输介质、放大电路、频率补偿及自动增益控制等几项关键技术及其实现，具有一定的参考价值。
        安防产品的重要性及市场需求逐年增加。中国将在2008年举办奥运会，仅北京市场预测，安防产品的需求大约在60亿元人民币左右。尤其以传输距离在1公里左右、布线容易、成本低廉且性能稳定的双绞线视频监控系统的研发更具市场前景。
        由于双绞线特殊的物理结构，平衡传输时其上传输一对幅度相等、极性相反的差分信号，可使两线间的寄生电容、寄生电感趋于零。但对外界干扰信号而言上述结果并不存在，干扰信号在两根线上幅度极性都一样。故当传输模拟视频信号网络摄像机、距离在1公里左右时，综合成本及工程难易程度等各方面因素，双绞线平衡传输具有不可替代的优势。经工程实践并综合性能、成本等各方面因素，目前普遍采用5类及超5类非屏蔽双绞线。ALT="视频放大芯片NE592的内部结构。
        视频放大及芯片选择
        从双绞线的分布参数分析，在双绞线视频传输系统中，只要尽量保证平衡传输的条件，就能使线缆分布电抗趋于零，且能较好地抑制共模信号。故在发送端视频放大模块的设计中，除提供一定的增益外摄像机，主要应实现从不平衡到平衡的转换，提供一对幅度相等、极性相反的差模信号，以满足双绞线传输的要求。目前，可供选择的视频放大芯片很多，只要能提供上述条件且满足带宽要求则均可使用，较常用的有EL1501C、NE592、μA733等。
       14脚封装NE592的内部结构：Q1、Q2、Q3、Q4构成两极差分放大电路；Q5、Q6构成射极跟随器；Q7、Q8、Q9、Q10、Q11分别组成恒流源。可调电压放大倍数从0-400连续，具有三种增益调节方式：1.G1A、G1B相联，平均放大倍数约400；2.G2A、G2B相联，平均放大倍数约100；3.G1A、G1B、G2A、G2B均断开，增益最小。其次，NE592带宽为120MHz ，完全满足0-8MHz频率成分视频信号的传输要求。供电电压为±8V，输入信号电压幅度±5V，共模输入信号电压±6V，工作温度范围0-70℃。在发送端的视频放大模块设计中，利用NE592，只要考虑接入匹配电阻(一般视频输出设备的输出电阻为75Ω，故匹配电阻值取75Ω)；并提供NE592合适的工作电压一般均可实现一定的视频放大及从不平衡到平衡的转换。参考电路如图2(视频设备输出信号在负载75Ω时峰值为VP-P=1V，因此NE592的输入信号幅度为VP-P=1V)。
        频率补偿及实现ALT="发送端的视频放大模块设计参考电路。"
        以PAL制式的视频信号为例，带宽为8MHz，彩色副载波为4.43MHz，色度信号带宽1.3MHz。视频信号在双绞线传输时，不同的频率成分其衰减亦不同，在4-8MHz每百米衰减约4.1-5.8db。信号的衰减随线缆长度摄像机、信号频率的增加而增加。
        只有接收端接收信号幅度基本一致时，才能收到满意的传输效果。理想的频率补偿曲线应与衰减曲线互补，才可输出满意的接收信号。频率补偿的基本思想即根据不同的衰减曲线视不同的频率成分给出不同的放大倍数，展宽通频带，从而实现均衡的视频输出。
        可供选择的补偿方法很多。常用的有负反馈补偿、发射极电容补偿、电感补偿等。负反馈补偿使放大器增益下降，但改善了电路的稳定性，展宽了电路的通频带，主要方法是在发射极接负反馈电阻Re；发射极电容补偿的方法是给发射极电阻Re1并联一个小电容Ce1，Ce1的阻抗随频率的升高而下降，则Re1对高分量的负反馈作用减弱，正好提升了高频信号增益。实践中Re1取40-70Ω，Re取4-7kΩ时，Ce1取值在1,000-2,000pF；电感并联补偿主要是考虑三极管分布电容的影响。
        电路中设置电感，使其与分布电容振荡在高频端，实现高频补偿。较常见的补偿电路是在三极管发射极并联RC电路，RC电路的阻抗Zc=1/ωC随着频率的升高而减少，实现放大电路增益随频率的升高而增大。一个RC电路有一个中心频率f0，如果传输距离较长，可以通过并联若干RC电路的办法实现分段补偿，参考电路如图3，各段补偿电路的中心频率由R、C决定，f0=1/2πωRC。ALT="图3：参考电路">
        更方便的补偿措施是利用NE592的增益可调性能。如图4，调节RADJ使NE592提供不同的幅频特性摄像机。故只需根据实际的衰减曲线选择合适的RADJ(R、C串联)，可实现理想的频率补偿效果，且无须附加电路，而这也是高频电路所期待的。实际上，在系统的发射端充分利用该特性对高频分量实现预提升，可进一步提高传输距离，参考电路见图2。
        实际应用中，并非高频补偿越大越好，尤其对彩色信号，其4.43+-1MHz频率范围在黑白监视器中属于干扰信号，使图像产生网纹。因此一味提升高频增益恰恰适得其反。工程上不但要考虑高频补偿网络摄像机，还要考虑低频补偿、直流补偿及三极管实际放大电路中分布电容的影响。
        自动增益控制
        实际应用中考虑到信号的强弱变化会导致接收端信号的严重失真，以及为了满足发射端输入信号幅值的要求，在发射端设计自动增益控制(AGC)电路，以改善其对大信号的能力，可进一步提高整个系统的适应能力。ALT="图4：根据实际衰减曲线选择合适RADJ，可实现理想的频率补偿效果。">
        可供选择的AGC电路是很多的。视频监控系统中利用视频信号同步头幅值最大的特点，用检波二极管检出同步头做放大器的增益控制电压，使该电压反馈控制三极管的直流工作点，从而控制其增益，以达到稳定输出的目的，AGC电压随信号的峰值变化，与图像的内容无关，避免了图像内容对AGC电压的影响。这种AGC电路实现容易，但AGC电路充电时间常数小，混在视频信号中高于同步头的干扰信号对电路的工作状态影响很大。实际若选择带AGC功能的视频放大芯片摄像机，如MC1590、MAX3861等。MAX3861输入电压范围为6mVP-P—1,200mVP-P，3.4GHz信号带宽。采用集成芯片则可大大简化电路，提高整个系统的稳定性。