ADI視頻傳輸方案:支持通過UTP傳輸視頻的完整寬帶驅(qū)動器和接收器 - 全文

電路功能與優(yōu)勢

無屏蔽雙絞線（UTP）——如Category-5e （Cat-5e）——最初設(shè)計(jì)為傳輸局域網(wǎng)（LAN）流量，現(xiàn)已成為其他許多信號傳輸應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)型解決方案，因?yàn)樗哂锌捎^的性能和低成本優(yōu)勢。這些應(yīng)用均為傳輸寬帶視頻信號的系統(tǒng)，它們采用4對雙絞線中的3對傳輸紅、綠、藍(lán)（RGB）電腦視頻信號或亮度和兩個(gè)色差（YPbPr）、高清分量視頻信號。視頻信號消隱間隔中可嵌入所需的水平和垂直同步脈沖，這些脈沖亦可在3對雙絞線中作為共模差分信號傳輸。這些系統(tǒng)經(jīng)常包含視頻交叉點(diǎn)開關(guān)，并用于將小部分視頻信號源分發(fā)至許多顯示器（如數(shù)字標(biāo)牌），或?qū)⒋蟛糠忠曨l信號源分發(fā)至幾個(gè)顯示器，如鍵盤-視頻-鼠標(biāo)（KVM）網(wǎng)絡(luò)。

圖1所示的方案通過采用 AD8122 三路接收器/均衡器以克服這些損害，恢復(fù)視頻的高頻內(nèi)容，同時(shí)提供平坦的增益。AD8120 三路偏斜補(bǔ)償模擬延遲線，在兩路最先到達(dá)的信號中加入延遲，使得三路接收信號在時(shí)間上正確排列。AD8147 三路驅(qū)動器提供視頻源信號所需的單端至差分轉(zhuǎn)換。

圖1. 均衡與延遲補(bǔ)償U(kuò)TP驅(qū)動器和接收器（原理示意圖：未顯示所有引腳、連接和去耦）

圖2. 通過UTP傳輸視頻的系統(tǒng)簡化框圖

電路描述

圖1所示視頻傳輸系統(tǒng)采用RGBHV視頻信號，其中RGB表示紅、綠、藍(lán)視頻信號，HV表示獨(dú)立水平和垂直同步脈沖信號。因此，總共5路信號通過3對雙絞線電纜傳輸。

視頻系統(tǒng)性能以時(shí)序描述最為合適，并且最重要的參數(shù)是階躍響應(yīng)建立時(shí)間。視頻顯示的兩個(gè)像素之間的傳輸通常是階躍函數(shù)，且每一像素持續(xù)一段特定的時(shí)間。理想情況下，視頻的階躍響應(yīng)最終值誤差應(yīng)小至忽略不計(jì)（低于滿量程約46dB，或3.5 mV），為像素時(shí)間的一小部分（對于60 Hz時(shí)的UXGA，約為6ns）。雖然某些頻域性能指標(biāo)很重要，但最重要的是這些指標(biāo)如何在時(shí)域內(nèi)影響視頻信號。例如，系統(tǒng)帶寬必須足夠高，以產(chǎn)生上升時(shí)間滿足建立時(shí)間要求的階躍響應(yīng)。然而，單有帶寬還不夠，因?yàn)檎疋?、過沖和響應(yīng)遲緩，甚至寬系統(tǒng)帶寬具有的短上升時(shí)間，都可產(chǎn)生極大的建立誤差。系統(tǒng)簡化框圖見圖2。

驅(qū)動器

RGB信號通常源自75Ω單端、源接端電壓源，且需要75Ω負(fù)載端。在負(fù)載上，正確端接的信號幅度通常在0 mV和700 mV間變化。若要通過UTP傳輸RGB信號，則信號需進(jìn)行單端模式至平衡（差分）模式的轉(zhuǎn)換，然后放大2倍以考慮由于UTP源和負(fù)載端造成的6 dB損耗。這可通過使用三路差分驅(qū)動器輕松實(shí)現(xiàn)，如 AD8147。

AD8147 根據(jù)以下等式提供額外的特性以編碼TTL邏輯電平、三路輸出共模電壓（VOCM）上的水平和垂直同步脈沖信號：

Red Vocm = K/2（VSYNC - HSYNC）+ VMIDSUPPLY

Green Vocm = K/2（-2VSYNC） + VMIDSUPPLY

Blue Vocm = K/2（VSYNC + HSYNC）+ VMIDSUPPLY

其中：

K表示中間電源電壓（VMIDSUPPLY）時(shí)共模脈沖電壓的峰值偏差。VSYNC和HSYNC是單位加權(quán)項(xiàng)，對于邏輯1為+1，對于邏輯0為?1。

這種編碼方案產(chǎn)生數(shù)值為零的凈交流共模電壓，減少來自電纜的共模電磁輻射。

驅(qū)動器評估板包含安裝單端至差分模式轉(zhuǎn)換和同步脈沖編碼所需的全部信息，包括K的調(diào)節(jié)。

接收機(jī)

UTP電纜的集膚效應(yīng)產(chǎn)生隨頻率增加的傳輸損耗，導(dǎo)致接收信號呈現(xiàn)圓形且分散，并且簡單電纜電阻導(dǎo)致電纜的扁平阻性損耗。圖3通過對比300米長的UTP全擺幅視頻階躍響應(yīng)與輸入電纜的階躍信號，展示了這些效應(yīng)。

圖 3. 300米Cat-5e非均衡電纜的階躍響應(yīng)

AD8122 是三路均衡器，進(jìn)行差分至單端模式轉(zhuǎn)換，針對信號損壞具有高共模抑制和補(bǔ)償。圖4表示均衡器輸出的正確階躍信號，建立至1%誤差所需時(shí)間少于70 ns。注意圖4中的時(shí)間刻度以納秒為單位。

圖4. 300米Cat-5e電纜均衡階躍響應(yīng)（注意時(shí)間單位為ns）

對于頻域而言，圖5表示長度為100英尺至1000英尺的Cat-5e電纜的頻率響應(yīng)，長度以100英尺遞增，限帶效應(yīng)和扁平損耗極為明顯。

圖5. 針對不同電纜長度的非均衡Cat-5e電纜頻率響應(yīng)

有關(guān) AD8122 如何有效恢復(fù)接收信號的高頻內(nèi)容以及扁平損耗可通過對比圖6中 AD8122輸出的均衡頻率響應(yīng)和圖5中的非均衡頻率響應(yīng)而看出。對于1000英尺（300米）長的電纜，60 MHz時(shí)超過50 dB的非均衡損耗經(jīng)AD8122均衡器優(yōu)化后為3 dB。

圖6. 針對不同電纜長度的均衡Cat-5e電纜頻率響應(yīng)

針對最后一個(gè)損害， AD8120 三路延遲線糾正了3對雙絞線之間的時(shí)間偏斜并提供2的增益以驅(qū)動通過雙端接75Ω電纜傳輸至顯示器的視頻信號。

接收器評估板包括 AD8122 和 AD8120以及所需的全部支持電路，包括5個(gè)電位計(jì)以調(diào)節(jié)高升頻值、平坦增益和3條延遲線。此外，還提供針對AD8120的可選串行控制的串行接口。

結(jié)束語

視頻分配系統(tǒng)中遠(yuǎn)端的圖像質(zhì)量很重要。圖像質(zhì)量由階躍響應(yīng)至3.5 mV的建立時(shí)間最終值所決定，當(dāng)該值超過像素時(shí)間的某一部分時(shí)，圖像質(zhì)量便開始受影響。圖7表示未采用均衡或偏斜校正時(shí)，通過300米（1000英尺）Cat-5e電纜接收圖像的極端例子。圖7中的黑色拖尾極為嚴(yán)重，階躍響應(yīng)遲緩，且由于時(shí)間偏斜導(dǎo)致色彩失調(diào)。完全校正后的圖像見圖8。

圖7. 通過300米Cat-5e電纜傳輸，非均衡、無偏斜校正圖像

圖8. 通過300米Cat-5e電纜傳輸，經(jīng)均衡與偏斜校正后的圖像

發(fā)射器和接收器評估板的實(shí)物照片對應(yīng)顯示在圖9與圖10中。

圖9. EVAL-CN0275-TX-EBZ發(fā)射器評估板

圖10. EVAL-CN0275-RX-EBZ接收器評估板

常見變化

成本更低的 AD8124 三路均衡器在僅需驅(qū)動最高200米的 UTP系統(tǒng)中可替換 AD8122。AD8124與AD8122引腳不兼容，且控制功能也有所不同。

驅(qū)動器除了 AD8147，還有很多選擇。 AD8146 提供和 AD8147 相同的功能，但不集成專門的共模同步電路。AD8146 通常用在那些將垂直和水平同步脈沖放置在視頻信號消隱間隔中的系統(tǒng)，而非將脈沖置于共模電壓上的系統(tǒng)。 AD8148 與 AD8147 規(guī)格相同，只不過它的固定增益為4而非2，并且可配置用于預(yù)加重，以驅(qū)動最高為100英尺的UTP。對于要求功耗更低的系統(tǒng)， AD8133 和 AD8134可提供與AD8146和AD8147對應(yīng)相同的功能，且消耗更低的功耗，但它們的帶寬較低。最后，對于可使用5 V電源、成本最低的系統(tǒng)，AD8141和AD8142 CMOS驅(qū)動器也許是最佳的選擇。

UTP的安裝各不相同，可能覆蓋較廣的區(qū)域、通過多個(gè)配線架，并且時(shí)而沒有接地參考。這些情況可能導(dǎo)致與本地接收器接地參考有關(guān)的接收共模電壓的劇烈波動。在均衡器前端放置一個(gè)具有寬共模范圍的平坦增益差分接收器，如AD8143，則可在這些情況下提供最高21 V的輸入共模范圍。

AD8122 和AD8124均同時(shí)支持同軸電纜與UTP電纜。AD8122可引腳綁定為任一模式，且AD8124利用VPOLE控制以修改它的頻率響應(yīng)，支持任一電纜類型。

電路評估與測試

ADI 公司提供完整的系統(tǒng)級即插即用驅(qū)動器和接收器評估板，包含所需的全部視頻圖像陣列（VGA）電路和RJ-45連接器。提供帶有旋鈕的電位計(jì)以控制均衡和偏斜校正。一個(gè)簡單的視頻源即可提供最好的測試配置，例如一臺電腦和一臺高質(zhì)量顯示器。若電腦和顯示器支持最高UXGA/60Hz的分辨率則更佳。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

一個(gè)UXGA視頻源（筆記本電腦）

EVAL-CN0275-TX-EBZ發(fā)射器評估板

EVAL-CN0275-RX-EBZ接收器評估板

±5 V電源（兩個(gè)：一個(gè)用于發(fā)射器評估板，另一個(gè)用于接收器評估板）

Cat-5e電纜，100英尺至1000英尺，增量為100英尺（Stellar Labs U5E-24-CMR-665，MCM Electronics #24-10510）

一臺UXGA視頻顯示器

測試

測試設(shè)置的簡化框圖見圖11。連接設(shè)備后，即可使用標(biāo)準(zhǔn)視頻進(jìn)行端到端的測試。