井下救援遠(yuǎn)距離視頻傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

本文所涉及的井下救援遠(yuǎn)距離視頻傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究就是對(duì)于井下救援安全性需求所進(jìn)行的分析、研究和解決，通過(guò)在廉價(jià)的雙絞線電纜上實(shí)現(xiàn)1500m的視頻傳輸，保證圖像色彩、亮度、輪廓等基本無(wú)失真，同時(shí)適應(yīng)考慮防水、抗震、防塵、高溫、腐蝕性氣體等井下惡劣環(huán)境，并達(dá)到本質(zhì)安全型防爆設(shè)計(jì)要求，最后將其產(chǎn)品化。

相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

1 雙絞線技術(shù)

雙絞線是一種柔性的通信電纜，包含著成對(duì)的絕緣銅線，因?yàn)樗哂锌垢蓴_能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、布線容易、價(jià)格低廉等許多優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格便宜，所以被廣泛使用。由于雙絞線對(duì)信號(hào)也存在著較大的衰減，所以傳輸距離遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)的頻率不能太高，而高速信號(hào)如以太網(wǎng)則只能限制在100m 以內(nèi)。對(duì)于視頻信號(hào)而言，帶寬達(dá)到6MHz，如果直接在雙絞線內(nèi)傳輸，也會(huì)衰減很大，所以視頻信號(hào)在雙絞線上要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，必須進(jìn)行放大和補(bǔ)償，雙絞線視頻傳輸設(shè)備就是完成這種功能。加上一對(duì)雙絞線視頻收發(fā)設(shè)備后，可以將圖像傳輸?shù)?～2km。雙絞線和雙絞線視頻傳輸設(shè)備價(jià)格都很便宜，不但沒(méi)有增加系統(tǒng)造價(jià)，反而在距離增加時(shí)其造價(jià)與同軸電纜相比下降了許多。所以，監(jiān)控系統(tǒng)中用雙絞線進(jìn)行傳輸具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 MAX435和MAX436的主要性能指標(biāo)

2 互導(dǎo)型放大器

互導(dǎo)型放大器(又稱跨導(dǎo)型放大器)的輸入信號(hào)是電壓量，輸出信號(hào)是電流量，其增益稱為互導(dǎo)Gm?；?dǎo)型放大器是一種電壓／電流模式混合電路，由于其內(nèi)部只有電壓——電流變換級(jí)和電流傳輸級(jí)，而沒(méi)有電壓傳輸級(jí)，因此沒(méi)有大擺幅電壓信號(hào)和密勒倍增效應(yīng)，從而具有頻帶寬、高頻性能好及大信號(hào)轉(zhuǎn)換速度高等特性。互導(dǎo)型放大器的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電源電壓和功耗均得到了降低。

圖2　視頻雙絞線驅(qū)動(dòng)/接收電路

驅(qū)動(dòng)電路采用互導(dǎo)型放大器將單端電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成差分電流信號(hào)，通過(guò)電流環(huán)在雙絞線上傳輸視頻信號(hào)，接收端再把差分電流信號(hào)還原為單端電壓信號(hào)。

3 MAX435和MAX436

在這里互導(dǎo)型放大器采用MAXIM公司的MAX435和MAX436作為雙絞線視頻信號(hào)電路驅(qū)動(dòng)。MAX435和MAX436是一種新型高速、寬帶的互導(dǎo)型放大器，其引腳排列如圖１、圖２所示。它們具有理想差分、高阻抗輸入和電流輸出等特點(diǎn)。由于這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，該芯片能夠提供精確增益，不用負(fù)反饋就能消除閉環(huán)相移。

圖1 MAX435與MAX436引腳排列圖

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

1 電路設(shè)計(jì)  

當(dāng)傳輸距離小于1500ｍ時(shí)，采用雙絞線來(lái)傳遞基帶視頻信號(hào)也能獲得很好的效果。和使用傳統(tǒng)的同軸電纜相比，用雙絞線傳輸信號(hào)時(shí)要注意兩點(diǎn)：采用平衡(差分)傳輸以使 共模噪聲最小；恰當(dāng)端接以使反射最小。由于MAX435和MAX436在10MHz時(shí)共模抑制比能達(dá)到53dB。而且輸入輸出阻抗又都很高，所以特別適用于這樣的應(yīng)用場(chǎng)合。

實(shí)際電路如圖２所示。從圖中看出，MAX435和MAX436組成雙絞線視頻傳輸電路的驅(qū)動(dòng)器/接收器，只采用一個(gè)差分輸出的MAX435即可驅(qū)動(dòng)平衡雙絞線(其輸入信號(hào)以地為基準(zhǔn))，從而省去了平衡變壓器或兩個(gè)單端輸出驅(qū)動(dòng)器。為了實(shí)現(xiàn)平衡到單端線路的變換，其接收器電路采用了單端輸出的MAX436。IN+到IN-間的100Ω電阻器使線路的終端連接十分合理?；?dǎo)網(wǎng)絡(luò)(從Z+到Z-)不僅完成增益調(diào)節(jié)(+6dB)。而且還起到線路均衡的作用，從而提高接收器的高頻增益。

在圖3電路中，可以通過(guò)調(diào)整R1提高整體增益對(duì)歐姆損耗進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)得到合適的亮度，通過(guò)調(diào)整C1(增添零/極點(diǎn)對(duì)以擴(kuò)展頻帶)來(lái)獲得最佳的色彩。由于調(diào)整是在接收器端進(jìn)行的，所以用戶可以在接收端一邊觀察屏幕一邊調(diào)整R1和Cl，從而得到最佳圖像。

2 測(cè)試結(jié)果

圖3（a）和圖3（b）是從監(jiān)視器屏幕上看到的調(diào)節(jié)前、后的視頻脈沖波形。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)本電路用165m長(zhǎng)的φ0.71mm防盜報(bào)警器用雙絞線傳送NTSC基帶視頻信號(hào)時(shí)，3.58MHz色同步信號(hào)的衰減約為6dB。雖有失真，但由于監(jiān)視器對(duì)信號(hào)衰減具有自動(dòng)均衡補(bǔ)償(對(duì)色同步信號(hào)的衰減補(bǔ)償可達(dá)10dB)，故圖像質(zhì)量仍然很好，無(wú)明顯彩色變淡或水平分辨率變差的現(xiàn)象。但若衰減量進(jìn)一步增大，則色度和水平分辨率變差、難以看清顯示的圖文。

圖3（a）調(diào)節(jié)均衡前的波形（b）調(diào)節(jié)均衡后的波形（c）在雙絞線上加50Hz的共模噪聲電壓

當(dāng)本電路用長(zhǎng)330m的電話雙絞線在兩幢大樓之間傳送NTSC錄像機(jī)視頻信號(hào)時(shí)。圖像質(zhì)量良好。又故意在兩根平衡的絞線上各加上圖3（c）所示的50Hz的共模噪聲電壓進(jìn)行試驗(yàn)，圖像質(zhì)量未受影響。

這是由于MAX436對(duì)60Hz信號(hào)具有60dB的共模抑制比，使這種噪聲不致影響圖像。如果用不平衡的單端方式來(lái)驅(qū)動(dòng)電纜，則效果之差是可以預(yù)料的。雖然上述試驗(yàn)只用了NTSC視頻信號(hào)，但本電路用于載波為4.43MHz的PAL制視頻信號(hào)仍可取得相似的效果。

結(jié)論

在許多不要求電纜具有很寬的帶寬的場(chǎng)合中，用雙絞線代替昂貴的同軸電纜不僅可以降低線路的鋪設(shè)成本，而且兩根絞線感應(yīng)的差分干擾電流可以互相抵消。只要采用適當(dāng)?shù)慕g線，并在接收端的監(jiān)視器進(jìn)行阻抗匹配和自動(dòng)增益補(bǔ)償(目前大多數(shù)電視監(jiān)視器都具有此功能)，其傳送基帶(復(fù)合)視頻信號(hào)的距離可遠(yuǎn)達(dá)1500km，而且圖像質(zhì)量并不差，能夠保證圖像色彩、亮度、輪廓等基本無(wú)失真。

后期加工外殼時(shí)，適當(dāng)考慮防水、抗震、防塵、高溫、腐蝕性氣體等井下惡劣環(huán)境，并達(dá)到本質(zhì)安全型防爆設(shè)計(jì)要求，則可以將其產(chǎn)品化。

綜上所述，該技術(shù)適應(yīng)井下救援所需要的低成本，快速鋪設(shè)，使用簡(jiǎn)單，維護(hù)方便等諸多要求。而且此技術(shù)還可以在超級(jí)市場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、學(xué)校等單位廣泛用于電視監(jiān)視系統(tǒng)中的單通道視頻信號(hào)傳送。