井下救援遠距離視頻傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

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

相關(guān)技術(shù)簡介

1 雙絞線技術(shù)

雙絞線是一種柔性的通信電纜，包含著成對的絕緣銅線，因為它具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、布線容易、價格低廉等許多優(yōu)點，價格便宜，所以被廣泛使用。由于雙絞線對信號也存在著較大的衰減，所以傳輸距離遠時，信號的頻率不能太高，而高速信號如以太網(wǎng)則只能限制在100m 以內(nèi)。對于視頻信號而言，帶寬達到6MHz，如果直接在雙絞線內(nèi)傳輸，也會衰減很大，所以視頻信號在雙絞線上要實現(xiàn)遠距離傳輸，必須進行放大和補償，雙絞線視頻傳輸設(shè)備就是完成這種功能。加上一對雙絞線視頻收發(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)備價格都很便宜，不但沒有增加系統(tǒng)造價，反而在距離增加時其造價與同軸電纜相比下降了許多。所以，監(jiān)控系統(tǒng)中用雙絞線進行傳輸具有明顯的優(yōu)勢。

表1 MAX435和MAX436的主要性能指標

2 互導(dǎo)型放大器

互導(dǎo)型放大器(又稱跨導(dǎo)型放大器)的輸入信號是電壓量，輸出信號是電流量，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——電流變換級和電流傳輸級，而沒有電壓傳輸級，因此沒有大擺幅電壓信號和密勒倍增效應(yīng)，從而具有頻帶寬、高頻性能好及大信號轉(zhuǎn)換速度高等特性?；?dǎo)型放大器的電路結(jié)構(gòu)簡單，電源電壓和功耗均得到了降低。

圖2　視頻雙絞線驅(qū)動/接收電路

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

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電路驅(qū)動。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。由于這些獨特的結(jié)構(gòu)，該芯片能夠提供精確增益，不用負反饋就能消除閉環(huán)相移。

圖1 MAX435與MAX436引腳排列圖

設(shè)計與實現(xiàn)方法

1 電路設(shè)計  

當傳輸距離小于1500ｍ時，采用雙絞線來傳遞基帶視頻信號也能獲得很好的效果。和使用傳統(tǒng)的同軸電纜相比，用雙絞線傳輸信號時要注意兩點：采用平衡(差分)傳輸以使 共模噪聲最??；恰當端接以使反射最小。由于MAX435和MAX436在10MHz時共模抑制比能達到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)用場合。

實際電路如圖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)動器/接收器，只采用一個差分輸出的MAX435即可驅(qū)動平衡雙絞線(其輸入信號以地為基準)，從而省去了平衡變壓器或兩個單端輸出驅(qū)動器。為了實現(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，可以通過調(diào)整R1提高整體增益對歐姆損耗進行補償來得到合適的亮度，通過調(diào)整C1(增添零/極點對以擴展頻帶)來獲得最佳的色彩。由于調(diào)整是在接收器端進行的，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。試驗結(jié)果表明，當本電路用165m長的φ0.71mm防盜報警器用雙絞線傳送NTSC基帶視頻信號時，3.58MHz色同步信號的衰減約為6dB。雖有失真，但由于監(jiān)視器對信號衰減具有自動均衡補償(對色同步信號的衰減補償可達10dB)，故圖像質(zhì)量仍然很好，無明顯彩色變淡或水平分辨率變差的現(xiàn)象。但若衰減量進一步增大，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

當本電路用長330m的電話雙絞線在兩幢大樓之間傳送NTSC錄像機視頻信號時。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的共模噪聲電壓進行試驗，圖像質(zhì)量未受影響。

這是由于MAX436對60Hz信號具有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驅(qū)動電纜，則效果之差是可以預(yù)料的。雖然上述試驗只用了NTSC視頻信號，但本電路用于載波為4.43MHz的PAL制視頻信號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?shù)慕g線，并在接收端的監(jiān)視器進行阻抗匹配和自動增益補償(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)視頻信號的距離可遠達1500km，而且圖像質(zhì)量并不差，能夠保證圖像色彩、亮度、輪廓等基本無失真。

后期加工外殼時，適當考慮防水、抗震、防塵、高溫、腐蝕性氣體等井下惡劣環(huán)境，并達到本質(zhì)安全型防爆設(shè)計要求，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)，使用簡單，維護方便等諸多要求。而且此技術(shù)還可以在超級市場、機場、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傳送。