如何利用低成本CAT5网络电缆传输视频信号？

　　对于近距离视频传输系统，采用单端信号即可提供较高的图像质量。但是，当传输距离达到数百米时，发送器与接收器之间的地电位差以及注入电缆的噪声将对单端视频信号传输系统造成很大干扰，这些噪声叠加到单端信号上时，将造成视频信号的严重失真，这一现象在工作环境比较恶劣的汽车及工业环境下尤其严重。
　　差分视频传输系统相对而言具有较强的抗干扰能力，因为这些噪声以共模形式作用在两条差分信号线上。因此，在长距离信号传输系统中，差分线对比传统的单端方式具有独特的优势，具有更高的噪声抑制能力，能够在视频传输系统（特别是在恶劣的工作环境下）中提供更高的图像质量。
　　差分视频传输的缺点是成本较高，因为差分信号传输通常采用价格昂贵的差分同轴电缆。工业应用中，图像信号的传输距离通常达到数百米，除非是一些必要场合，否则铺设专用的差分同轴电缆将受到成本的限制。由于计算机网络的普及，CAT5电缆比最普通的同轴电缆也要便宜许多，而且许多场合都已铺设了这种电缆，利用这种电缆可大大降低成本。使用CAT5电缆传输视频信号时，需要考虑两个参数。首先，CAT5电缆有四对双绞线，如果使用一对以上的双绞线同时承载视频信号，通道之间将会引入一定的串扰。如果差分驱动器的共模均衡（CMB）和接收器的共模抑制比（CMRR）在视频带宽（0Hz～5MHz）内能够达到30dB甚至更高，则可将串扰信号降到可接受的水平，能够保持完好的图像质量。使用CAT5的第二个问题是高频衰减，其衰减幅度远远高于视频同轴电缆。当图像传输距离超过10英尺时，需要设计人员在系统中增加电缆均衡电路，均衡器用于补偿损耗，提高高频增益以补偿CAT5电缆的衰减。
　　由于差分线对本身能够抑制串扰，本文将以NTSC多脉冲群信号为例，主要讨论均衡问题。图1为该信号在电视上的显示图像，图2为同一信号在示波器上的显示波形。
　　
　　图1，电视显示图像：没有失真的NTSC多脉冲群
　　图1所示图像与图2波形完全对应，由六组宽度逐渐减小的白色正弦波条纹组成。如果图像没有失真，每个竖条会有清晰的白色区域和黑色区域。如果通过远距离CAT5电缆传输造成相位和带宽失真时，逐渐变窄的白色竖条将发生变化，中间可能出现其它颜色或变得不清晰。图3所示为电缆扩展到150米（500英尺）时的图像传输结果，六个频率下的Vpps幅度不一致，白色脉冲的边沿变得平滑，不再陡峭。图像比较模糊，对比度降低，而且较窄的竖条组失真更严重。
　　
　　图2，通过1米CAT5电缆后，没有出现失真的NTSC多脉冲群信号
　　
　　图3，经过150米CAT5电缆传输后的NTSC多脉冲群信号
　　从图4可以清楚地看出NTSC多脉冲群信号Vpp随CAT5电缆的衰减情况，信号衰减将显著影响图像质量。对于传输距离只有1米的CAT5电缆，图1和图2所示波形接近于理想状况，测试中的六个频率下保持完全一致的Vpps，白色竖条具有清晰的边沿，竖条之间的灰色区域也非常清晰。
　　
　　图4，视频信号Vpp在不同CAT5电缆长度下的衰减
　　可以从多家供应商获得线驱动器-接收器对，本文采用了Maxim的MAX9546和MAX9547，由此说明对收发器增加均衡网络后的视频传输效果。图5为差分收发器的信号传输架构，基本均衡电路跨接在电阻Zt两端，均衡电路对增益的提升可以使上述频点下的信号幅度恢复到正常值。当然，不同厂商提供的电缆可能具有不同的衰减，需要对具体的均衡网络进行调整，以获得最好的图像质量。
　　
　　图5，MAX9546和MAX9547构成的视频传输电路，均衡网络连接在MAX9547的Zt+和Zt-端
　　典型均衡网络如图6所示，每个网络分支通过设置电阻、电容调整相应频率处的增益。下表列出了对于150米、300米和450米（分别对应于500、1000、1500英尺）传输的补偿元件值。选择电容C1、C2、C3设置频率时，电阻R1、R2和R3也会影响频响特性。利用增益电阻R4和R5调节整体的补偿增益，R5设置为75Ω时，增益为2V/V。
　　
　　图6，均衡网络
　　图7所示是用示波器测试得到的增加补偿网络后，150米（500英尺）视频传输的结果，图像信号采用的是与图5a相同的波形。比较图7和图2所示结果可以看出，均衡网络可以补偿147米CAT5电缆的衰减。
　　
　　图7，增加均衡网络后，经过150米传输后的NTSC多脉冲群信号
　　传输距离更远时，可以利用高增益器件（例如MAX4444、MAX4145）进行均衡，进一步补偿图像衰减。使用高增益器件和额外的均衡可能在视频信号中引入过高的噪声，对于图像质量要求不是很高的应用，该方案可以在长距离视频传输中提供可以接受的图像质量。
　　结论
　　CAT5电缆非常通用，而且很多建筑内已预先铺设了这种电缆，利用这种电缆传输视频信号，能够获得廉价的视频监控方案。为了均衡CAT5电缆的信号传输，需要高品质、低成本的差分发送器和接收器（如MAX9546-MAX9547）。差分传输具有较好的CMB和CMRR特性，能够解决CAT5电缆的串扰问题。考虑到CAT5电缆的损耗，需要对视频信号进行均衡补偿。而过度均衡又会增大视频信号的背景噪声。对于传输距离在450米（1500英尺）以内的应用，MAX9546和MAX9547提供了一个低成本的视频传输方案，可利用CAT5电缆进行传输。对于传输距离更远，但对图像质量要求不是太高的应用，同样可以采用这种方案实现有效的视频传输。