高分辨率VGA模拟差分信号处理技术与应用

高分辨率VGA模拟差分信号处理技术与应用
陈建平;张辉
【摘要】利用差分技术传输视频信号,是近年来发展起来的一项新技术.本文详细介绍了如何将VGA模拟显示信号转换为差分信号,利用差分信号实现高分辨率VGA
信号传输,并在实际的项目应用中解决了其中的关键技术,详细介绍了高分辨率VGA 模拟差分信号传输应用.
【期刊名称】《软件》
【年(卷),期】2011(032)012
【总页数】4页(P59-62)
【关键词】图象处理;差分;视频信号;远距离传输
【作者】陈建平;张辉
【作者单位】华中光电技术研究所,湖北武汉,430074;武汉船舶职业技术学院,湖北
武汉,430050
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.73
0 引言
利用差分技术传输视频信号，是近年来发展起来的一项新技术。

这里所说的视频，包括复合视频（VIDEO）、分离视频（S-VIDEO）、色差分量视频（Y、V、U）、RGB分量视频（R、G、B、H、V）等多种视频信号。

而用于传输模拟差分视频信
号的电缆，则主要是超五类双绞线（CAT5）。

本文着重讨论高分辨率VGA模拟
差分信号处理技术与应用。

1 模拟视频的差分信号传输原理
按照线路的形式，传输线可分为非平衡式和平衡式两种。

同轴电缆属于非平衡传输线，双绞线属于平衡传输线。

视频设备，包括信号源及显示设备，其接口通常是非平衡式，因此，可直接与同轴电缆匹配连接。

要用双绞线传输视频信号，必需在发送端将非平衡信号转换为平衡信号；以便驱动双绞线，在接收端再将平衡信号转换为非平衡信号，与显示设备连接。

一个基本的差分VGA视频传输系统如图1所示。

图中的A1是差分信号发送放大器，完成非平衡到平衡的转换，A2是差分信号接
收放大器，完成平衡到非平衡的转换。

图1 基本的差分VGA视频传输系统Fig.1 The basic system of difference VGA video transmission
2 平衡和非平衡信号的相互转换
基本原理是利用差分信号发送放大器将非平衡信号转换为平衡信号，利用差分信号接收放大器完成平衡信号到非平衡信号的转换。

因为模拟VGA信号除R、G、B
颜色信号外还有行、场同步信号，因此要解决如何在4对双绞线中传输5种信号
的问题。

解决方案是把行、场同步信号编码为不同的共模信号输出到RGB三色信
号上。

在接收器一端，再按照相同的编码规则解码出行、场信号。

原理图如图2、图3所示。

3 差分信号消除串扰的原理
作为信号传输的媒介，我们要求传输线不仅能有效地传输信号，同时具有很好的抑制干扰的能力。

而作为差分信号传输媒介的双绞线中，干扰主要来自以下两方面:
第一，外部干扰。

第二，同一电缆内部各线对之间的相互串扰。

通过理论和实践证明，只要合理地设置每对双绞线路的扭绞，就能达到消除外部干扰的目的；两个
各自扭绞双线回路，也是只要合理的设计扭距，可以消除电缆内部各线对之间的相互串扰。

图2 差分信号发送端原理框图Fig.2 The block diagram of differential signal transmitter
图3 差分信号接收端原理框图Fig.3 The block diagram of differential signal receiver
4 超五类双绞线的结构与技术指标
4.1 超五类双绞线的结构
一条超五类双绞线电缆由4对线组成。

每对线各自按反时针方向扭绞。

4对线的扭距是各不相同的。

采取这些措施，不仅可消除外部干扰，同时可消除线对间的串扰。

超五类双绞线各线对的扭距见下。

表1 超5类双绞线各线对的扭矩Tab.1 The torque of category 5 twisted pair cable蓝白/蓝棕白/棕橙白/橙绿白/绿扭距(cm) 1.2 1.4 1.6 1.8
4.2 超五类双绞线的主要技术指标
超五类双绞线的主要技术指标有特性阻抗、衰减与回路串扰。

4.2.1 特性阻抗
特性阻抗是指在双绞线输入端施以交流信号电压时，输入电压与电流的比值。

线路的特性阻抗与线路的直流电阻是完全不同的两个概念。

线路的直流电阻与线路的长度成正比。

而线路的特性阻抗完全由线路的结构和材料决定，与线路的长度无关。

传输线的分布参数在高频状态下的等效电路如图4。

由图可见，线路的分布电阻和分布电感串联在回路中，分布电容和分布电阻并联在回路中。

线路可以认为是由无数个这样的基本节连接起来的。

这样的一个混联电路，不论线路多长，输入阻抗是一个定值。

根据分析，在信号达到一定频率时，线路阻抗Z的值是:
式中:L为一个基本节的电感，C为一个基本节的电容。

通常使用的非屏蔽超五类双绞线的阻抗为100欧姆。

图4 传输线分布参数等效电路Fig.4 The equivalent circuit of transmission line’s distributed parameter
4.2.2 衰减
信号通过双绞线会产生衰减。

双绞线的衰减B是频率的函数:
式中频率f的单位是MHZ，B的单位是dB.
4.2.3 回路串扰防卫度
双绞线的回路串扰扰防卫度是表示同一电缆中的一个回路对来自另一个回路的干扰的防卫能力，用Bc表示。

式中，Us为主串回路信号电压，Uc为被串回路干扰电压。

双绞线的串扰与频率有关。

随着频率的增高，回路串扰防卫度降低。

超五类双绞线的特性阻抗、衰减、串扰数据见表2。

5 高分辨率VGA模拟差分信号传输应用
以上分析了利用双绞线传输RGB视频信号的一般原理。

但是，要利用双绞线传输高分辨率VGA模拟差分信号，尚有两个技术问题需要解决:(1)信号衰减问题；(2)图象分色问题。

表2 特性阻抗、衰减、串扰数据Tab.2 The data of Cable’s characteristic impedance, attenuation and crosstalk频率(Hz) 特性阻抗衰减值(db/100)max 串扰防卫度(db)1M 100欧姆27210M 6.3 5720M 8.9 5250M 14.1 50100M 20.0 42150M 24.5 35
5.1 信号衰减与补偿
根据4.2.2节的讨论结果，可画出超五类双绞线的传输频率特性曲线，见图5的曲线1。

由于纵坐标为增益，所以传输特性为负值。

图5 传输频率特性曲线Fig.5 The curve of transmission frequency
由于结构和材料的因素，超五类双绞线的衰减相当于75-3同轴电缆的2倍，传输RGB信号，一般不可超过20米，因此必须采取补偿放大措施。

超五类双绞线的衰减特性呈二次曲线状，随着频率的升高，衰减也增大。

线路的这一衰减特性表现在图象上是:一，图象细节模糊。

二，图象有拖尾现象。

普通放大器在通带内提供的是一平直的特性，是不能起到有效的补偿作用的。

要有效的补偿线路损耗，放大器的增益频率特性在通带内必须与线路传输特性相反。

图5的曲线2是一个频率补偿放大器的特性曲线。

曲线1和曲线2迭加，得到曲线3，即为补偿放大后的频率特性。

fc为-3dB频率点，也即带宽。

5.2 图象分色与解决方法
5.2.1 图象分色产生的原因
根据第2节分析，超五类双绞线为了消除干扰和相互间的串扰，4对线采取不同的扭距，见表2。

于是产生了一个新的问题，即图象分色问题。

这是由于4对线的扭距不同，各自的增长系数也就不同，根据测试，超五类双绞线蓝、棕、橙、绿四对线的实际长度差值依次为百分之一。

如以绿线的长度为基准值L，则4对线的长度见表3。

表3 各对双绞线实际长度关系Tab.3 The relationship between the actual length of the twisted pair绿白/绿橙白/橙棕白/棕蓝白/蓝实际长度 L 1.01L 1.02L 1.03L
如利用超五类双绞线传输复合视频信号，电缆长度差是不会对信号产生影响的，这是因为复合视频信号是用一对线来传输的。

但是，要传输分量视频信号，情况就不同了。

以计算机VGA信号的传输为例，要用一条超五类双绞线电缆传输VGA信
号，RGB信号需分别占用一对线，行同步和场同步转换为复合同步信号S，占用一对线。

由于双绞线有长度差，R、G、B三路信号到达终端就会有时间差，在图象上出现了RGB三色的错位，也即分色。

这种分色在线路较短时影响不大，但当线路达到一定长度时，将会严重影响观看效果。

5.2.2 图象分色的矫正
矫正RGB分色的根本方法是使用一种等长双绞线电缆。

这种电缆通过一定的制造工艺，使一条电缆中的4对双绞线长度相等。

但是等长双绞线电缆的价格很高，难以推广。

我们在基于现有的超五类双绞线电缆通过优化组合的方法，减小或消除分色，实现VGA信号的传输。

在传输RGB信号时，可将4对双绞线优化组合，使分色降到最小。

根据表3，超五类双绞线电缆的4对线中，最长的是蓝线，最短的是绿线。

只要避免同时使用最长的和最短的两条线传RGB信号，就可达到减小分色的目的。

表4列出的两种组合方案。

表4 传输方案Tab.4 Transmission solution蓝白/蓝棕白/棕橙白/橙绿白/绿实际长度 L 1.01L 1.02L 1.03L方案1 R G B 同步方案2 同步 R G B
通过优化组合的方法，传输效果究竟如何，现以分辨率1024×768@60HZ信号为例，作一分析。

据计算，信号点频为70MHZ，点周期为14.3 ns。

一般的说，RGB三色错位时间t不超过0.5倍点周期是可用的，即:t≤ 7.15ns。

根据表4，RGB的最大长度差为0.02L。

电磁波在线路上传播速度可近似等于光速（30万公里／秒），则传输1米所需的时间是3.3ns，则RGB信号的最大时间差是:
将t≤7.15ns代入式1，得到:
L≤108米
以上计算结果说明，按照RGB错位时间t不超过0.5倍点周期的要求，使用超五类双绞线电缆传输计算机1024×768@60HZ的信号，最大传输距离为108米。

表5列出了使用超五类双绞线电缆，几种分辨率信号的最大传输距离。

表5 几种分辨率下最大传输距离Tab.5 The maximum transmission distance of several resolutions分辨率点频点周期最大传输距离（5类线）
1600************************米1280********************** 64米1024**********************米800********************* 175米
5.3 具体应用
该系统是一个多路VGA（分辨率1600*1200视频在一台液晶大屏上切换显示的系统。

操作台上的显示器内部集成了差分VGA信号发送模块，在显示本机内容的同时，环出一路差分VGA信号至信号切换器。

差分VGA切换器根据控制按键决定切换到那一路输入到大屏显示。

大屏内部集成有差分VGA信号接收模块，将差分VGA信号转换成非平衡的RGB分量（RGBHV）视频信号供大屏显示。

系统结构框图如图6所示。

图6 应用系统框图Fig.6 Application Diagram
6 结语
与同轴电缆比较，双绞线传输具有以下优点。

第一，双绞线布线与施工简便，线路造价低。

第二，可抑制系统中的电源和地线干扰。

这是由于双绞线收发器采用差分方式传输信号，对共模干扰具有很强的抑制能力。

双绞线传输的以上两条优点，使其在某些场合具有独到的优势。

尤其是在系统地线复杂，存在严重干扰的情况下，使用双绞线传输，可有效地消除干扰。

双绞线也有传输衰减较大的不足一面，但是，通过电路补偿放大，也是可以解决的。

在强调双
绞线传输的优点时，不可否定同轴电缆传输，应当说，在线路衰减和抗空间电磁波干扰方面，同轴电缆要占优势。

参考文献
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