井下救援遠距離視頻傳輸系統關鍵技術研究

本文所涉及的井下救援遠距離視頻傳輸系統關鍵技術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，同時適應考慮防水、抗震、防塵、高溫、腐蝕性氣體等井下惡劣環境，并達到本質安全型防爆設計要求，最后將其產品化。

相關技術簡介

1 雙絞線技術

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則只能限制在100m 以內。對于視頻信號而言，帶寬達到6MHz，如果直接在雙絞線內傳輸，也會衰減很大，所以視頻信號在雙絞線上要實現遠距離傳輸，必須進行放大和補償，雙絞線視頻傳輸設備就是完成這種功能。加上一對雙絞線視頻收發設備后，可以將圖像傳輸到1～2km。雙絞線和雙絞線視頻傳輸設備價格都很便宜，不但沒有增加系統造價，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，監控系統中用雙絞線進行傳輸具有明顯的優勢。

表1 MAX435和MAX436的主要性能指標

2 互導型放大器

互導型放大器(又稱跨導型放大器)的輸入信號是電壓量，輸出信號是電流量，其增益稱為互導Gm。互導型放大器是一種電壓／電流模式混合電路，由于其內部只有電壓——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，從而具有頻帶寬、高頻性能好及大信號轉換速度高等特性。互導型放大器的電路結構簡單，電源電壓和功耗均得到了降低。

圖2　視頻雙絞線驅動/接收電路

驅動電路采用互導型放大器將單端電壓信號轉成差分電流信號，通過電流環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動。MAX435和MAX436是一種新型高速、寬帶的互導型放大器，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。由于這些獨特的結構，該芯片能夠提供精確增益，不用負反饋就能消除閉環相移。

圖1 MAX435與MAX436引腳排列圖

設計與實現方法

1 電路設計  

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 共模噪聲最小；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動器/接收器，只采用一個差分輸出的MAX435即可驅動平衡雙絞線(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動器。為了實現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。互導網絡(從Z+到Z-)不僅完成增益調節(+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，通過調整C1(增添零/極點對以擴展頻帶)來獲得最佳的色彩。由于調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整R1和Cl，從而得到最佳圖像。

2 測試結果

圖3（a）和圖3（b）是從監視器屏幕上看到的調節前、后的視頻脈沖波形。試驗結果表明，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)，故圖像質量仍然很好，無明顯彩色變淡或水平分辨率變差的現象。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）調節均衡前的波形（b）調節均衡后的波形（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動電纜，則效果之差是可以預料的。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成本，而且兩根絞線感應的差分干擾電流可以互相抵消。只要采用適當的絞線，并在接收端的監視器進行阻抗匹配和自動增益補償(目前大多數電視監視器都具有此功能)，其傳送基帶(復合)視頻信號的距離可遠達1500km，而且圖像質量并不差，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境，并達到本質安全型防爆設計要求，則可以將其產品化。

綜上所述，該技術適應井下救援所需要的低成本，快速鋪設，使用簡單，維護方便等諸多要求。而且此技術還可以在超級市場、機場、學校等單位廣泛用于電視監視系統中的單通道視頻信號傳送。