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双绞线的传输与应用

日期: 2014-11-13
浏览次数: 142

  利用双绞线传输视频信号,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(RGBHV)等多种视频信号。而用于传输视频信号的双绞线,则主要是超五类双绞线(CAT5)。本文着重讨论视频信号的超五类双绞线传输与应用。

  1、视频信号的双绞线传输原理

  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。一个基本的双绞线视频传输系统如图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

 

 

                                                           图2

  2、超五类双绞线(CAT5)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。在双绞线中,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。下面,我们对双绞线消除干扰的原理作一分析。

  2.1双绞线对外部干扰的抑制

  2.1.1 干扰信号对未扭绞的双线回路的干扰,见图2。Ue为干扰信号源,干扰电流Ie在双线回路的两条导线L1、L2上产生的干扰电流分别是I1和I2。由于L1距离干扰源较近,因此,I1>I2,I3=I1―I2≠0,有干扰电流存在。

  2.1.2 干扰信号对扭绞的双线回路的干扰,见图3。与图2不同的是,双线回路在中点位置进行了一次扭绞。在中点的两边,各自存在干扰电流I1和I2,I1=I11―I21,I2=I22―I12。由于两段线路的条件完全相同,所以I1=I2。总干扰电流I3=I1―I2=0。通过分析,可以得出结论:只要合理地设置线路的扭绞,就能达到消除了干扰的目的。

图3

  2.2同一电缆内部各线对之间的串扰

  2.2.1两个未作扭绞的双线回路间的串扰,见图4。其中回路1为主串回路,回路2为被串回路。回路1的导线L1上的电流I1在被串回路L3和L4中产生感应电流I13和I14。由于L1与L3的距离较近,所以I13>I14,二者方向相对,抵消后尚余差值I4。同样,回路1的导线L2上的电流I2在被串回路L3和L4中产生感应电流I23和I24,I23>I24。二者相互抵消后,余下差值I3。由于导线L2与回路2的距离比导线L1近,其差值电流I3一定大于I4, I3与I4的差为I5,在回路2内形成干扰。

图4

  2.2.2 两个扭绞相同的回路如图5所示。回路1和回路2同时在线路中点位置作扭绞,因此,两个回路的4根导线之间的相对关系与未作扭绞是完全相同的,根据以上分析可知,是不能起到消除回路间串扰的作用的。Us1和Us2分别在对方回路中产生干扰电流I12和I21,见图5。由此可得出结论:两个绞合的双线回路扭距相同时,不能消除串扰。

图5

  2.2.3 两个扭距不同的双线回路见图6。回路1在线路的中点作扭绞。回路2除在线路的中点作扭绞外,还在A段和B段的二分之一处分别作扭绞。

  下面以回路1为主串回路,回路2为被串回路。我们将整个线路分为A、B两段,先分析A段的串扰。在A段内,回路1未作扭绞,而回路2在二分之一处作扭绞。我们进一步来看回路1的导线L1对回路2的干扰的情况,不难发现,与2.1.2节讨论的情况完全相同。根据2.1.2的分析可知,由于回路2在A段的中点扭绞,干扰电流为零。同样道理,导线L2对回路2的干扰电流也为零。因此,在A段,回路1对回路的串扰电流为零。
  B段的情况与A段完全相同,在B段串扰电流也为零。因此,回路1对回路2的总串扰为零。由此可以得出结论:两个各自扭绞双线回路,只要合理的设计扭距,可以消除相互串扰。

图6

3、超五类双绞线的结构与技术指标

  3.1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

  3.2 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。

  3.2.1 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7。由图可见,线路的分布电阻和分布电感串联在回路中,分布电容和分布电漏并联在回路中。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7

  3.2.2 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。

  3.2.3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。

表2

  4、超五类双绞线的视频信号传输

  以上分析了利用双绞线传输视频信号的一般原理。但是,要利用双绞线传输视频信号,尚有两个技术问题需要解决:一,信号衰减问题。二,图象分色问题。

  4.1信号衰减与补偿

  根据3.2.2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8的曲线1。由于纵坐标为增益,所以传输特性为负值。

图8

  由于结构和材料的因素,超五类双绞线的衰减相当于73-3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。普通放大器的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8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。

  4.2图象分色与解决方法

  4.2.1 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2。

表2

  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。现以计算机VGA信号的传输为例分析如下。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。

  4.2.2 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。本文要讨论的是,如何基于现有的超五类双绞线电缆,通过一定的方法,减小或消除分色,实现VGA信号的传输。以下介绍两种矫正方法。

  4.2.2.1 优化组合

    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2,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3列出的两种组合方案。

  通过优化组合的方法,传输效果究竟如何,现以分辨率1024x768@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3,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:

  t=3.3×0.02L=0.066L(ns) (式1)
  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1024x768@60HZ的信号,最大传输距离为108米。表4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4

  4.2.2.1 延时矫正

  所谓延时矫正,就是通过延时电路的调整,使RGB信号到达的时间相同,消除分色。这种方法比优化组合更为有效。只要电路设计得好,可以基本消除分色。延时矫正通常在发送器内进行。延时矫正的量值必须可调,以适应不同长度线路。

  5、双绞线传输的应用

  5.1 双绞线传输的特点

  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。但是,有一点是可以肯定的,这就是双绞线传输丰富了我们的传输手段,增加了一种传输系统解决方案。双绞线传输作为一个新的传输方法,需要经过更多的工程检验,有待人们去认识和了解。

  5.2 双绞线传输的应用

  双绞线和同轴电缆传输具有互补性。在工程应用中,要根据实际情况,合理地运用,以达到最佳的传输效果。这里推荐三种应用系统,见图9。

图9

一、双绞线/同轴传输系统。

  系统中配置一台双绞线/同轴矩阵切换器,矩阵的输入为双绞线,输出为VGA或5BNC。所有的信号源均经过发送器转换为双绞线,与矩阵连接。该系统要求矩阵切换器与投影机必须共地,矩阵切换器宜与投影机就近安装。由于信号源与矩阵通过双绞线连接,因此,信号源的地线不会对系统产生干扰。

二、同轴/双绞线传输系统

  系统中配置一台同轴/双绞线矩阵切换器,矩阵的输入为VGA或5BNC,输出为双绞线。该系统要求矩阵切换器与所有的信号源必须共地,矩阵切换器宜与信号源就近安装。由于矩阵与投影机通过双绞线连接,因此,投影机的地线不会对系统产生干扰。

  三、双绞线/双绞线传输系统

  该系统中矩阵切换器输入输出均为双绞线,因此适用于信号源、矩阵切换器和投影机三者地线相互冲突的场合。

                                     

 

 

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