Analogowe wideo lepiej przesyłać różnicowo

Symetryczne sygnały wideo mogą być stosunkowo tanio przesyłane przewodami CAT5 (cztery skręcone pary w ekranie) na znaczne odległości. Kable CAT5 są opłacalne w pospolitych zastosowaniach, jak systemy zabezpieczające, telewizja przemysłowa (CCTV) i systemy motoryzacyjne. Jeżeli konfiguracja systemu przewiduje liczne źródła obrazu, jak kamery, szczególnie w systemach zabezpieczania i CCTV, lepszym rozwiązaniem jest wideo poprzez protokół internetowy (IP), ponieważ w całkowitych kosztach systemu zamortyzują się koszty sprzętu sieciowego, sprzętu i oprogramowania do kompresji wideo oraz oprogramowania potrzebnego do kontroli i serwisu wszystkich systemów. Jednak w systemach o mniejszej liczbie źródeł, w których koszt jest istotny, analogowe połączenia wideo zapewnią lepszy stosunek jakości do ceny, ponieważ nie wymagają kompresji i oprogramowania sterującego.

Zapotrzebowanie na stosowanie sygnałów różnicowych nie było jak dotąd duże. Jedną z przyczyn tego bezwładu może być brak wiedzy o działaniu i specyfikacjach układów różnicowych. Warto zatem omówić pojęcie równowagi w układach różnicowych i porównać je z bardziej znanymi układami niesymetrycznymi. Pojęcie równowagi jest różnie rozumiane, zależnie od części układu różnicowego, do której się odnosi. Przeszkodą w realizacji różnicowych połączeń analogowych wideo był brak tanich układów scalonych nadajnika i odbiornika do przetwarzania, nadawania i odbierania wideo przez kabel różnicowy, z jednoczesnym interfejsem dla istniejących 75-omowych obwodów wideo. Wymagałyby one licznych obwodów, w tym (co najmniej) aktywnego układu równoważącego (balun) z kompensacją strat w kablu, a także poziomowania lub polaryzowania w celu stabilizowania poziomu czerni. Takie układy scalone wymagałyby także ochrony wejścia i wyjścia, musiałyby działać pod pojedynczym napięciem, zapewniać diagnostykę błędów i być tanie. Układy tego rodzaju są obecnie dostępne, np. w firmie Maxim, można więc przyjrzeć się ich typowym zastosowaniom. W celu zilustrowania tego, co można osiągnąć, zostanie pokazane kilka przykładów przesyłania sygnału różnicowego kablem CAT5 na odległość kilkuset metrów, wraz z usprawnieniami, koniecznymi do rozwiązania specyficznych problemów aplikacji. Nie ma formalnego standardu systemu różnicowego wideo, można jednak ustalić jego parametry ze standardowym interfejsem 75Ω po każdej stronie. Testować go także można za pomocą istniejącej aparatury, zgodnie z aktualnymi normami.

Podstawy przesyłania sygnałów różnicowych

Rys. 1. Układ różnicowy (b) jest w gruncie rzeczy podwojonym układem pojedynczym (a)

Działanie układów różnicowych najłatwiej można zrozumieć, porównując je z lepiej znanymi układami pojedynczymi (rys. 1). Układ różnicowy wydaje się bardziej skomplikowany niż układ niesymetryczny, ale składa się po prostu z dwóch układów pojedynczych, tak skonfigurowanych, że przesyłają sygnały jednakowe, ale przeciwnie skierowane w stosunku do wspólnego punktu odbiorczego. Punktem tym na rys. 1 jest uziemienie, ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby został on użyty do przesyłania stałego napięcia polaryzującego. W każdym wypadku punkt ten tworzy wirtualne uziemienie, łączące dwa obwody pojedyncze w jeden różnicowy. Dlaczego warto stosować taki niewątpliwie bardziej złożony układ? Odpowiedź wynika ze sposobu użycia kilku przewodów, łączących poszczególne elementy układu różnicowego z punktem wspólnym, widocznych na rys. 1. W pierwszym przybliżeniu zakłada się, że przewody te nie mają własności elektrycznych, ale jest to dalekie od prawdy. Wykazują się one co najmniej rezystancją, jednak przy wyższych częstotliwościach ich rozłożone indukcyjności i pojemności zyskują na znaczeniu. Te składowe reaktancje pasożytnicze odróżniają układ rzeczywisty od modelu symulacyjnego SPICE. Działanie układów różnicowych opiera się na kompensacji, a układów niesymetrycznych na ich strukturze. Struktura odzwierciedla mechaniczną budowę podzespołu, co jest oczywiste w przypadku kabla współśrodkowego. Kompensacja jest związana ze zrównoważeniem dwóch wielkości. Widoczne na rys. 1 prądy I_A i I_B są równe i przeciwnie skierowane, są więc w równowadze. Znoszą się wzajemnie, gdy płyną w tym samym przewodzie, co ma miejsce w przewodzie uziemiającym. Konsekwencje tego są bardzo ważkie.

Układy różnicowe są stosunkowo odporne na wpływy pasożytniczych składowych obwodu, ponieważ prądy przez nie płynące się znoszą. Oprócz tego ich symetria zmniejsza potrzebę ekranowania systemu różnicowego z powodu znacznego utrudnienia indukowania się w nim zaburzeń oraz małej z niego emisji. Dzięki temu linie CAT5/6 składają się z tanich, często nieekranowanych, skrętek. Natomiast w układzie pojedynczym prąd sygnału przepływa przez przewody połączone z uziemieniem. Oprócz tego układ ten jest bardzo podatny na wpływ składowych pasożytniczych obwodu. Dlatego w tych układach źródło i obciążenie łączy się z uziemieniem grubą drucianą plecionką, zapewniającą znacznie mniejszą rezystancję uziemienia od rezystancji przewodu sygnałowego. Uziemienie to z biegiem czasu wyewoluowało w ekran otaczający przewód sygnałowy. W porównaniu z nieekranowaną skrętką, kabel taki wymaga większej dokładności i więcej materiału. Jest on więc droższy. Symetryczne układy różnicowe i układy niesymetryczne zawierają podobne obwody, ale ich działanie opiera się na innych zasadach. Układy różnicowe oparte są na zrównoważeniu, ale co wyznacza tę równowagę?

Połączenie dobrze zrównoważone

Rys. 2. Układ różnicowy może być skonfi gurowany bez zakończenia wspólnego (a), z zakończeniem wspólnym (b) lub z wspólnym równoważeniem (c)

Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba rozpatrzyć poszczególne części układu różnicowego: nadajnik, impedancje źródła i obciążenia, kabel i odbiornik. Od każdej z nich zależy zrównoważenie układu różnicowego, ale nie od razu wiadomo jak, dlaczego i w jakim stopniu. Na przykład zrównoważenie odbiornika wyznacza współczynnik tłumienia jego sygnału wspólnego (CMMR). Dopasowanie rezystancji źródła do rezystancji obciążenia (zależące od ich tolerancji) wyznacza ich wzajemne zrównoważenie. Także kabel ma wiele parametrów równoważących, ale najważniejszym jest jego zrównoważenie wzdłużne. Dla nadajników określa się zrównoważenie wspólne (CMB), parametr zwykle dobrze udokumentowany. CMB jest specyfikowany dla niskonapięciowych sygnałów różnicowych, ale rzadko dla elementów analogowych. Ale najpierw trzeba przypomnieć definicję CMB jako stosunku amplitudy różnicowej do amplitudy wspólnej, wyrażonego w decybelach. Na rys. 1b CMB jest wyrażany przez napięcia dwóch źródeł (oba Eg/2). Do pełnego opisu układu jest potrzebne podanie CMB, ale kabel zmienia jego błąd. Ciasne skręcenie przewodów kabla sprzęga je, tworząc transformator 1:1. W wyniku działania transformatora prądy I_A i I_B są równe i przeciwnie skierowane, a napięcie na każdym z rezystorów obciążenia Rl/2 zależy od użytej długości kabla. Niestety prądy te płyną do uziemienia. W rezultacie błędy CMB pogarszają równowagę układu, jednak nie w tak dużym stopniu, jak mogłoby się wydawać. Błąd ten rzadko sprawia kłopoty, jest bowiem zwykle mniejszy niż tolerancja rezystorów szeregowych. CMB nie jest podawany dla większości elementów, trzeba więc go samemu zmierzyć.

Rys. 3. Kilka podstawowych układów połączeń kabli CAT5

Dlaczego na rys. 1b są dwa rezystory zamiast jednego? Na rys. 2a jest widoczny jeden rezystor obciążający Rl, bez połączenia z uziemieniem. Taka konfiguracja, przez dopasowanie do impedancji kabla, eliminuje odbicia. Równocześnie jednak sprzeciwia się opisanemu powyżej działaniu transformatora, zwiększając błąd CMB! Dla uniknięcia tego efektu i niedopuszczenia do zwarcia napięcia polaryzującego, doprowadzanego ze źródła, przepoławia się rezystancję obciążenia, a jej środek łączy kondensatorem blokującym do uziemienia (rys. 2b). Wprowadzenie rezystora zmiennego (rys. 2c) umożliwia kompensowanie szczątkowej nierównowagi, a także zmniejszenie prądu, płynącego w przewodach uziemiających.

Praktyczne szczegóły rozprowadzania sygnału wideo kablami CAT5

Rys. 4. Podstawowy układ czterokanałowy do zróżnicowanego przesyłania składowych sygnału RGB i YPrPb

Tworzenie systemu rozprowadzania analogowego sygnału wideo za pomocą kabli CAT5 jest związane z licznymi istotnymi kwestiami. Złożony ze skrętek kabel CAT5 ma wiele zalet w porównaniu do konwencjonalnego kabla współosiowego. Główną zaletą jest jego niski koszt. Kable CAT5 są znacznie tańsze od współosiowych z uwagi na ich rozpowszechnienie w sieciach komputerowych. W wielu przypadkach zainstalowane już kable CAT5 przestają być używane z powodu przechodzenia na CAT6, szybsze w transmisji danych cyfrowych. Starsze CAT5 mogą wtedy zostać użyte do rozprowadzania analogowego sygnału komponentowego wideo (trzy kanały + synchro) albo nadawczego kompozytowego sygnału wideo z dodatkowymi sygnałami sterującymi.

Użycie okablowania CAT5 jest łatwe, gdy zasada jego działania jest znana. Kabel CAT5 zawiera cztery skrętki. Jeżeli więc istnieje potrzeba równoczesnego przesyłania więcej niż jednego sygnału, trzeba zwrócić uwagę na przesłuch pomiędzy kanałami. CMMR (współczynnik tłumienia sygnału wspólnego) różnicowych sterowników i odbiorników musi w paśmie wideo (0–5MHz) wynosić co najmniej 30dB. Większość współczesnych różnicowych nadajników-odbiorników spełnia takie wymagania, niektóre z nich są zresztą specjalnie do CAT5 zaprojektowane. Inna rzecz, że zależna od długości stratność kabli CAT5 jest znacznie większa niż kabli współosiowych. Oznacza to, że projektant musi uwzględnić straty, gdy długość kabla przekracza mniej więcej 3m. Do pewnego stopnia zależy to od wymaganej przez system jakości sygnału wideo. Straty częstotliwościowe nie są we wszystkich skrętkach kabla CAT5 jednakowe, ze względu na zróżnicowanie opóźnień w różnych kanałach.

W przypadku długich kabli CAT5 projektant musi przewidzieć kompensację opóźnień po stronie odbioru. Kable współosiowe nie stwarzają takich trudności, ponieważ opóźnienie w jednakowych odcinkach kabla jest jednakowe.

Podstawowe układy

Rys. 5. Dwa sposoby użycia przewodu CAT5 w systemach nadzoru lub zabezpieczania do przesyłania sygnałów wideo i sygnałów sterowania kamerami jednym kablem

Istnieje kilka podstawowych układów połączeń kabli CAT5 (rys. 3). Wybór konfiguracji, optymalnej dla danej aplikacji, zależy od warunków, a także od wybranych układów scalonych nadajnika-odbiornika. Każdy ich producent zazwyczaj dostarcza informacji i przykładów najlepszej i najskuteczniejszej konfiguracji dla danego układu scalonego. Omawiane tu szczegóły konfiguracyjne zapewnią dodatkowe wskazówki co do wyboru opcji, pozwalającej osiągnąć najlepszy wynik. Jeżeli ma się niskonapięciowy system o pojedynczym zasilaniu (preferowany), należy dodać na wejściu obwody poziomujące, utrzymujące przy zmianach sygnału wideo poprawny poziom stałonapięciowy. W systemie o podwójnym zasilaniu (±5V lub podobnym), gdy zakres zmian napięcia jest wystarczający, obwody poziomujące nie są niezbędne. Wybór sposobu sprzężenia, stałonapięciowego lub zmiennonapięciowego, zależy od aplikacji. Gdy na przykład nie jest spodziewana większa różnica potencjału pomiędzy źródłem a odbiornikiem, a nadajniki i odbiorniki pochodzą od tego samego producenta, lepszy będzie system ze sprzężeniem stałonapięciowym.

Zniekształcenia niskiej częstotliwości są wtedy mniejsze, duże kondensatory odsprzęgające nie są potrzebne, nie ma odchylenia od pionu, a po stronie odbiornika nie jest potrzebne ani odtwarzanie napięcia stałego, ani obwód poziomujący. Ale może wystąpić system z dużą różnicą napięcia pomiędzy źródłem a odbiornikiem (5V, 10V lub więcej). Może także powstać konieczność użycia nadajnika i odbiornika różnych producentów. Może też powstać konieczność zaprojektowania tylko nadawczej części systemu, bez znajomości części odbiorczej. We wszystkich tych przypadkach lepszym rozwiązaniem będzie system ze sprzężeniem zmiennonapięciowym. Zapewni on większą elastyczność.

Problemy wideo wielokanałowego

Rys. 6. Po dodaniu obwodów uzupełniających możliwe jest zwiększenie długości kabla. Sygnał wideo wymaga wtedy kompensacji wyższych częstotliwości, a sygnał sterujący nie

Kabel CAT5 zawiera kilka skrętek, jest więc bardzo wygodny w razie konieczności użycia kilku kanałów wideo. Na przykład gdy trzeba przesyłać cztery składowe wideo (R, G, B i kompozytowy synchro) lub sygnał komponentowy YPbPr, projektant musi zapewnić poziomowanie napięcia stałego (rys. 4). Poziomowanie jest krytyczne, ponieważ poziomy dla składowych Y, G, B lub R różnią się od poziomów składowych Pb czy Pr. Jednak jeżeli jest taka potrzeba, informacja synchro może być uzyskana z kanału Y/G. Kanały R i B mogą również zawierać synchro, nie jest to jednak obowiązujące, i projektant nie może zakładać, że synchro jest w tych kanałach dostępny. Informacji tej natomiast nie ma w kanałach Pr i Pb. Należy pamiętać, że jeśli tym samym kablem CAT5 wraz z wideo trzeba przekazywać również synchro, kompozytowe synchro musi zostać odfiltrowywane najpierw.

Niezależnie od jakości układów nadajnika i odbiornika strome impulsy synchronizujące będą na skutek przesłuchu widoczne w sygnale wideo jako zaburzenia. Zachęca to do ograniczania pasma dla synchronizacji do maksimum 1MHz w zależności od jakości zastosowanej pary nadajnik-odbiornik. Pozostają jeszcze różnice opóźnień w poszczególnych kanałach. Opóźnienia w czterech skrętkach kabla CAT5 są różne, w zależności od długości kabla, jego pozycji i temperatury. Oko ludzkie jest bardzo czułe na przesunięcia fazowe pomiędzy kanałami (różnice kolorów), w obwodach nadajnika i odbiornika różnice fazowe muszą więc być kompensowane.

Różnice te nie mogą przekraczać 3ns. Do kompensacji często używa się regulowanych analogowych lub ładunkowych (CCD) linii opóźniających o zakresie od 0 do 50ns. Korekcja opóźnienia może być ręczna lub automatyczna. Korekcja automatyczna jest oczywiście wygodniejsza, ale droższa.

Wielokanałowe przesyłanie wideo i danych

Rys. 7. Wyspecjalizowane układy scalone nadajnika i odbiornika sygnału wideo w CAT5 upraszczają system jego przesyłania

Okablowanie CAT5 jest stosowane także w systemach nadzorujących i zabezpieczających, w których dane (polecenia sterowania kamerami) i wideo muszą być przesyłane tym samym kablem (rys. 5). W takim zespolonym systemie analogowy sygnał wideo z kamery jest przesyłany do komputera macierzystego, a ten przesyła do kamery dane sterowania (kierunku, pochylenia, zoomu itp.). W przytoczonym prostym przykładzie kabel nie jest długi (3 do 6m) i nie wymaga kompensacji opóźnień. Schemat na rys. 5a przedstawia przesył wideo i danych za pośrednictwem jednej skrętki, a na rys. 5b wideo i danych oddzielnymi skrętkami w jednym kablu.

W obu wariantach CMMR pary nadajnik-odbiornik powinien być wyższy od 30dB, a sygnały w kanale sterowania powinny być nadawane, o ile to możliwe, w trakcie przelotu powrotnego odchylania pionowego. Eliminuje to zaburzenia sygnału w kanale wizyjnym. W przypadku większego oddalenia kamery (10 do ponad 300m) rozwiązanie musi być inne, z powodu konieczności kompensacji opóźnień w kablu CAT5. Kompensacja nie może być jednak stosowana w kanale sterowania, ponieważ w niedopuszczalnym stopniu preferuje ona wysokie częstotliwości. Jednym z możliwych rozwiązań jest użycie modulacji fazy w kanale danych sterowania. W przykładzie na rys. 6 użyto kanałów jednokierunkowych. Istnieje jednak możliwość stosowania bardziej złożonych połączeń, działających dwukierunkowo.

Kompensacja kabli

Rys. 8. Główną bolączką przesyłania sygnałów wideo sąsiednimi skrętkami kabla CAT5 są przesłuchy pomiędzy nimi. Podstawą porównywania różnych rodzajów przewodów są pomiary odporności na oddziaływanie w.cz.

Przy projektowaniu połączeń kablami CAT5 trzeba brać pod uwagę długość połączenia. Dla większych dystansów trzeba wybrać takie układy scalone nadajnika i odbiornika, które pozwalają korygować opóźnienie i wzmocnienie. Czasem korekcja opóźnienia musi być regulowana, jednak nie wszystkie układy nadajników i odbiorników to umożliwiają. Tłumienie składowych wysokiej częstotliwości sygnału może być kompensowane na przykład w systemie z nadajnikiem MAX9546 i odbiornikiem MAX9547 firmy Maxim. W przypadku par nadajnik-odbiornik innych producentów obwody kompensujące mogą być nieco inne, ale zasada ich działania jest taka sama. W scalonym nadajniku znajdują się obwody poziomowania i detekcji błędów, a także zwarcia lub rozwarcia wyjścia. Eliminuje to konieczność stosowania osobnych elementów wspomagających i upraszcza układ. W systemie MAX9546/7 nadajnik jest sprzężony z odbiornikiem stałonapięciowo, a odbiornik zapewnia kompensację częstotliwości i wzmocnienia. Kompensacji dokonuje się, zastępując zewnętrzny rezystor Z_t, wyznaczający wzmocnienie, złożonym obwodem RC. Obwód kompensujący składa się zwykle z jednego elementu stałonapięciowego R, od którego zależy wzmocnienie, i z trzech elementów zmiennoprądowych, R₁C₁, R₂C₂ i R₃C₃. Równoległe połączenie tych elementów tworzy złożoną impedancją Z_t w równaniu wzmocnienia:

V_WYJ/V_WEJ = K×R₁/Z_t

gdzie K jest wzmocnieniem prądowym (ustalonym wewnętrznie jako 1), a R₁ jest zewnętrznym rezystorem wyjściowym (rys. 7). Obwody te mogą zapewnić kompensację wyższych częstotliwości dla kabla do 300m długości, a w niektórych aplikacjach do 450m. Przy większej długości Z_t przestaje być skuteczna i stosunek sygnału do szumu zmniejsza się poniżej 45dB, a spadek wzmocnienia przekracza 3%.

Zakończenie

Krzysztof Pochwalski