视频VGA信号分配的原理及在远程传输系统中的应用

     VGA分配器将来自一个信号源的视频信号分配成两个或多个信号。高分辨率视频分配放大器的一个常见应用就是，在接收来自一个计算机视频端口的信号后将其放大，并在保持原有信号质量的情况下将其分配到两个或多个高分辨率数据显示设备。分配放大器同时提供信号的峰值和电平调整和均衡等放大和增强功能。分配放大器上的每路输出都经过缓冲处理，所以在信号分配时仍可保持原始信号的清晰度和强度，完全达到桌面效果。分配器可以做成1分2，1分4等。VGA双绞线传输具有长距离驱动能力，可将电脑主机输出的RGBHV形式的信号，通过非屏蔽五类及五类以上双绞线(CAT5／5E／6)平衡传输，高保真地传输30．0 m，传输后的视频效果没有重影、没有拖尾、画面清澈如初，线材好时可达500 m，可广泛应用在液晶、等离子平板多媒体广告工程中。

　　1 系统组成

　　本系统设计包括两部分，一部分是视频信号的本地分配，实现1分2、1分4等；另一部分是视频信号的远程传输系统，远程传输系统又包括本地发送端和远程接收端。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

　　2 VGA信号分配

　　VGA信号分配是指在本地分配，即一路VGA信号带2个、4个显示器。VGA信号分配包括两部分，一是视频信号R，G，B的分配；二是同步信号HSYNC，VSYNC的分配。

　　2．1 同步HSYNC，VSYNC信号的分路

　　水平、垂直同步信号HSYNC，VSYNC经过74HC04高速反相器后，输出波形得到整形，提高带负载的能力后，分别接至输出分路器1、2路的水平、垂直同步信号线上，实现VGA水平、垂直同步信号的1分2功能。同步信号分路如图2所示。

图2 同步信号分路

　　2．2 视频信号R、G、B的分配

　　视频信号R，G，B分路如图3所示。C101和R107构成高通网络，下限截止频率为1／(2πRC)，如果C101选33 nF，R107选150 Ω，则下限截止频率fL=1／(2πRC)=1／(2π×150×33×10-9)=3 215 Hz，改变电阻R107和电容C101的值，就可以改变下限频率。Q100，Q101，Q102为高频三极管，截止频率应大于视频信号的频率。频率信号经电容C101耦合至Q100的基极，Q100饱和导通，导通时Q100的VCES约为0．3 V，流过R102电阻的电流为ic，流过电阻R101的电流为ie。因为ic≈ie，则Q100集电极的电压为。如果，VCC设置为5V，则VC=1．76V。Q101，Q102构成两级射极跟随器，VGA OUT1 RED，VGA OUT2 RED分别接至输出分路器1，2路VGA的红色信号输入端，驱动VGA红色信号，输出电压为VCC-VCES=(5-0．3)V=4．7 V，提高了系统的带负载能力。VGA信号的蓝色信号、绿色信号分路原理与红色信号一致，从而实现了VGA信号的1分2功能。

图3 视频信号R，G，B分路

　　3 VGA信号远程传输系统

　　VGA信号远程传输系统包括两组发送端和接收端。发送端将信号差分放大后，接入RJ-45网口，通过CAT-5双绞线传输至远程端。远程接收端从RJ-45口将信号接收下来，处理后还原成清晰的视频信号接入本地VGA接口。

　　3．1 VGA发送端

　　VGA信号远程传输中，由于传输导线的阻抗会引起信号的衰减，传输的距离越长衰减越大，从而造成信号不能正确读取。因此，VGA信号在远程传输的发送端需要将信号差分放大，以提高信号的传输能力。本系统发送端选用EL4543为差分放大器件。EL4543是Intersil公司生产的带同步编码的三路差分双绞线驱动器。EL4543是高带宽(350 MHz)的三路差动放大器，可对视频同步信号进行完整的编码，它的输入适合处理单端或差分形式的高速视频或其他通信信号。高带宽是标准双绞线或同轴电缆线上的差分信号，有非常低的谐波失真，同时，内部反馈保证输出有稳定的增益和相位，以减少辐射的电磁干扰和谐波。嵌入逻辑将标准的视频水平和垂直同步信号编码到双绞线的共模信号上，带同步信息的VGA输入RGB信号后与EL4543输入端上的75 Ω的终端电阻相连，单端的RGB信号被转换为差模信号，HSYNC和VSYNC在三个差动信号各自的共模信号上进行编码。EL4543的50 Ω终端输出驱动差分R，G，B，同步信号编码在CAT-5双绞线电缆的共模中。不带信号频率均衡的系统，可在200英尺的CAT-5双绞线上很好的传输。对于更长的电缆，在接收端用频率和增益均衡技术(EL9111)和延迟线技术(EL9115)来补偿信号的衰减，从而调整接收端的信号的相位不匹配。发送端EL4543驱动如图4所示。

　　3．2 VGA信号接收端

　　EL9111是三通道差分接收器和均衡器，含有三个高速差分接收器，具有5个可编程的电极。EL9111带宽为150 MHz，均衡长度由一个单独引脚上的电压设定。EL9111有两个逻辑输入引脚(ENBL)和开关增益(X2)。逻辑电路的逻辑基准管脚(VREF)的电势之上都有1．1V的额定门限。在多数应用中，芯片工作在+5 V，0 V，-5 V的供电系统中，逻辑值在0～+5 V之间。EL9111的特点是共模译码，可对水平和垂直方向上的信息进行译码，该信息由EL4543的三个差分输入端译码，因此仅用三对电缆，就可完整地传输RGB视频信号和相关的同步信息，如图5所示。

图5 接收端电路图

　　EL9115是三路模拟延迟线，可对三个信号提供斜率补偿。EL9115对由典型的CAT-5电缆(每对电线有不同的电长度)引入的斜率，可提供非常好的补偿。EL9115总延迟为62 ns，可在每个通道上设置2 ns的步长。EL9115延迟时间由延迟寄存器内8 b数据决定，延迟寄存器的数据格式为：0abVWXYZ。当ab=01时，表示红色寄存器，当ab=10时，表示绿色寄存器当ab=11时，表示蓝色寄存器。延迟寄存器的数据乘以步长即为延迟的总时间。如表1所示。

表1  延迟总时间   （ns）

　　延迟寄存器数据由外部AVR单片机程序设置(图5中未画出)，NSEnable，SCLOCK，SDATA三个引脚和单片机的三个引脚构成串行总线通信，通信时序如图6所示。

图6　EL9115串行总线时序图

　　通信的模拟程序如下：

　　SETB NSENALE;

　　CLR NSENALE;串行通信使能

　　NOP;

　　CLR SCLOCK;模拟时钟，根据单片机频率调整脉宽

　　NOP;

　　CLR C;

　　MOV SDATA,C;写入初始数据“0”

　　SETB SCLOCK;

　　4 结语

　　当频率较高或有较大负载时，内部功耗引发芯片温度升高，EL4543的驱动能力将受到限制。EL4543的模片为125℃，因此设计线路板时应做好芯片的散热工作。同时，传输视频信号时，PCB上要有一个“健康”的接地平面，接地端必须靠近输入端，以使输入电容；而接地平面应尽量远离信号输入端，以防止负载和电源电流流入输入接点。采用此系统设计要做好相关的电磁干扰(EMI)，才能实现设计的功能。