Signalkonditionierung

Analoge Videosignale über lange Leitungen unverzerrt in hoher Qualität übertragen

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Der Entzerrer repariert das Videosignal

Ein Entzerrer ist ein Schaltkreis, der ein Signal wiederherstellt, das sich über die Leitungslänge hinweg verschlechtert hat. In unserem Beispiel würde das Signal eine Verstärkung um 70 dB bei hohen Frequenzen erfordern, um ein gutes Bild zu liefern (das gesamte Videosignal nimmt eine Bandbreite von 5 MHz ein). Dies ist immer noch der Faktor 3000 – diesmal allerdings als Verstärkung und nicht als Spannung. Anstatt also am Beginn einer Leitung eine sehr hohe Spannung anzulegen, lassen wir einen Rückgang der Signalstärke um 70 dB zu, um dann am anderen Ende der Leitung das Signal wieder zu verstärken. Somit wird die Leitung nicht belastet und die Drähte können nicht schmelzen. Ein einstufiger Entzerrer erzielt eine Verstärkung von ca. 14 dB. Werden fünf davon in Reihe geschaltet, würden wir unsere geforderten 70 dB erhalten. Ist das alles? Was könnte wohl schief gehen?

Es bedarf nur eines Wortes: Rauschen. Alle elektronischen Verstärker weisen Störungen in Form von Rauschen auf. Sind die Störeinflüsse zu hoch, überlagern sie das Videosignal. Dabei erfährt das Rauschen am Eingang des Schaltkreises die gleiche Verstärkung wie das Signal (wie bei älteren Zimmer-Fernsehantennen). Um ein brauchbares Videosignal am Ende der Leitung zu erhalten, muss das Entzerrer-Rauschen mindestens 30 dB (ca. 32-mal) kleiner sein als das Videosignal am Entzerrer-Eingang (genau genommen müssten es 40 dB oder mehr sein, was einem 100-mal kleineren Wert entspricht). Wie gesagt: Das Signal am Ausgang ist aufgrund der Leitungsdämpfung bereits 70 dB unter dem ursprünglichen Pegel. Dies entspricht einem Dynamikbereich von 100 dB (oder 100.000:1). Schmelzende Drähte lassen sich also nur vermeiden, wenn Entzerrer mit äußert geringem Rauschen eingesetzt werden. Zum Glück ermöglichen moderne Halbleiterprozesse heute dieses Leistungsmerkmal.

Entzerrer-Schaltkreise in der Praxis

Um mehr Einzelheiten des Schaltkreises kennen zu lernen, dient das Blockschaltbild einer einfachen, diskreten Entzerrer-Stufe (Bild 1). Der Schaltkreis entzerrt ein 300 m langes Cat-5-Kabel. Er bietet eine hohe Verstärkung, auf der zahlreiche diskrete Video-Entzerrer aufbauen. Als Verstärker dient ein rauscharmer Operationsverstärker (OPV) mit ausreichender Verstärkungsbandbreite. Er erzeugt die erforderlichen 14 dB Verstärkung.

Was passiert, wenn das Kabel kürzer als 300 m ist? Bei kürzeren Übertragungsstrecken muss die Verstärkung verringert und an die Leitungslänge angepasst werden. Bild 2 zeigt eine einfache Lösung: der Rückkopplungs-Widerstand wird zu einem Potenziometer.

Will man die Entzerrung mit einem Mikrocontroller oder mit digitaler Logik regeln, müsste ein digitaler Eingang für den regelbaren Widerstand vorliegen. Mit einem digital gesteuerten Potenziometer (DCP) lässt sich dies bewerkstelligen (Bild 3).

Aufbau des Gesamtsystems für die Applikation

Nachdem der zentrale Schaltkreis eines Entzerrers beschrieben wurde, soll nun das gesamte System in der Praxis zur Anwendung kommen.

Die Möglichkeit, diesen Schaltkreis auf einem einzigen Chip zu realisieren, bietet Vorteile in Sachen Kosten, Funktionsvielfalt und Programmierbarkeit. Bild 4 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer kompletten, automatischen Entzerrer-Stufe. Diese besteht aus acht Blöcken, deren Funktion im Folgenden beschrieben wird.

Der Regelkreis und die Anwenderschnittstelle werden mit einer überschaubaren Anzahl digitaler Logikgatter implementiert (Block 1). Die Logik bestimmt, wie sehr das Signal entzerrt werden muss und wie die Entzerrung anzupassen ist. Da die Bausteine stets kleinere Abweichungen aufweisen, sorgen Trim-Codes für den Entzerrer und die Filter dafür, dass sich jeder Chip gleich verhält.

Block 2 ist eine einfache Ergänzung, mit der sich die Installation vereinfacht. Da das Videokabel in diesem Fall ein verdrilltes Leitungspaar ist, lassen sich die Drähte tauschen und das Signal somit invertieren. Dieser Schaltkreis erkennt, ob die Drähte vertauscht wurden und invertiert zur Kompensierung das Signal.

Da das Videokabel ein verdrilltes Leitungspaar ist (zwei Drähte), muss die Eingangsstufe differenziell sein. Block 3 zeigt den differenziellen Eingangsverstärker, der das Signal von der Leitung erhält. An diesem Punkt enthält das Signal differenzielles Video (das gewünschte Signal) und Gleichtaktrauschen (Störsignale von Netzleitungen und anderen Geräten). Der differenzielle Eingangsverstärker entfernt das Gleichtaktrauschen und lässt nur das Videosignal übrig.

Das Videosignal sollte ein 1-Vss-Signal (Spitze-Spitze) sein. Kameras und andere Quellen können davon abweichen. Der Verstärker zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC) in Block 4 bereinigt die Abweichungen des Video-Gesamtpegels.

Die Hauptfunktion des Entzerrers verstärkt die hohen Frequenzen, die bei der Übertragung entlang der langen Leitung verloren gegangen sind. Diese Stufen müssen äusserst rauscharm sein (möglichst wenig Eigenrauschen generieren) und sie müssen jegliches Netzteilrauschen unterdrücken (Störungen von aussen blockieren). Block 5 besteht aus fünf der vorher beschriebenen Entzerrer-Stufen.

Block 6 ist ein Rauschfilter. Wurde der Entzerrer so eingestellt, dass er 5 MHz verstärken soll, kann er bis zu 10 MHz verstärken, bevor er seine Grenzfrequenz erreicht. Diese zusätzliche Verstärkung verbessert nicht das Signal, sondern verstärkt nur das Rauschen! Deshalb muss ein Tiefpassfilter mit genauer Abschneidefrequenz eingesetzt werden, um die Auswirkungen von Störungen über 5 MHz zu verringern.

Nach dem Rauschfilter durchläuft das Signal eine weitere Verstärkerstufe (Block 7), bevor es den Ausgang erreicht. Dieser Ausgangsverstärkter stellt genügend Verstärkung und Treiberstrom bereit, um einen Anschluss an andere Videosysteme zu ermöglichen.

Deutlich sichtbare Ergebnisse ohne Nutzereingriff

Block 8 ist ein A/D-Wandler, der den Ausgang abtastet und in den digitalen Regelkreis zurückkoppelt. Sollte also ein Fehler vorliegen, kann die Steuerungslogik die anderen Blöcke im Entzerrer anpassen, um das Problem zu lösen. Fällt das Ausgangssignal also plötzlich sehr schwach aus, lässt sich dies über eine höhere Ansteuerung des Verstärkungsreglers (AGC) kompensieren.

Bild 5 zeigt ein hochqualitatives Ausgangsbild nachdem es 1,6 km (1 Meile) über ein Cat-5-Kabel übertragen wurde – einmal mit und einmal ohne Entzerrung.

Ein nicht entzerrtes Videosignal kann über ca. 300 m übertragen werden. Je länger die Leitung, desto mehr Farbinformation geht verloren. Bei noch längeren Kabeln beginnen die Bilder zu verwischen und der Text wird unleserlich.

Mit dem oben beschriebenen Einchip-Entzerrer ISL59605 werden alle Bilddetails wieder hergestellt – und das sogar nachdem das Signal eine Leitungslänge von über 1,5 km zurückgelegt hat.

//ku

* *Dave Ritter ist Senior Designer und Tamara Schmitz Senior Principal Applications Engineer bei Intersil in Milpitas, Kalifornien/USA.

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