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系统集成工程中常见问题分析（一）

  北京市利国电子技术有限公司  刘力

     
    目前系统集成工程中，尤其是VGA信号远距离传输是工程中较为常见的问题，所谓传输系统是指从计算机出口到显示部分入口之间的所有环节，包括分配器、矩阵、电缆及图形控制器等等，由于信号传输距离较远，传输系统的参数及周围电磁环境对信号质量产生的影响不容忽视，常见到的现象表现为：图像模糊、变暗，拖尾和重影，以及图像显示不稳定（如：跳动或黑屏等）等，以上现象产生的原因不同，解决的方法不同。我们将其分为四大类：一、由于传输系统的幅频特性及群延时特性造成的图像模糊、变暗、拖尾；二、由于设备产生自激或环境电磁干扰产生的高频干扰；三、由于系统电源地线处理不当造成的低频干扰；四、由于设备或传输系统或接插件等阻抗不匹配而引起的重影反射及显示不稳定。本文先对模糊拖尾现象做出原理分析并提供一些解决方案，其他几种情况将在今后加以论述。
 
    造成模糊拖尾和变暗现象的原因从原理上可分为两部分，一是信号在传输过程中的幅频特性既带宽不够而引起的模糊和变暗；二是传输过程中的群延时特性造成的拖尾现象。幅频特性，简言之就是不同频率分量与幅度衰减之间的关系，以1024*768分辨率为例，一般认为其带宽在90~120MHz之间，所以我们关心100米100MHz的衰减情况。就矩阵切换器和分配器而言，本身均带有一定的提升和驱动能力，满足信号传输不是问题，但考虑到接插件的损耗，此部分的提升和驱动能力在传输系统设计和分析时不予考虑。目前造成模糊、变暗、拖尾现象的问题主要集中在传输的电缆上，因为传输中使用的电缆，就幅频特性而言，其衰减呈反对数型。（如图1-1中A曲线）

即频率越高衰减越大，具体指标祥见下表

    由于各频率分变量的衰减，所以造成图像变暗（亮度不够）和模糊，为改善该种情况，应使传输设备的特性曲线呈对数型，如图1-1中的B曲线。但在电路实践中不可能达到这种理想状态，一般呈抛物线型如图1-1中的C曲线。合成的结果呈如图1-1中的D曲线。我们一般关心合成后的整形带宽，如：利国的长线驱动器（VGAD-1*2CC/L、VGAD-1*2CC/LT）。可保证线路传输带宽为80~120MHz，能够明显地改善变暗、模糊等情况，确保其高频分量的传输与显示。也有一些其它品牌的驱动器，由于设计及各种原因，其带宽较窄，在30~50 MHz左右，这样虽有提升改善，但并未解决根本问题。
 
    群延时特性（Group Delay）是指：信号传输过程中，由于分布参数的存在，传输系统的特性参数不是纯阻的，而是由电阻、电容、电感组成的网络，因此不同的频率分量在同一介质传输时，到达的时间不同或有相位差，具体数学模型及分析这里不作详细论述，就其产生的实际结果而言。这种群延时特性会造成信号波形的后延，即造成拖尾。如图2-1。在传输设备中，要解决群延时问题，就要对传输系统进行预加重，即预失真，如图2-2，合成后的波形将有明显改善，如图2-3。不同的电缆和不同的传输距离其幅频特性和群延时特性不同，应根据不同情况进行调整。根据我们的研究，传输系统幅频特性越好，其群延时特性也越好。即一般而言的线越粗衰减和拖尾就越小。

    在无补偿情况下，65HZ 1024*768分辨率的RGBHV信号（100MHZ）理论上用SYV-75-3的电缆传输仅仅为20米，SYV-75-5-1的电缆也只能传输30多米。但在工程实践中多数工程商和用户认为-6dB带内损耗传输的图像可以接受，-9dB带内损耗传输的图像能够容忍，但群延时特性则必须进行延时预加重调整，以解决拖尾问题。
 
    利国公司专门研制和生产了用于补偿电缆幅频特性和群延时特性的长线驱动补偿分配器（Line Driver），以解决工程中对信号远距离传输的问题，一般认为，3+2或3+4电缆，距离应控制在20 m左右，75-5电缆应控制再50m左右，如大于此距离，就应用长线驱动器进行补偿。因工程中使用的电缆规格型号不同，其直流阻抗、等效阻抗、分布电容、电感等参数不同，因此，必须对不同的情况进行补偿，理论上讲，通过对电容、电感和电阻的调整可以解决，但实际应用中，电容、电感的可调范围较小，而且要对R、G、B三路信号同时调整，且调整量要一致，因此要想实现连续可调难度很大，目前多采用预先设计好的网络进行迭加，即进行分档调整而不采用连续调整，但必须是可调整的，如果采用固定电路进行一定的补偿，不可能符合现场的不同情况，不应称为长线驱动器。该长线驱动补偿设备根据不同规格电缆的衰减特性及电缆的不同长度，仿真电缆的反对数曲线特性，进行了分档位的增益补偿和群延时调整，该设备（VGAD-1*2CC/L、VGAD-1*2CC/LT）补偿最多达8/16级（每级约15米），设备带宽可达200MHz（未加补偿），调整后传输系统带宽可达80~120MHz。VGAD-1*2CC/L 8档调整补偿器针对10dB/100米、100MHz电缆，对参数进行优化，在20m时起步调整，100m时达到最大，而VGAD-1*2CC/LT 16档调整设备，在50m时起步调整，300m时达到最大，从目前看能满足实际工程使用要求。

    针对图像不稳定乃至黑频等现象，该长线补偿驱动器还对同步信号进行了数字校正（ADSP，该技术非本文讨论重点，这里不做细述）。利国长线补偿驱动器操作便捷，设备前面板上设计了触摸按键进行补偿档位操作，此外，还增加了RS-232接口控制（VGAD-1*2CC/LT），便于客户利用中控或PC机对其控制，并能节省设备，如图3-1，例中对矩阵切换器而言，输入线的长度与输出线的长度各不相等，进行补偿时，原则上应在输入部分采用不同的补偿，以使输入信号在矩阵入口时保持一致，由于输出线长度又不一致，也应针对其采取不同的补偿，设备较多，如果采用图3-2的方案，在完成切换的同时，将输入、输出线长度的信息通知长线驱动器，令其按不同的长度进行补偿调整，可节省设备，减少投资。
 
    以上仅是我们对工程应用及相关原因分析的引玉之见，如有不足之处敬请指正！

    续：系统集成工程中常见问题分析（二）

 
北京市利国电子技术有限公司