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系统集成工程中常见问题分析

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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,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。

 

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100100MHz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1-1A曲线)

即频率越高衰减越大,具体指标祥见下表

 

SYV-75-2

SYV-75-3

SYV-75-5-1

LG-RG59/5

1MHZ/100

-3dB

-2.2dB

-1.2dB

-1dB

100MHZ/100

-22dB

-15dB

-10dB

-8Db

200MHZ/100

-38dB

-24dB

-15dB

-12dB

外径尺寸

 

15mm

22mm

18mm

 

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/LVGAD-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。

长线驱动补偿分配器,可以解决工程中对信号远距离传输的问题,一般认为,3+23+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RGB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。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。

三是由于布线施工中,零、火、地线混乱造成的不共地:这类问题在现场施工中极为常见,甲方或施工方会信誓旦旦地称电源地线没有问题,但常常会发现零、火线位置混乱,地(保护地)基本不通的现象或是电源线与信号线共用桥架等,这样有时会出现直接烧毁设备情况。因此建议在进场施工时先用万用表或摇表彻底检查一遍,保证所有的电源插座符合二相三线制的左零、右火、中心地的规则,以防设备击穿等恶性事故。这类问题不是技术问题,施工时细心检查就能避免,这里不作讨论。

 

2、由于环境电磁干扰和设备自激引起的高频干扰

由于VGA信号带宽很宽,因此所用芯片及电路设计的宽带比较宽,在较差的电磁环境中,由于空间的电磁干扰,会引起电路的自激,表现的现象为较细的网纹或字符边上有很细的边。解决办法很简单,破坏其自激条件即可。原则上讲,不用的端口(载入口与输出口)应加75欧的负载匹配,防止干扰和破坏自激。

 

3、由于设备或传输系统或接插件等阻抗不匹配引起的重影反射及显示不稳定

这类问题比较棘手。其表现现象为字符边上有略暗、但边界清晰的重影,或是大屏出现不规律的黑屏、并报出没有信号的报警。这都是由于反射引起的,对R.G.B而言反射引起的是形成重影,对H.V而言会引起不稳定。对任一输入和输出电路而言,我们可以将其简化为如下模型:

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)。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。

 

1、由于系统电源地线处理不当造成的低频干扰;

2、由于环境电磁干扰和设备自激引起的高频干扰;

3、由于设备或传输系统或接插件等阻抗不匹配引起的重影反射及显示不稳定等。

 

1、由于系统电源地线处理不当造成的低频干扰,又分为三类:

一、是由于开关电源引起的不共地;

二、是设备信号连接地线接触不良;

三、是由于布线施工中,零、火、地线混乱造成的不共地。

以下分别予以说明。

 

一是由于开关电源引起的不共地:现在工程中所用设备,绝大部分都是利用开关电源的,在高频变压时彼此是隔离的,即使是模拟电源,大都会用到隔离变压器,没有公共端,就设备本身而言,信号地线是独立的,或者说设备之间的信号地线间没有关系,如下图: 

因此设备间的信号地之间会形成电位差,即电压。这个电压可能在几十伏到一百多伏,有时甚至会出现两台设备间机壳放电的情况。设备信号在连接时,例如通过矩阵切换器,由于信号地之间有电压,就必然形成电流,而此电流如果没有泄放途径,会通过信号通道进行回流,这样会把电源地线或信号地线的波动带入信号通道,形成干扰。尤其是信号路数增多时,彼此间的电压都不同,影响会更大。常见的现象是出现低频的滚道,如由上到下,或由下到上的明暗滚道,滚动的频率较低,为工频或低于工频(由于差拍引起的),或是较低频的图象明暗变化,解决的方案是要求所有相关设备的保护地一定要连通,而且是同一个保护地,这样即使设备的信号地间有电压时,也可以通过保护地进行泄放,而不会影响到信号本身。因此在选用设备时,一定要考虑其电源线的接法,如果没有保护地(二线制)可能在应用中,尤其是较大系统中会出问题,再就是设备的电源地线引脚千万不要破坏。另外就是设法在信号传输过程中进行隔离传输,如利用平衡传输或是光纤传输等,以解决共地问题,这类应用以后会经常用到,并且应该是今后的发展方向。

 

二是设备信号连接地线接触不良:设备信号连接时地线接触不良有两个方面,一是接头焊接时地线虚焊或漏焊,只要细心一些就可避免,二是对接头的理解有不同,按照VGA接头(15HD)的标准,共各引脚的定义如下:

其中123为模拟的红、绿、蓝信号,678为对应的模拟地;1314为数字的行场信号,10为数字地;ID Bit为屏幕与主机之间的控制或地址码。

但在实际工程中,经常会在地线的连接中出现错误,如果将某些脚(如45915等)接到地线上,以大屏显示这种应用而言不至于出现什么问题,但如果10脚未接地的话,恐怕就要出现地线不通的情况,因此如果用到这类接头时建议先测量一下,看看彼此的定义是否一样,当然有时为了避免出现这种情况,有些设备将不用的引脚全部接地了,虽然不标准,但挺实用,只是如果要用到相应的控制位时会出问题,这一点应该知道,目前可这样用。

 

三是由于布线施工中,零、火、地线混乱造成的不共地:这类问题在现场施工中极为常见,甲方或施工方会信誓旦旦地称电源地线没有问题,但常常会发现零、火线位置混乱,地(保护地)基本不通的现象或是电源线与信号线共用桥架等,这样有时会出现直接烧毁设备情况。因此建议在进场施工时先用万用表或摇表彻底检查一遍,保证所有的电源插座符合二相三线制的左零、右火、中心地的规则,以防设备击穿等恶性事故。这类问题不是技术问题,施工时细心检查就能避免,这里不作讨论。

 

2、由于环境电磁干扰和设备自激引起的高频干扰

由于VGA信号带宽很宽,因此所用芯片及电路设计的宽带比较宽,在较差的电磁环境中,由于空间的电磁干扰,会引起电路的自激,表现的现象为较细的网纹或字符边上有很细的边。解决办法很简单,破坏其自激条件即可。原则上讲,不用的端口(载入口与输出口)应加75欧的负载匹配,防止干扰和破坏自激。

 

3、由于设备或传输系统或接插件等阻抗不匹配引起的重影反射及显示不稳定

这类问题比较棘手。其表现现象为字符边上有略暗、但边界清晰的重影,或是大屏出现不规律的黑屏、并报出没有信号的报警。这都是由于反射引起的,对R.G.B而言反射引起的是形成重影,对H.V而言会引起不稳定。对任一输入和输出电路而言,我们可以将其简化为如下模型:

 

    按照电路原理要求,当输出阻抗与输入阻抗相等时,即所谓匹配时,输入点是半功率点,输入电路是无反射吸收,当输出阻抗与输入阻抗不相等时,输入点不是半功率点,会形成反射。比较形象地讲,输出电路将能量传送到输入电路,而输入电路并不能全部吸收,有些富裕部分又反送回输出电路。很明显,输出电路不可能吸收这部分能量,又将其送回到输入电路,能量有些损耗,并且时间有延迟。这与过去电视机重影的原理类似。发射台发射的信号,直接到达天线形成主信号,同时发射台的信号发射到大楼上,经反射后到达天线被接收,形成辅信号,主辅信号除强度不同外,还有时间差。电视机收到两个一样的有时差的信号,其显示的内容就形成重影,如图:

 

在传输系统中对R.G.B信号的反射会形成重影,对H.V信号而言,由于TTL电路是高阻,从510欧—5K都可能,一般通用是1.5K的,但接头电缆等阻抗是75欧的,因此传输过程中行场的阻抗不匹配是必然出现的,并且与传输距离有关。这将会造成同步信号波形失真,破坏接收电路中利用其波形的上升或下降沿进行的时钟锁相,这种失真将引起锁相的不稳定,现在的投影机等大都采用数字锁相方式,即每行的时钟个数有明确数量,并且锁相范围很小(提高锁相精度)。轻微的失真会使显示内容的边界或直竖线的边界不齐,较严重的失真会引起失步即锁相失败,于是投影机将报出无信号输入的情况。其实在这种情况下,如果利用CRT显示器检查会发现有信号,只是锁相可能会不太好,甚至并不严重。

既然产生的原理是由于阻抗不匹配造成的反射,解决的方案应是尽可能匹配或破坏反射,对H.V信号而言,破坏反射是可行的,我们有许多方法破坏反射,在实际应用中取得了很好的效果。但对R.G.B信号只能是尽可能匹配。由于传输系统中包括接头,电缆甚至设备本身阻抗很难或根本不可能调整,这个问题不易解决。如BNC接口,要求是用75欧的,但市面上大量的BNC接口是50欧的(便于生产);电缆应要求75欧±2欧,但这一指标有时很难保障;有些投影设备为了提高清晰度,对高频提升较大,正常时都能看出有勾边现象,如果再略有反射,这种现象会更加明显。这类问题目前没有什么好办法能解决,只能是在工程中或选购设备时,尽可能保证R.G.B的阻抗匹配,采用标准的接头及电缆,减小转接次数等。

    我们将在传输过程中影响信号的质量的原因分类归纳,形成下表,以供参考:

 

 

 

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