高清视频信号长线传输的相位自动补偿方法

郝学元

(南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210046)

责任编辑:薛 京

在很多工程应用中，需要用普通网线长线传输视频信号，视频信号中的红绿蓝三基色模拟信号变成三对差分信号经过差分芯片驱动后，能进行长线传输，但由于网线中不同线对之间在双绞时，实际长度并不一样，特别是线缆长了后，不同线对之间的相位差较大，造成了视频信号显示时相位的不同步，影响成像质量［1］。传统的模拟信号相位补偿方法大多为调整传输线上的匹配电阻，在实现相位补偿的同时，信号的幅度受到影响。为此，提出一种相位自动补偿方法，实现不同传输长度下，红绿蓝三色信号的相位同步。

1 补偿原理

高清视频信号长线传输系统包括信号发送端、双绞线、信号接收端和显示器，如图1所示。双绞线有4对，其中3对传输的是红绿蓝三基色的模拟信号。在系统传输长度一定的条件下，模拟信号的延时与数字信号的延时相同，外部的温度、湿度等因素虽对延时也有影响，但相对几百米长度的传输线，显得微不足道，且3对线受影响程度相同。因此，造成视频信号相位差的主要因素是传输线线长，所以在传输线线长发生变化时，必须要进行相位补偿。

图1 高清视频传输系统结构图

相位自动补偿的原理为在信号发送端增加电子开关，上电时电子开关设置为相位自动补偿模式，在此模式下，由发送端产生3个同频同相位的脉冲信号，经差分电路后转换成3路同相位的脉冲信号对输出，经双绞线传输，远程信号接收端自动测量3个脉冲信号的相位差，将差值回传，通过信号发送端控制模拟延迟芯片的寄存器设置值，将实际延迟的值在发送端提前，形成自动补偿。

2 自动补偿方法与设计

相位自动补偿需在信号发送端添加自动相位补偿工作模式，在信号接收端添加相位差测量电路;实现在补偿工作模式下的补偿值测量与回传。

2.1 发送端标准同相位的产生

带自动补偿功能的发送端电路结构如图2所示。在原发送端基础上增加电子开关、标准同相位脉冲产生电路和对应的信号解析电路。

图2 发送端电路结构

系统初次工作时，电子开关进入自动补偿模式，与标准同相位脉冲产生电路相连。在本地端由FPGA产生脉冲。产生的脉冲信号周期为1 ms，脉冲宽度为100 μs，如图3所示。把此信号作为标准源，通过高速差分转换芯片ISL3259EFPGA工作时计数时钟经内部PLL倍频至333 MHz，可使得在处理回传补偿值时达到步进时间宽度为3 ns的补偿步进。

图3 标准同相位脉冲

2.2 接收端自动补偿设计

接收端的电路结构如图4所示，主要由电子开关、解码电路、差分电路、相位差测量电路4部分组成。不需补偿时，信号经电子开关进入解码电路，解出视频信号后送显示器输出;进入自动补偿模式时，信号经电子开关进入差分电路与相位差测量电路。

图4 接收端电路结构

发送端的3标准脉冲信号经几百米的差分传输后，在接收端会产生明显的相位差，如图5所示。经差分电路转换恢复出的3个脉冲信号之间出现延迟，G信号比B信号延迟t1，R信号比B信号延迟t2。在线长不同的现场，延迟时间t1，t2不同，当线长改变时必须对系统进行相位补偿。为得到t1，t2值，通过高速FPGA器件设计数字化相位差测量电路，捕捉到纳秒级延迟量，时序原理［2］如图6所示。输入信号In1，In2，经组合逻辑得到延迟信号delay，以delay信号使能高速计数器，对FPGA内部高速时钟计数，得到整数值N，即为信号In2对信号In1的延迟量，t=N×CLK，N为整数，设置计数器为5位，N取值为0～31。接收端所用FPGA内部时钟与发送端相同，均为333 MHz，步进3 ns，可以记录0～93 ns的延迟，反映出500 m以内线长的相位差。

相位差N值以数字量形式经差分电路传回发送端。

2.3 发送端延迟线补偿

发送端针对接收到的N值，将其送入模拟延迟芯片的寄存器，使得模拟信号在输出时提前将延迟值补上以弥补长线后产生的相位差。针对标准脉冲信号，通过发送端N值的补偿也可在接收端收到同频同相位的脉冲信号。为验证N值的准确性，通过脉冲信号的恢复加以观察。

发送端利用FPGA的门电路延迟实现脉冲信号的相位补偿。FPGA门电路的延迟时间在芯片的手册中有明确的说明，以Xilinx公司的XC3S400芯片［3］为例，每个BUFD门电路的延长时间为1.0 ns，要实现N=3 ns，9 ns的延迟输出，代码为:

延迟补偿后的信号经长线传输，在接收端差分电路变换后经示波器捕捉，如图7所示，完全能够实现相位补偿。

图7 补偿后的脉冲信号

3 视频信号实际补偿效果

对于工程实践中传输的视频模拟信号，用此方法进行相位自动补偿。在发送端接200 m双绞网线和接收端相连，发送端输出无相位差的红绿蓝标准信号，经传输后，在接收端拍摄到的显示器截图如图8a所示。启动相位自动补偿功能后，针对同一位置拍摄的显示器截图如图8b所示。

图8 效果对比图

在图8的效果对比中，图8a是未经相位补偿的RGB视频显示效果，它们在相位上的相差可以从竖直方向上看出，红绿蓝的竖线都没有重合，红信号比绿信号滞后，绿信号比蓝信号滞后，在画质上会出现拖尾现象;右侧是经过自动补偿的RGB显示效果，红绿蓝的竖线完全重合，即消除了相位差，画质会显得更清晰。目前，此技术方法已经用在长线视频传输中，效果良好。

［1］郝学元，张静.视频延长信号的自动校色方法［J］.自动化技术与应用，2011，30(9):14－16.

［2］陈尚松，雷加，郭庆.电子测量与仪器［M］.北京:电子工业出版社，2009:126－127.

［3］ Xilinx corporation.Spartan－3 FPGA family:data sheet［EB/OL］.［2012－02－02］.http://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds099.pdf.