专利名称：长距离视频图形阵列信号传输装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机图形传输技术领域，特别是一种长距离视频图形阵列(VGA)信号传输装置。
背景技术：
在目前的计算机系统中，通常显示卡输出的是VGA(Video GraphicArray，视频图形阵列)信号，VGA信号通常包含三类信号第一类为视频三原色信号红绿蓝RGB(RGBRed Green Blue，红绿蓝三原色)，RGB的最高电压幅值为0.7V；第二类为视频行场同步信号，分别为垂直同步即场同步信号VSYNC和水平同步信号即行同步信号HSYNC；第三类为I2C(I2CBusInter-ICBus，集成电路间互联总线)总线信号，分别为SCL和SDA。VGA信号通常包括使用多芯屏蔽电缆作为传输线，而由于视频三原色信号和视频行场同步信号的驱动能力都比较弱，所以VGA信号的传输距离一般只有几米到十几米，因而限制了计算机的使用方式。
另一方面，多芯屏蔽电缆的制作不够方便，一般只能由生产厂商定制，价格也比较高。此外，多芯屏蔽电缆的连接器尺寸比较大，不适合在小型的手持设备中使用，因而也限制了VGA标准的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长距离视频图形阵列信号传输装置。本发明提出了一种对VGA信号进行差分驱动并通过4对双绞线进行长距离传输的装置，在不损失信号质量的情况下可以传输300米远；另一方面，本发明提出的方法使用4对双绞线传输信号，采用RJ45(RJ45一种8个引脚的插座标准)插座和水晶头作为连接器件，在降低了连线成本的同时也简化了连接线的制作，缩小了连接器件的体积。
本发明可以广泛适用于计算机技术领域中与VGA信号传输有关的各种应用场合，包括显示卡VGA接口的设计、显示器VGA接口的设计、投影仪VGA接口的设计、数码照相机和摄像机VGA接口的设计、大屏幕显示墙VGA接口的设计等。
图1、是本发明的长距离VGA信号传输的电路框图。
图2、是显卡和显示器VGA接口插座和信号定义示意图。
图3、是图1中的行场同步信号幅值变换电路原理图。
图4、是图1中的单端到差分信号变换电路及驱动和行场同步信号叠加电路原理图。
图5、是五类和超七类非屏蔽电缆以及连接方法图。
图6、是图1中的差分到单端信号变换电路原理图。
图7、是图1中的RGB信号整形去除叠加信号电路原理图。
图8、是图1中的行场同步信号提取电路原理图。
具体实施例方式
附图1为“长距离VGA信号传输电路框图”，以下就该框图的各个部分电路和信号传输过程进行详细的说明。
①为显卡的VGA输出接口，该输出主要包含三类信号第一类为视频三原色信号红绿蓝一RGB，RGB的最高电压幅值为0.7V；第二类为视频行场同步信号，分别为垂直同步即场同步信号VSYNC和水平同步信号即行同步信号HSYNC；第三类为I2C总线信号，分别为SCL和SDA。显卡VGA接口的插座示意图及信号定义如附图2所示。
②为行场同步信号幅值变换电路，这部分电路的主要功能是将输入的正脉冲或负脉冲都变换成一个正脉冲，(因为不同型号的显卡输出的同步信号的脉冲不一致，有的显卡会输出正脉冲，有的会输出负脉冲)。其输入为①输出的VSYNC和HSYNC，其电压幅值为1V，其输出为经过变换的VSYNC’和HSYNC’，经过变换后，VSYNC’和HSYNC’的电压幅值被限制为230mV。
行场同步信号幅值变换电路原理如图三所示，这部分电路主要由两个74HCT86异或门构成。对于行同步信号HSYNC，该输入直接被送到异或门U1A的管脚1，同时该信号被由R1和C1构成的RC电路滤波并延迟后送至异或门U1A的管脚2，当HSYNC送来一个正脉冲或负脉冲时，异或门就会输出一个正的短脉冲。异或门U1A的输出经过R2和R3分压后输出至HSYNC’，HSYNC’的电压幅值被限制为230mV。对于场同步信号VSYNC的变换过程和行同步信号HSYNC的变换过程相同。
③为单端到差分信号变换及驱动电路和行场同步信号叠加电路，其输入为①输出的RGB和②输出的VSYNC’和HSYNC’，其输出为经过2倍增益放大的3对差分信号。
这部分电路原理如图四所示，该电路主要由三片AD8131高速差分驱动器组成。视频RGB信号分别和U1、U2、U3的正输入端IN+相连，U1用于对红色视频信号RVGA进行差分变换，由于没有其他信号与RVGA信号进行叠加，所以U1的负输入端IN-通过一个51欧姆的电阻R1接地；U2用于对绿色视频信号GVGA进行变换，同时U2的负输入端IN-与HSYNC’相连，即将行同步信号与GVGA进行叠加并进行差分变换；同理，U3用于对蓝色视频信号BVGA进行变换，同时U2的负输入端IN-与VSYNC’相连，即将场同步信号与BVGA进行叠加并进行差分变换。
在VGA信号输出时，行同步信号出现在两个行扫描之间，行同步信号出现时，RGB输出均为0；场同步信号出现在两个帧切换之间，场同步信号出现时，RGB输出均为0；所以上述的信号叠加过程不会对RGB信号产生影响。同时，由于行场信号是与差分驱动器的负输入端IN-相连，其输出是负信号，这样在接收端就可以很容易地将它们提取出来。
④为RJ45插座，RJ45插座有8个引脚，分别连接上述③电路输出的3对差分信号，其连接关系为1、2引脚分别和上述③中U1的输出R+、R-相连；4、5引脚分别和上述③中U2的输出G+、G-相连；7、8引脚分别和上述③中U3的输出B+、B-相连；另外一对引脚3、6用于连接上述①中显卡上的I2C总线信号，分别为SCL和SDA。
⑤是和上述④相同的RJ45插座，其信号定义也和④的RJ45插座定义相同。
可以用一条标准的网线连接上述的④和⑤，在图五中详细图示了RJ45插头插座针脚号码定义、EIA/TIA 568B插头插座信号定义、EIA/TIA568B标准网线接法、五类和超七类非屏蔽电缆的剖视图等，按照上述规定制作的连接线可以保证可靠并有效地传输信号。
超5类非屏蔽双绞线(U5e)的带宽只有100Mhz，对视频信号的传输距离为100米左右；6类非屏蔽双绞线(Cat6 UTP(UTPUnshieldedTwisted Paired，非屏蔽双绞线))的带宽可以达到250MHz，并且超5类线一样使用同种RJ45接头，所以采用6类非屏蔽双绞线可以将信号的传输距离延长到200米以上。
如果需要将信号传输到更远的距离，还可以采用屏蔽双绞线进行信号的传输。屏蔽双绞线现在主要有6类屏蔽双绞线(Cat6 S/FTP)、超6类屏蔽双绞线(Cat6 S/FTP)、7类屏蔽双绞线(Cat7 S/STP(STPShieldedTwisted Pair，屏蔽双绞线))和超7类屏蔽双绞线等等，他们借助于单独的线对铝箔屏蔽和整个线缆的编织铜网屏蔽层，可以达到非常优异的屏蔽效果，具有非常高品质的电气及机械性能，能够满足最高端需求。这些双绞线基本上可以达到7类线标准所规定的600Mhz传输带宽，许多厂商如德特威勒布线系统提供的7类屏蔽双绞线性能高达800-1200MHz。所以采用这类高性能的屏蔽双绞线可以在保证信号质量的同时将传输距离延长到300米以上。
⑥为差分到单端信号变换电路，其输入为RJ45插座⑤输出三对差分信号，其输出为经过差分到单端信号变换的ROUT、G和B，经过变换后，ROUT已经恢复成显卡VGA输出的RVGA信号，可以直接作为显示器VGA输入中的RVGA信号。G和B中还分别包含了叠加于其上的行场同步信号，需要再做进一步的处理才可以还原成显示器VGA输入中的GVGA和BVGA信号。
单端信号变换电路原理如图六所示，这部分电路主要由三片高速度、低失真的差分接收器MAX4145构成，由⑤送来的R-和R+分别连接到U1差分输入端IN-和IN+，同时U1的增益调整引脚RG-和RG+上连接了阻容电路R2、RV1和C5，增益倍数为1+(1.4k/RG)，其中，RG为该阻容电路的等效电阻。由于C5的电容值为100pf，所以该等效电阻在传输低频信号时非常大，使得增益倍数基本为1，即在低频时不对信号进行放大；但在传输高频信号时，该等效电阻近似为R2+RV1，所以这是可以通过调整RV1的值来调节增益倍数。
由于在上述的④和⑤之间传输距离较长，这段传输线对高频信号的衰减较大，所以通过上述的阻容电路实现了只对传输的高频信号进行增益放大，而对衰减很小的低频信号不放大的目的。
U1的输出端连接的电阻R1为75欧姆，用于输出的阻抗匹配。
U2和U3的作用和U1完全相同，分别用于实现对输入的G-和G+、B-和B+的差分到单端信号变换以及对高频信号在传输中的衰减进行补偿。
⑦为RGB信号整形电路，主要目的是用于去除叠加在G和B上的行场同步信号，其输入为⑥输出的G和B，其输出为GOUT和BOUT，这两个信号已经恢复成显卡VGA输出的GVGA和BVGA信号，可以直接作为显示器VGA输入中的GVGA和BVGA信号。
RGB信号整形电路原理如图七所示，这部分电路主要由两片单增益、高带宽的电压限制放大器OPA688构成，由⑥送来G连接至U1的正输入端IN+，U1的负输入端IN-通过电阻R1接地，同时低限压输入端VL接地，高限压输入端VH的输入约为为0.8V(该电压由电阻R4和R5分压得到)，这样就构成了一个宽带半波限压整流器，使得当G的输入为负值时，输出GOUT的值为0V；当G的输入为0～0.8V之间时，输出GOUT的值也为0～0.8V；当G的输入大于0.8V时，输出GOUT的值为0.8V。这样，无论G的输入为何值，输出GOUT的值总被限制在0～0.8V之间。
因为HSYNC’是用负电平叠加在G中的，所以这个电路首先会将叠加在输入G中的水平同步信号HSYNC’去除，同时它还能保证GOUT的输出范围只能在0～0.8V之间，这样可以确保该信号符合VGA显示器的电压输入标准，不会对显示器的输入电路造成损害。
U2的作用和U1完全相同，对于B也进行的相同的处理。
在⑦中，因为⑥送来的ROUT信号中没有叠加其他信号，所以该信号无需变换，可以直接由⑦送至⑨的输入端。
⑧为行场同步信号提取电路，主要目的是用于从G和B中提取出叠加的行场同步信号，其输入为⑥输出的G和B，其输出为HSYNC和VSYNC，这两个信号可以直接作为显示器VGA输入中的HSYNC和VSYNC信号。
行场同步信号提取电路原理如图八所示，这部分电路主要由一片高速、低功耗、电压比较器MAX902构成，MAX902内部包括两个电压比较器。由⑥送来G连接至U1的负输入端IN-1，正输入端IN+1接一固定电压值-0.1V(这个-0.1V由电阻R2和R3分压而来)，电压比较器的锁存端Latch1接+5V，表示该比较器一直处于触发状态。上述电路表示只要在IN+1上输入一个低于-0.1V的电压，其输出端OUT1上就会出现一个TTL高电平，否则OUT1的输出为TTL低电平。当叠加在G上的-230mV的行同步信号出现时，这个值低于-0.1V，所以OUT1上就会出现一个TTL高电平，这个信号就是显示器VGA输入中需要的HSYNC，这样就实现了对叠加在G中的行同步信号HSYNC提取。
同样，利用MAX902中的第二个电压比较器可以实现对场同步信号VSYNC的提取。
⑨为显示器的VGA输入插座，该插座的RGB信号来自于⑦的输出，该插座的行场同步信号来自于⑧输出的HSYNC和VSYNC信号，其I2C信号直接来自于⑤的输出，事实上，I2C信号SCL和SDA在整个传输过程中未做任何变换，可以认为是由显卡的VGA输出直接连接到显示器的VGA输入。
发明效果这种长距离VGA信号传输方法的发明效果体现在1)符合工业标准。基于标准的VGA接口设计，符合PC99(PC99一种现行的个人微机标准)规范，适合绝大多数的显示卡、显示器和投影仪等设备。
2)传输距离长。采用普通的超5类非屏蔽双绞线(U5e)时传输距离可达100米；采用6类非屏蔽双绞线(Cat6UTP)时传输距离可达200米；如果采用7类屏蔽双绞线(Cat7S/STP)时可将传输距离延长到300米以上。
3)信号质量好。由于视频信号经过了差分变换再进行传输，所以保证了信号的传输质量，同时由于在接收端设计了高频补偿电路，所以即使高频信号在传输过程中有一定的衰减也可以通过调整可变电阻提高信号的增益，从而使衰减得以补偿。
4)插座体积小。由于采用了RJ45插座和水晶头作为连接器件，大大地缩小了连接器件的体积，通常RJ45插座只有标准VGA插座的二分之一大小，这为某些小型设备如手持设备等在增加VGA输出时提供了方便。
5)连线价格低。普通的超5类非屏蔽双绞线(U5e)的价格远远低于标准的VGA传输线，当传输距离较长时，这一价格上的优势会更加明显。
6)支持即插即用。传输线中包括了显卡输出的I2C总线信号SCL和SDA，方便系统实现即插即用功能。
7)连线制作简单。传输线可以由普通用户自己制作，所需工具仅仅是一把打线钳，因而连线的长度可以由用户随意定制。
权利要求
1.一种长距离VGA信号传输装置，该装置由显卡的VGA输出接口、行场同步信号幅值变换电路、单端到差分信号变换及驱动电路和行场同步信号叠加电路、RJ45插座、差分到单端信号变换电路、RGB信号整形去除叠加电路、行场同步信号提取电路、显示器的VGA输入插座组成，其特征在于，显卡的VGA输出连接于行场同步信号幅值变换电路，该变换电路连接于单端到差分信号变换及驱动电路和行场同步信号叠加电路，该变换及驱动电路和叠加电路连接于RJ45插座，该插座通过4对双绞线、RJ45插座连接于差分到单端信号变换电路，该变换电路再分别连接于RGB信号整形去除叠加电路和行场同步信号提取电路，最后输出至显示器VGA输入插座。
2.根据权利要求1的长距离VGA信号传输装置，其特征在于，行场同步信号幅值变换电路，由两个74HCT86异或门构成，行同步信号HSYNC，直接送到异或门，该信号被由R1和C1构成的RC电路滤波并延迟，当HSYNC送来一个正脉冲或负脉冲时，异或门就会输出一个正的短脉冲，异或门的输出经过R2和R3分压后输出至HSYNC’，对于场同步信号VSYNC的变换过程和行同步信号HSYNC的变换过程相同。
3.根据权利要求1的长距离VGA信号传输装置，其特征在于，单端到差分信号变换及驱动电路和行场同步信号叠加电路，由三片AD8131高速差分驱动器组成，分别对红色、绿色、蓝色视频信号进行变换。
4.根据权利要求1的长距离VGA信号传输装置，其特征在于，差分到单端信号变换电路由三片高速度、低失真的差分接收器MAX4145构成。
5.根据权利要求1的长距离VGA信号传输装置，其特征在于，RGB信号整形去除叠加电路由两片单增益、高带宽的电压限制放大器OPA688构成。
6.根据权利要求1的长距离VGA信号传输装置，其特征在于，行场同步信号提取电路由一片高速、低功耗、电压比较器MAX902构成，MAX902内部包括两个电压比较器。
全文摘要
本发明涉及计算机图形传输技术领域的一种长距离VGA(视频图形阵列)信号传输装置。该装置主要包括行场同步信号幅值变换电路、单端到差分信号变换及驱动电路和行场同步信号叠加电路、差分到单端信号变换电路、RGB信号整形去除叠加电路、行场同步信号提取电路。通过本装置可以使VGA信号在保证信号质量的情况下传输至300米远。本发明使用4对双绞线传输信号，采用RJ45插座和水晶头作为连接器件，降低连线成本也简化了连接线的制作。本发明可以广泛适用于计算机技术领域中与VGA信号传输有关的各种应用场合，也提出了一种新的计算机显示卡和显示器的接口标准，并在成本方面具有一定的优势。
文档编号G06F3/14GK1581057SQ200410042720
公开日2005年2月16日 申请日期2004年5月21日 优先权日2004年5月21日
发明者张佩珩, 刘涛, 孙凝晖, 吴冬冬, 鲁常红, 钱宇辉 申请人:中国科学院计算技术研究所