视频调制解调器 1.技术领域
本发明一般涉及通过普通无屏蔽双绞(UTP)电话线传输全运动，电视质量的彩色视频信号及相关数据和音频信号，特别涉及通过电话线双向传输这些信号且不干扰线上正常电话信号的装置和方法。
2.相关信息
许多办公大楼用无屏蔽双绞线(UTP)传输声音级信号和如调制解调器产生的低速数据。这种线通常是从中央交换机或进入点到一特定的电话机，距离为20到2000英尺。专用交换机(PBX)常用于把大楼接线网连至电话公司提供的一组外部电话线。
然而办公大楼以外，电话公司一般限制一特定外线的带宽不超过4KHz，除了长距离传输极低带宽数据外，严重阻碍了传输能力。很明显，需约6MHz带宽的典型的NTSC电视信号不能直接在这种线上传输。某些公司已试图压缩和另外变换多种视频信号以适于电话线的受限带宽。一代表性的这种系统的例子是Bush et a1.公开的U.S.专利号5,164,980(视频电话系统)。
然而在一办公楼内，电话线的带宽不受人工限制，而是受制于线的内在传输质量如相移和高频时的损耗。这样，在办公楼或其它有类似线设施的结构内可能实现很高数据传输带宽。然而，线传输效应能引起接收波形的巨大改变。而这些声音通信能容忍的效应破坏了基带视频信号各脉冲的完整性。例如，试图通过楼内地UTP线直接传输基带NTSC视频信号会引起完全不能接受的结果(且干扰正常电话数据)。幅度调制这种信号(如电视发射机所做)也引起不可接受的结果。如下面表1所示，2000英尺长UTP线的典型的频率—损耗是严重的。
表1 频率(MHz) 损耗(dB) 5 38 10 58 15 72 17 76 20 82已发展了许多方法来试图克服上述和其它问题。如，一些方法含把NTSC信号的各部分分开(如亮度信号和色度信号)，并分别调制和传输。这种方法的一例示于Iwamura等人的U.S.专利号4,955,048。然而，这种方法常需复杂昂贵的信号处理电路且对器件误差特别敏感。
视频电话会议系统为不同地点个人或群体间的双向可视和声音通信提供了可能。然而，视频电话会议系统在整个楼内需昂贵的设备，高带宽信道，和光纤或其它高带宽线。在许多时候在已有的电话线上进行高质量的电视会议是困难，昂贵的或不可能的。由此，要求提供在一有普通电话线的楼内使用的不贵的视频会议方法和装置，而无需特殊线或贵的传输设备。
本发明通过在普通无屏蔽双绞电话线(UTP)上提供廉价传输全运动，电视质量彩色信号和其它信号的方法和装置，解决了上述问题。发明的特征在于通过一对双绞线同时双向传输两个NTSC复合信号及数据和声音信号且不干扰同一对线上传输的正常声音数据和其它信号的传输方法。
各种优选方式中，NTSC信号用有低调制指数和抑制上边带的FM信号传输。在一典型电话安装中，中央交换机或进入点到电话本身的电缆长度可变化，但常为20到2000英尺。通过用频率调制，解调器可放大然后限制接收信号。为每一电缆设置解调器时无需调整。
用下面详细描述和附图可更清楚本发明的其它特征及优点。
图1是一复合NTSC电视信号的频谱。图1(a)是基带NTSC颜色信号的频谱分布；图1(b)为一全调幅NTSC信号；图1(c)是一残留边带AM调制信号，较低的图象边带已基本上被除去。
图2是根据本发明把信号分配到单一电话级线的频带使用计划。
图3是根据本发明的原理用于同时传输和接收两个NTSC信号的部件的简化框图。
图4是一更详细的用于传输/接收电路的专用部件的电路图。
图5显示根据本发明怎样把示于计算机监示器上的数据经电话线传输。
图1是一典型NTSC电视信号的频谱。如图1(a)所示，一基带复合NTSC视频信号约占4.2MHz带宽，含亮度信号L，颜色副载波CSC，及含色度信息(色调和饱和度)的颜色信号C。与视频信号一起也提供声音载波SC以传输音频信息。尽管未明显地示于图1(a)，熟知的NTSC信号含为在接收机中重建原始信号所需要的多种其它同步信号，信号结构的细节见FCC颁布的标准(FCC规则，47C.F.R.§73,699，此处用作参考)。
当用基带NTSC信号幅度调制一载波时，一般带宽加倍，即至少8.4MHz。如图1(b)所示，用基带视频信号的幅度调制过程产生了以图象载波PC为中心的一图象上边带UPSB和一图象下边带LPSB。两边带均含重建原始信息的所有必需的信息。一音频副载波ASC含两音频边带ASB。
如图1(c)所示，商业电视发射台用残留边带AM发射。发射设备抑制了图象下边带以减少所需带宽(因此有术语，“残留边带调制”)。下边带基本被移去，仅余一“残余”及上边带。这允许商业电视以6MHz信道间隔传输，其中含音频载波和保护带，所以许多TV台可同时广播而不互相干扰。
UTP电话线的带宽极有限。为传输2000英尺，须限制总传输带宽低于20MHz。如前面指出的，由于含畸变的引起不可接收的群延迟的严重传输效应，试图通过普通电话线传输幅度调制的视频信号(如商业电视台所做)是不合适的。尽管使用频率或相位而不是幅度调制可缓和一些传输效应，所需带宽会过高。
即使用窄带偏移FM，频率调制载波产生至少两倍于基带频率的信号频谱。对视频信号，每信道至少需要10MHz。对全双工操作(即在同一线上同时双向传输视频信号)，需2个10MHz信道，这将耗完所有实际可用的带宽而无保护带。
为克服上述限制，本发明细致考虑了“残留边带FM”信号的使用。这意味着在发射机移去FM调制边带中一个，最好为上边带，原因将由下面阐明。通过使用这种调制，可仅用6MHz带宽重构原始NTSC基带信号，同时信道间有几MHz的保护带。尽管很多实施方式中音频信号与上边带一起被滤出，6MHz可包括广播质量的视频信号和伴音信号。用一单独数据信道可传输一个或多个CD质量音频信号。
应认识到，适当修改带宽和中心频率以适应频谱差异后，本发明的原理可用于PAL和SECAM电视信号。如PAL和SECAM系统用7-8MHz信道带宽而不是6MHz。PAL和SECAN信号详细结构众所周知，此处不重复。
尽管AM和窄带FM频谱相似，但它们是明显不同的调制方法。在AM中，载波包络变化，而频率不变；在FM中，载波幅度认为不变，相位(和瞬时频率)随信号而变。应注意到用低FM调制指数首先将失去使用FM调制得到的许多优点，但如此处所述，即使不用传统的加重/去加重电路，得到的信号适于通过普通电话线传输电视质量的图象。使用小调制指数有助于防止大偏移时的相位漂移。
如图2所示，本发明仔细考虑了一频率计划以在UTP线的带宽内同时传输几个信号。图2中，纵轴指幅度，水平轴指以MHz为单位的频率。一些信号分配在约止于20MHz的频带内，20MHz为本发明仔细考虑的无屏蔽电话线的推荐频限。如下详述，视频信号A和B可用于在UTP线上传输视频质量的图象。
第一信号T指频谱极低端的已有电话信号。这些信号可以是模拟或数字的。两者的频谱分量均远低于1MHz。
数据信号D1和D2的中心频率分别是约1.5MHz和3.5MHz，并可用于在线上用多种已知调制方法(含PSK，QAM，或FSK调制)双向传输高速数据。替代地，数据信号D1和D2的每一个可含一FM信号(分别为FM1和FM2)，以传输分别与视频信号A和B相应的频率调制声频信号。此外，数字数据信号Dig1和Dig2代表数字调制数据流且可伴随视频信号A和B。这样，每一数据信号D1和D2可含任一种信号调制，以用于传输分别与视频信号A和B最佳相关的信息。数据信号D1和D2的严格的频率位置可以是不同的，与电话信号T和视频信号A和B相一致。
视频传输信号A的载波图示为中心在约9MHz，视频传输信号B的载波图示为中心约在17MHz。用LSBA表示信号A的外部下边带(相应于颜色副载波)，而用LSBB表示信号B的外部下边带(相应于颜色副载波)。图2中抑制了含颜色副载波信号的上边带，并没有示出。位于上述上颜色边带的声音载波也被抑制，并不被示出。
根据图2的频率计划，两个带宽各约6MHz的视频信号可通过一根线同时传输。应理解，图示视频和数据信号的中心频率仅是示例，当然能把这些信号在可用的约20MHz带宽内移动或甚至超出(若愿意接受低质量图象信号)。此外，通过对图象质量和类似的很容易被认可的折衷，每一视频信号带宽也能少于6MHz。
通过用一NTSC视频信号频率调制一载波并只传输载波，近边带和一含3.58MHz颜色副载波的外边带—优选是下边带，可在普通电话线上获得好的图象质量。一实验中，载波中心约为10MHz，近边带位于9至11MHz，外下边带在6.42MHz处(即10MHz-3.58MHz)。使用了3dB带宽为6MHz的SAW滤波器。其通带约为5至11MHz。中心频率在6.42MHz的下边带实际上有自己的“子边带”，它在形状上模仿了10MHz附近的近边带。为保持好的图象质量，用合理的保真度传输这些子边带是很重要的。把滤波器通带下延到5MHz(即低于6.42MHz约1.6MHz)似乎满足了此要求。
考虑用一低调制指数简单相位调制一载波，抑制一边带的效果是将纯相位调制载波变为同时幅度调制和相位调制。若该信号在接收端再通过一限幅器以抑制幅度调制，能恢复纯相位调制，但调制指数降为一半。
把载波置于通带的高端的附近，从而使传输带为下边带，在双绞线中随频率增加损耗增加的效果是相对于载波增强了下边带。这有利于补偿由抑制上边带引起的调制指数的降低。由于每一NTSC信号的声音载波位于仅传输下边带产生的频谱“截止”部分，例如音频信号可调制到FM载波作为FM1或FM2传输(见图2)。
在UTP的双工工作中，需要滤波器能把发射信号与极弱的接收信号区分开来，并允许所用滤波器的保护带或过渡带有一些误差。即使是SAW滤波器，过渡带也约1MHz。在各种实施中，假定保护带为2MHz。
基于以上考虑，优选如图2所示的频率规划，但决不是限制本发明的原理。作为一例，一近端收发器位于中央电话交换点，一远端收发器位于如在办公室内的用户终端。近端发送器载波为17MHz，额定带宽限为13至19MHz(图2中信号B)。远端发送器载波为9MHz，带限为5至11MHz(图2中信号A)。这样，保护带为从11至13MHz。为在一特定应用中优化性能，对这些载波频率作少的调整只是一件很简单的事。
如表1所示损耗，UTP级3的2000英尺在17MHz的预计损耗为76dB，而在9MHz要少20dB，即仅约56dB。由于在接收机需最小化载波对噪声的比值，17MHz处的传输功率比9MHz多是可取的。
另一考虑是，为避免干扰17MHz的弱接收载波，远端站需强烈抑制9MHz载波的18MHz处的二次谐波畸变。这样9MHz载波可以相对弱一些，这是幸运的。用17MHz发射机时，34MHz及以上谐波成分在接收器通带中能被很好地去除。
假定接收机噪声系数为10dB，噪声带宽6MHz，远端站接收信号强度为-59dBm时，其视频信号信噪比约为37dB，它对多数要求来说已足够。
图3以框图形式表示用于在第一收发器/和第二收发器2间执行本发明原理的部件。如图3示，收发器1接收第一视频信号VIN1，并依据本发明原理处理后，通过UTP线发至收发器2，在此原始信号被再生并把视频信号VouT2输出至电视接收机上供显示。类似地，收发器2接收第二视频信号VIN2作为输入，在依据本发明原理处理后，通过相同的UTP线将它发至收发器1，收发器1再生原始信号并输出视频信号VouT1。输入信号可产生于照相机，VCR，计算机或类似物，输出信号可被送至显示或记录设备如视频监示器，另一VCR或计算机视频显示器。
UTP线也可连至一或多部电话TEL并连至一交换单元(如一PBX或集线器)，以使当传输视频信号时能在同一线上进行正常通话。很明显。当例示了两收发器的双向传输时，当然能采用两个不同载波频率，把两视频信号从第一位置传至第二位置。此时一端需两个发射电路而另一端需两个接收电路。
从收发器1开始，第一视频信号VIN1输入到载频如为17MHz的VCO/放大器/混合器VCO1中。如技术所述和图1(a)所示，输入的视频信号含亮度和色度成分，频率调制该信号将产生上边带和下边带，每个边带都有色载波的一个“拷贝”。虽然图1(b)只示出AM调制信号的频谱，但尽管信号不同，FM调制信号的频谱类似。如前所提，为补偿高频损耗，相对于调制到9MHz上的信号，调制到17MHz上的信号被优先放大。
频率调制信号通过通带在13-19MHz宽6MHz的带通滤波器BPF1，虽然图2频率规划中无高于19MHz的传输信号，该滤波器用作匹配阻抗并抑制17MHz的谐波。已滤波信号输入到平衡-不平衡变换器和混合电路H1，它通过双工滤波器DF1把信号注到UTP线。双工滤波器的目的是禁止视频调制解调信号进入线路时，把视频调制解调信号注入到UTP。
由于去掉了上边带，从H1注入的信号频谱类似于粗略示于图2的B。通过适当调制，其它数据信号如D1可以如示于图2的频率计划被输入。这样，例如终端DIN1可用于接收由数字调制器DM1调制后通过滤波器BPF6并由混合电路H1注入的一数据信号(如一声音信号)。在发送接收器2信号通过滤波器BPF10和数字解调器DD2得以恢复并被输出到输出终端DouT2。虽然未明显示于图3，也可包括一个传输如示于图2的分别与视频信号A和B相应的FM1和FM2的频率调制的音频信号的FM调制器。
由于图2右端收发器2的组成类似于左端的(但使用不同频带)，将参照收发器1描述接收功能，且为简洁起见略去相应收发器2的描述。
假定收发器2通过UTP线(图2所示信号A)向收发器1传一第二视频信号，信号由H1接收并通过通带优选为5-11MHz内的带通滤波器BPF2。被滤信号被送至前放和上转换器C1。图3中，每一接收器是超外差型，用一本地振荡器和混频器把信号上转换至SAW滤波器的中心频率46MHz。该方法允许用已有SAW滤波器，并允许改变频率规划的优点。应注意也可用习惯的滤波器设计，而无需频率转换。
SAW滤波器BPF3给限幅器/鉴频器/视频放大器L2提供了一放大的输出，L2再把输出放大到视频电平(NTSC，PAL或SECAM)且恢复信号以VOUT1被输出。已决定了不用预加重或去加重信号就能得到极佳的结果。
图4说明利用本发明原理的原理图。电路工作电源为稳压+5和+12VDC。发射器VCOU6是有相对线性控制特性的多谐振荡器。本发明中，与载波频率相比，FM偏移一般较大，以致中心频率的适度漂移和相位噪声影响不大。
含色副载波的NTSC视频输入被送至E5，并通过截止频率约为5MHz的低通滤波器。
多谐振荡器的输出交流耦合至U4一个部分，一可将多谐振荡器电平放大至0到5VDC的六位缓冲器。放大的输出并行驱动U4余下的5个部分。
由于六位缓冲器的输出是一具有多谐波的方波，所以把随后的滤波器设计成在这些谐波的频率处有高输入阻抗，即第一电路元件须是一串联电感是很重要的。
在17MHz时，输出滤波器主要用于把7.5欧姆匹配至50欧姆输出阻抗，并适当抑制17MHz的谐波。9MHz时，滤波器也须提供二次谐波18MHz处的衰减。
对于接收滤波器，其输入阻抗典型值设计为50欧姆，输出阻抗较高如400或800欧姆。输入阻抗的增加能使与输入阻抗较高的U5频率转换器工作时获得电压增益。
初始设计成通过9MHz载波的滤波器用由线圈组件做的含铁芯电感实现。观察到了18MHz高的奇怪的可变二次谐波能量。发现这些是由铁芯非线性畸变引起的，且依赖于铁芯相对于地磁场的方向；即无意中实现了饱和式磁力计。因此，推荐使用空气芯圆筒形线圈。
发射带通滤波器的输出被送至同时当作平衡-不平衡变换器和3dB混合电路的变压器T1。该变压器中，端4和7是用来驱动标称振荡器电阻(generator impedamce)为100欧姆的UTP的平衡输出。
变压器T1的端5和6与在大于约1MHz时相当于短路的电容C1并联。端AUX1和AUX2处可以获得低于1 MHz的信号或DC电压用于其它设备。端1和3是混合电路相互隔离的50欧姆端口。一端2处的25欧姆作为混合变压器“相加”口的终端负载。数据信号可用一设计成有一宽带输入和两输出的双工滤波器被耦合进来，其一相应于从DC至约4MHz的信号。其二相应于5MHz到高于20MHz的信号。
接收路径中，从变压器T1端1输出的接收信号被送至远端(近端)收发器的接收滤波器BPF5(BPF2)。如前述，BPF2应被设计成抑制13至20MHz频率，包括抑制1 8MHz的谐波。
滤波后的信号被送至U5—一融合了本地振荡器和有源混频器的频率转换器件。为处理UTP线短路时发生的强接收信号，背靠背的二极管U3并到U5的输入。
U5的输出有约1.5k的振荡器阻抗。PNP发射极跟随器Q1帮助把该阻抗朝Q2级50欧姆的输入阻抗降低。Q1发射极跟随器也有助于稳定Q1-Q2级的DC工作点以抵制VBE随温度的变化。用L3作收集极负载，Q2级提供了30dB的电压增益及高输出能力(相对于+5VDC电源而言)。为改善SAW滤波器的响应，Q2级的输出阻抗低。
U7 SAW滤波器采用平衡负载以提高输入-输出隔离。小并联电容C29轻微地改善了SAW滤波器通带形状。
SAW滤波器的放大输出被送至U10，一限幅器-鉴频器电路。除了调整用于46MHz处宽带工作的正交线圈网外，该电路在40dB范围内能进行很好的限幅，并有极佳的线性鉴频。
宽带缓冲器U9和运放U8组成差分输入视频放大器把鉴频器的输出放大到NTSC视频电平。U10输出的纹波频率约为92MHz。这样C25和C33构成的简单低通滤波能足够抑制视频输出中的纹波。
就FM调制器所用的信号预加重而言，本发明的一个明显优点是不需要预加重和去加重，虽然本发明也能使用这种附加电路工作。
图5显示怎样利用本发明的原理传输显示在计算机监示器上的数据。计算机501可以是一PC类型计算机，它的红-绿-蓝(RGB)输出送至本领域熟知的扫描转换器503。计算机501的RGB信号输入至计算机监示器502以驱动它的显示。扫描转换器503把RGB信号变成如NTSC格式的视频格式，并把它送至视频modem504,504根据本发明原理构成并耦合至电话线UTP。这样，示于计算机监示器502的数据能通过电话线UTP传输，并同时显示于接收端的另一监示器。
这样就描述了根据推荐的调制方法和频率规划，用于通过普通电话级线传输电视质量视频信号及其它信号的方法和装置，本发明有很多可能的用途和好处，并用最少的电路元件完成所需功能。
上述说明和附图提供了本发明多种优选实施方式。一个普通技术人员将理解到，此处元件的详细参考值仅是当作例子，特定器件和特定器件值将由特定实现中特殊要求和工程折衷确定。作为一例，应理解，可以用数字信号处理器件而不是模拟元件实现多种的滤波器和解调器。很明显，受上述讲授的启发，本发明的许多修改和改变是可能的。由此，应理解为，在所附权利要求书的范围内，除了专门描述的以外，本发明都有效。