節(jié)能、高性能的3G-SDI解決方案

標(biāo)簽：SDI  HDTV

SDI是串行數(shù)字接口，被用來(lái)傳送無(wú)壓縮的數(shù)字視頻信號(hào)。在上世紀(jì)80年代，SDI得到了快速發(fā)展并對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)作出了定義。3G-SDI中的3G是指SDI信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸率為3Gbit每秒。由于HDTV可以支持每秒30幀的逐行掃描1920×1080的分辨率格式，而3G能夠支持比HD視頻信號(hào)最高幀掃描頻率高一倍的頻率，即3G可以支持每秒60幀的HD信號(hào)，這在觀看動(dòng)態(tài)視頻時(shí)的差別是很大的。

SMPTE424M定義了3G-SDI的物理層及這類電信號(hào)的特征性能。傳送的信號(hào)應(yīng)該有800mV的電壓擺幅，上升和下降時(shí)間必須小于135ps，允許有一些過(guò)沖的存在，但不可以超過(guò)10%，即80mV。在SMPTERP184中規(guī)定了時(shí)鐘抖動(dòng)和調(diào)整抖動(dòng)的定義，它們需要的抖動(dòng)參數(shù)分別小于2UI和0.2UI，調(diào)整抖動(dòng)參數(shù)實(shí)際上要求是0.3UI，但是SMPTE強(qiáng)烈推薦使用0.2UI的參數(shù)要求，因此本文將使用0.2UI的參數(shù)要求。接收器中，在10Hz到297MHz的頻帶內(nèi)，輸入抖動(dòng)容限，從2UI到0.2UI。發(fā)送器的輸出與接收器的輸入都應(yīng)該被優(yōu)化以保證回波損耗。

在發(fā)送器中，大部分抖動(dòng)來(lái)自于串行器，電纜驅(qū)動(dòng)器也會(huì)增加一些抖動(dòng)。圖1所示為目前正在使用的發(fā)送器的典型框圖，它可以工作到HD、SDI，但是它不支持3G-SDI。由于20位的數(shù)字視頻總線已經(jīng)在HD中制造了EMI問(wèn)題，而在3G中該時(shí)鐘頻率加倍，因此EMI問(wèn)題在3G中將更加嚴(yán)重。此外，PCB的布線也不是一項(xiàng)簡(jiǎn)サ墓ぷ鰨?こ淌???娑栽?48.5MHz工作下的20條印制線。FPGA產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)也包含很多抖動(dòng)，因此這些時(shí)鐘是不適合直接用于串行器的，由于會(huì)增加串行器的輸出抖動(dòng)，從而需要加入抖動(dòng)消除電路或Genlock電路以消除抖動(dòng)。此外，有一些串行器也要求一個(gè)干凈的本地時(shí)鐘，這些抖動(dòng)和本地時(shí)鐘不僅增加了系統(tǒng)成本，也占用了PCB的面積。最后，串行器是一個(gè)模擬信號(hào)器件，包含了數(shù)字處理單元以及模擬串行單元，因此產(chǎn)生低抖動(dòng)的模擬數(shù)字信號(hào)很困難。以HD信號(hào)為例，最小可以實(shí)現(xiàn)的輸出抖動(dòng)大約為115ps或0.17UI，因此如果要支持3G，必須要采用全新的結(jié)構(gòu)。

NS的SDI串行器和解串器產(chǎn)品創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)為SDI-3G提供了低輻射、低成本、低抖動(dòng)和高性能的解決方案，在FPGA和串行器或解串器之間采用了LVDS技術(shù)，從而去除了TTL連接。由于LVDS具有非常低的EMI輻射和功率損耗，因此非常適合應(yīng)用在手持產(chǎn)品中。另外，PCB的印刷線也從20根減少到10根，使得PCB的設(shè)計(jì)更加容易。由于芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了高性能PLL鎖相環(huán)，不再需要外置本地時(shí)鐘及抖動(dòng)消除電路，因此系統(tǒng)成本得到了明顯的降低，同時(shí)節(jié)約了電路板的面積。因?yàn)镕PGA已經(jīng)存在于系統(tǒng)中，不需要額外的費(fèi)用，因此大部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理工作可以由FPGA完成，如CRC及行號(hào)插入、光柵、ANC和EDH插入等。事實(shí)上，由于最困難的串行工作現(xiàn)在已經(jīng)由串行器來(lái)完成了，因此可以降低FPGA的等級(jí)。這種串行由于采用了優(yōu)秀的模擬技術(shù)工藝和高精度的鎖相環(huán)，因此可以提高解串器的抖動(dòng)容限，最低可以達(dá)到0.6UI。和串行器類似，我們?cè)诮獯髦幸部梢约深愃频沫h(huán)路，它可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和減小空間，所以這樣的解串器不需要本地的時(shí)鐘，它是一個(gè)微小空間的7×7毫米的LLP封裝，如圖2所示。

當(dāng)信號(hào)從一種介質(zhì)傳送到另外一種新的介質(zhì)時(shí)，一部分信號(hào)將會(huì)被反射，剩余的信號(hào)將穿過(guò)這個(gè)介質(zhì)。聲光和電磁波都有類似的特性，這是因?yàn)楫?dāng)介質(zhì)改變時(shí)介質(zhì)的密度和特性會(huì)發(fā)生變化。在傳輸線的原理中，印制電路線的寬度和其特性阻抗成正比，所以信號(hào)在兩個(gè)不同阻抗的印制電路線間傳輸時(shí)反射就會(huì)發(fā)生，反射的發(fā)生會(huì)減小信號(hào)的能量，影響接收器的處理，同時(shí)信噪比也會(huì)減小。另外當(dāng)信號(hào)朝著源的方向被反射回來(lái)時(shí)，它會(huì)和原始的信號(hào)相混合疊加，降低信號(hào)的完整性，如圖3所示。

回送損耗可以用來(lái)衡量?jī)煞N阻抗匹配的優(yōu)劣。通常的BNC連接器、電路板走線、電纜驅(qū)動(dòng)器，輸出阻抗或均衡器的阻抗都各不相同，所以在實(shí)際的應(yīng)用中需要考慮SMPTE嚴(yán)格的回送損耗指標(biāo)要求?；芈窊p耗是和頻率相關(guān)的參數(shù)，當(dāng)頻率升高時(shí)，寄生電容和電感變得更加的明顯，它會(huì)使回路損耗變差。NS的SDI系列產(chǎn)品都有很好的輸入輸出回路損耗特性，只需要使用一個(gè)簡(jiǎn)單的小網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)和BNC連接器的匹配。最普通的網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)將一個(gè)小小的電感和一個(gè)75Ω的電阻并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)在直流特性時(shí)應(yīng)該看起來(lái)象一個(gè)短路線，允許由終端電阻來(lái)提供傳輸線阻抗;在很高的工作頻率條件下寄生電容的阻抗值將會(huì)占主要的部分，這時(shí)回路損耗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以提供75Ω的阻抗作為終端電阻，如圖4。

即使你的系統(tǒng)可以滿足前面所述的指標(biāo)要求，但也不能確定系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。與模擬系統(tǒng)不同的是，數(shù)字系統(tǒng)性能不會(huì)緩緩下降，而是無(wú)誤差地工作直到系統(tǒng)徹底損壞。通常采用音律測(cè)試方法對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，即改變數(shù)字信號(hào)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)直到使該數(shù)字系統(tǒng)失效，最直接的音律測(cè)試方法是加入電纜進(jìn)行音律測(cè)試。雖然視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼成為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，但是在本質(zhì)上SDI信號(hào)仍然是模擬的，并且仍然會(huì)受到衰減和相移等失真的影響，較長(zhǎng)的電纜容易產(chǎn)生信號(hào)丟失及相移，使信號(hào)出現(xiàn)失真，我們?cè)诮邮斩思尤胍粋€(gè)額外的電纜均衡器以補(bǔ)償失真。在電纜傳輸中，由于電纜的頻率響應(yīng)特性，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生損失和相移等失真，均衡器可以為失真信號(hào)提供補(bǔ)償，我們可以通過(guò)加入更長(zhǎng)的電纜對(duì)接收端的均衡范圍、噪聲性能等特性作出評(píng)價(jià)。這種音律測(cè)試特別在使用SDI的病態(tài)信號(hào)時(shí)是非常有意義的，因?yàn)樗旧夏M了真實(shí)的狀況。串行數(shù)字系統(tǒng)對(duì)病態(tài)信號(hào)的處理是很困難的，在這種低頻的極差圖形中，其中一區(qū)用于測(cè)試均衡器，另一區(qū)可以用來(lái)檢查接收器的鎖相環(huán)的性能。NS的3G-SDI均衡器有能力在3G時(shí)均衡120米電纜長(zhǎng)度的距離，從圖5可以看出使用NS的3G-SDI產(chǎn)品，是很容易滿足SMPTE的指標(biāo)的。

SDI信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸時(shí)信號(hào)質(zhì)量會(huì)變差，為了補(bǔ)償長(zhǎng)距離傳輸?shù)膿p耗并重建視頻信號(hào)的幅度，需要加入一個(gè)額外的電纜均衡器。然而均衡器無(wú)法去除信號(hào)中固有的抖動(dòng)與噪聲，因此為了不使整個(gè)信號(hào)鏈路的抖動(dòng)被堆積，不建議采用均衡器輸出做多點(diǎn)傳輸，推薦在分傳前利用時(shí)鐘恢復(fù)器重新產(chǎn)生干凈的信號(hào)，需要注意的是時(shí)鐘恢復(fù)器需要均衡器在再次產(chǎn)生數(shù)據(jù)之前重建信號(hào)的幅度并打開(kāi)眼圖。有時(shí)候信號(hào)在系統(tǒng)間傳輸時(shí)，傳輸?shù)慕橘|(zhì)可能是背板而不是電纜，這種情況下使用另外的電纜均衡器也可以補(bǔ)償信號(hào)的損失，但是無(wú)法達(dá)到成本最優(yōu)化。由于背板不會(huì)太長(zhǎng)，因此無(wú)源均衡器是更為理想的方案，它具有很低的價(jià)格且不消耗功率。

時(shí)鐘恢復(fù)器及電纜驅(qū)動(dòng)器均廣泛應(yīng)用于路由器中，以大型路由器為例，兩者的功耗可占總功耗的40%左右。有時(shí)候在應(yīng)用時(shí)并不是每個(gè)輸出通道都是激活的，如果能夠關(guān)斷這些空閑或未使用的通道，則可以有效地減少功耗。NS的LMH0303電纜驅(qū)動(dòng)器具有輸入信號(hào)丟失告警和輸出電纜檢測(cè)功能，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易。當(dāng)輸入信號(hào)丟失時(shí)，LOS(Loss of Signal)將輸出一個(gè)信號(hào)通知系統(tǒng)，由其決定是否關(guān)斷這個(gè)設(shè)備的通道。同樣，通過(guò)輸出的告警信號(hào)可以了解輸出電纜是否沒(méi)有連接或不可靠。這類電纜驅(qū)動(dòng)器和時(shí)鐘恢復(fù)器都能處于深功率節(jié)省方式，分別能節(jié)約3mW和10mW的功耗。

應(yīng)用實(shí)例

交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模塊，它經(jīng)常在開(kāi)關(guān)電路和復(fù)用器中使用，例如在汽車娛樂(lè)和導(dǎo)航系統(tǒng)中，多個(gè)不同的視頻信號(hào)輸入源和多個(gè)不同的顯示設(shè)備，需要在任意的顯示設(shè)備上顯示任意輸入源，運(yùn)行和休眠的時(shí)鐘需要分配到不同的目的。圖6顯示的第一個(gè)實(shí)例是一個(gè)小型視頻路由器、2.97G串行視頻數(shù)據(jù)信號(hào)被分配到不同的位置。DS25CP104是LVDS交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)系列中的一員，它可以處理直流到3.125Gbps的高速信號(hào)，具有非常低的抖動(dòng)和很低的功耗，而且每個(gè)通道都可以通過(guò)SM總線監(jiān)控和讀取LOS的狀態(tài)，LOS可以用來(lái)關(guān)斷無(wú)用的通道。由于具有非常簡(jiǎn)單的SDI設(shè)備的接口、非常低的抖動(dòng)和寬范圍的數(shù)據(jù)率，使它廣泛應(yīng)用在開(kāi)關(guān)和布線應(yīng)用中。另外器件封裝很小，是6×6mm的管腳排列。第二個(gè)例子是DS25BR204的應(yīng)用，這個(gè)是非常簡(jiǎn)單的從2個(gè)可選的輸入去復(fù)制4路信號(hào)的方法，同樣具有LOS功能，可以實(shí)現(xiàn)功率的優(yōu)化。

對(duì)于這類快速出現(xiàn)的用于3G-SDI傳送的SMPTE424M標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司是業(yè)界完整方案的最早的供應(yīng)商，產(chǎn)品包括自適應(yīng)均衡器、時(shí)鐘恢復(fù)器、電纜驅(qū)動(dòng)器、串行器、解串器、交差點(diǎn)開(kāi)關(guān)等，這些產(chǎn)品滿足SDI的每個(gè)應(yīng)用，適用于各式各樣的SDI系統(tǒng)。一個(gè)大型的布線系統(tǒng)，可能會(huì)需要所有的產(chǎn)品。在功耗要求越來(lái)越高的今天，一些產(chǎn)品的關(guān)斷功耗可以只有3mW，信號(hào)丟失告警和電纜連接檢測(cè)大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。