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數(shù)字視頻信號(hào)的長(zhǎng)線傳輸

作者: 時(shí)間:2007-03-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:在實(shí)時(shí)顯示彩色數(shù)字視頻信號(hào)時(shí),通常要求數(shù)據(jù)傳輸通道具有很高的帶寬和有效的傳輸距離。因此在設(shè)計(jì)和構(gòu)建這些高速率的數(shù)據(jù)傳輸通道的,不但要選擇合理的傳輸形式,而且要對(duì)數(shù)據(jù)的編碼、解碼、并串轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)、接口等電路進(jìn)行認(rèn)真的研究,以達(dá)到最佳的配合。介紹的串行傳輸技術(shù)是最近的設(shè)計(jì)成果,可以廣泛地應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)的有線傳輸。 關(guān)鍵詞:差分接口 并轉(zhuǎn)串/串轉(zhuǎn)并 PLL LVDS-PECL 大屏幕平板顯示系統(tǒng),如大屏幕顯示系統(tǒng),廣泛地應(yīng)用于信息發(fā)布領(lǐng)域和公用事業(yè)。2008年將在北京舉辦的奧運(yùn)會(huì),更加推出了這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 大屏幕平板顯示系統(tǒng)是典型的數(shù)字系統(tǒng),要求動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、清晰穩(wěn)定地顯示圖像信息。與通信系統(tǒng)相比,這種系統(tǒng)更關(guān)心實(shí)時(shí)地把圖像數(shù)據(jù)正確地傳輸?shù)斤@示器,將錯(cuò)誤的信號(hào)忽略掉,所以不要求強(qiáng)大的糾錯(cuò)檢錯(cuò)能力和錯(cuò)碼重發(fā)功能。通常為降低成本、減小時(shí)間延遲不宜采用壓縮解壓縮的方法進(jìn)行傳輸。因此這樣的傳輸系統(tǒng)應(yīng)具有實(shí)時(shí)、單向傳輸?shù)奶攸c(diǎn),要求建立穩(wěn)定的傳輸通道。 系統(tǒng)的信號(hào)來源一般是計(jì)算機(jī)顯示卡或數(shù)字電視信號(hào)。以顯示卡為例,如果輸出640%26;#215;480、24bit/pixel、60幀/s標(biāo)準(zhǔn)真彩VGA圖像時(shí),其輸出點(diǎn)時(shí)鐘達(dá)25.175MHz/s,數(shù)據(jù)位寬為27bit/pixel(考慮Vs、Hs、de)。這樣的海量數(shù)據(jù),采用并行傳輸時(shí),將使傳輸系統(tǒng)十分笨重,需要大量電纜;而采用串行傳輸時(shí),將使傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化,必要時(shí)可以采用幾條高速串行通道來實(shí)現(xiàn)。 為構(gòu)建穩(wěn)定的串行傳輸系統(tǒng),需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些特殊的處理,常用的電路模塊有:數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換(serialize/deserialize)、4B/5B(8B/10B)轉(zhuǎn)換、加解擾(scramble/descramble)、電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)、接收端的均衡放大(equlize)、PLL、接收端錯(cuò)碼檢測(cè)等。此外,在工程中還要對(duì)碼速率、傳輸速率、傳輸介質(zhì)進(jìn)行合理的選擇,以滿足不同需要。圖1 傳輸系統(tǒng)基本組成1 長(zhǎng)線傳輸?shù)幕究驁D 圖1概括了構(gòu)成數(shù)字視頻信號(hào)長(zhǎng)線傳輸系統(tǒng)的基本組成。按點(diǎn)時(shí)鐘(PCLK)輸入的并行數(shù)據(jù),經(jīng)過編碼、并轉(zhuǎn)串、加擾以差分信號(hào)的形式輸出。其中編碼實(shí)現(xiàn)4B/5B、8B/10B等編碼轉(zhuǎn)換,消除弱碼,有助于直流平衡。加擾(scramble)使能量譜均勻分布,避免在某一頻段出現(xiàn)能量峰值,減少銅介質(zhì)傳輸?shù)碾姶泡椛洹2⑥D(zhuǎn)串把并行碼字轉(zhuǎn)化為高速串行碼流。直流平衡就是在編碼過程中保證信道中直流偏移為0,電平轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)不同邏輯接口間的匹配。驅(qū)動(dòng)則對(duì)傳輸信號(hào)的能量進(jìn)行放大,并根據(jù)物理介質(zhì)的要求進(jìn)行碼型調(diào)整。均衡是對(duì)信道損失進(jìn)行補(bǔ)償并濾除噪聲。 可以采用不同的傳輸介質(zhì)進(jìn)行傳輸,銅介質(zhì)(同軸,雙絞線),光介質(zhì)(單模,多模光纖)。在采用光傳輸時(shí),圖1中加解擾模塊可以略去不用。有效傳輸距離與碼速率、介質(zhì)、接口、環(huán)境有關(guān),所以應(yīng)按照不同電纜、不同速率、不同長(zhǎng)度時(shí)的衰耗以及端口的門限估算傳輸距離。 建立一個(gè)穩(wěn)定的傳輸系統(tǒng),一般具有如下的要求: (1)合理的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、選擇; (2)發(fā)射端、接收端建立穩(wěn)定的PLL同步鏈路; (3)不同高速邏輯電平的相互配合; (4)正確的傳輸方式和耦合方式; (5)合理的PCB設(shè)計(jì)。2 選擇合理的方案 根據(jù)顯示系統(tǒng)的不同要求,選擇合理的技術(shù)措施,是構(gòu)成傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵。 (1)確定數(shù)據(jù)傳輸宏觀參數(shù) 根據(jù)系統(tǒng)傳輸?shù)目偟拇a速率以及傳輸長(zhǎng)度的要求,來確定并行或串行傳輸通道數(shù)量。如果采用串行通道,確定每個(gè)通道的碼速率和有效傳輸距離。傳輸通道的傳輸距離與介質(zhì)、碼速率、接口電平門限有關(guān),可參閱有關(guān)表格。下面給出一個(gè)估算公式: S≤[10lg(Po/Pi)]/Ap(光傳輸) S≤[G+20lg(Uot/Uit)]/Au(銅介質(zhì)) S:傳輸距離(m) G:接收端增益(dB) Au:在設(shè)計(jì)傳輸率時(shí),每米電纜的電壓衰耗(dB) Ap:每公里的功率衰耗 Uot、Uit:分別為差分輸出端,與輸入端的電壓門限 Po、Pi:光收發(fā)器發(fā)射、接收的光功率門限 (2)確定傳輸通道的工作方式??梢圆捎脝喂ぁ㈦p工、開環(huán)、閉環(huán)等,它決定了收發(fā)兩端的鏈接形式,對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著重要作用。 (3)數(shù)據(jù)重組。根據(jù)傳輸通道的特點(diǎn)和數(shù)量,把數(shù)字視頻信號(hào)重新組合為適合傳輸系統(tǒng)芯片所需的格式。它是一個(gè)數(shù)據(jù)重組過程,通常需要ASIC或FPGA來實(shí)現(xiàn)。 (4)每個(gè)數(shù)據(jù)通道的傳輸率和接口要求,確定傳輸介質(zhì)。通常采用的傳輸介質(zhì)包括多模、單模光纖、同軸電纜、雙絞線。 (5)根據(jù)通道的傳輸速率,選擇最佳的收發(fā)芯片和接口電路構(gòu)成系統(tǒng)。圖3 在數(shù)據(jù)中加入同步碼字的基本方法3 可靠的PLL同步環(huán)路的建立 傳輸系統(tǒng)中,每個(gè)通道中高速串行數(shù)據(jù)都包含有同步信息。在接收端,本地時(shí)鐘要與輸入端幀時(shí)鐘同步,才有可能正確恢復(fù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始時(shí),發(fā)送端發(fā)出的一串特殊同步碼字(Sync pattern),保證在每一串行碼字中存在固定、唯一的跳變沿,使接收端的PLL鎖定。在鎖定建立后,發(fā)送端可以傳輸數(shù)據(jù),接收端則提取編碼數(shù)據(jù)的同步信息維持接收端的鎖定。當(dāng)發(fā)送端無數(shù)據(jù)傳輸時(shí),可以插入空閑幀(具有維持鎖定的跳變沿),維持鎖定。 在數(shù)據(jù)視頻信號(hào)傳輸中,可以采用雙工回路(圖2)。由于數(shù)字視頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn),其雙工通路不同于通信,它的兩條通路可以是不對(duì)稱的,一條快速通道用于下傳視頻數(shù)據(jù),另一條慢速通道傳回是否鎖定等監(jiān)控信息。發(fā)送端邏輯一旦得到失鎖信息,則停止視頻數(shù)據(jù)傳輸,強(qiáng)制發(fā)送同步碼,直到收到鎖定信息。 數(shù)字視頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn),可以采用簡(jiǎn)單的單工方式進(jìn)行傳輸。這種方式更為簡(jiǎn)單,系統(tǒng)在初始時(shí)建立穩(wěn)定同步,并提取編碼數(shù)據(jù)中的邊沿維持鎖定。但是一旦失鎖,發(fā)射端無法收到反饋信息,系統(tǒng)同步難以恢復(fù),這時(shí)接收端不能正確地恢復(fù)數(shù)據(jù),表現(xiàn)為無規(guī)則的亂碼。為防止這種現(xiàn)象,要周期性地在發(fā)送端強(qiáng)行加入定長(zhǎng)時(shí)間的同步幀,使接收端無論是否發(fā)鎖都強(qiáng)制同步一次??梢姡到y(tǒng)的穩(wěn)定性依賴于周圍良好的電磁環(huán)境和硬件的可靠性。其缺點(diǎn)是:(1)由于定時(shí)插入同步帖,占用了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間,需要緩沖數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)重新組合,增加了電路復(fù)雜性;(2)在有效數(shù)據(jù)量不變的情況下,提高了傳輸速率的要求。 圖3表示單工傳輸方式時(shí)兩種插入同步幀的時(shí)序。 4 不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換 在現(xiàn)行的高速邏輯電平接口中,適合數(shù)字視頻傳輸?shù)挠蠩CL、PECL、LVPECL、LVDS、TMDS等形式,具有高速率、低功耗的特點(diǎn),在告訴數(shù)據(jù)的傳輸中,經(jīng)常遇到不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換,在表1中列出常用的高速邏輯接口的典型參 數(shù),圖4表示它們之間的直觀比較。表1 不同接口邏輯電平的典型參數(shù) SYMBOLECL(LVECL)PECLLVPECLLVDS(general)LVDS(lowpower)TMDSUnitVcc05.0+3.3+3.3+3.33.3VVee-5.2(-3.3)00000Voh-0.9554.0452.3451.41.3253.3VVol-1.7053.2951.5951.01.0752.8VVpp 750750400250500mVVos 3.671.9701.21.23.05V目前常用的邏輯接口有PECL、LVPECL、LVDS等。其中LVDS有更好的電磁兼容性、較小的功耗,因而得到廣泛的應(yīng)用。LVDS、TMDS電氣特性相似,主要區(qū)別是LVDS由發(fā)送端和負(fù)載獨(dú)立構(gòu)成電流回路;而TMDS是由發(fā)送端的恒流源和接收端的電源與負(fù)載共同構(gòu)成電流回路,所以只能直流耦合。 在構(gòu)成長(zhǎng)線傳輸系統(tǒng)時(shí),不同功能、不同邏輯電平的芯片互聯(lián)時(shí)要保證電平與阻抗的匹配。這些匹配功能可以用一些專用芯片構(gòu)成,如Philip的PTN3310、PTN3311實(shí)現(xiàn)了PECL與LVDS之間的轉(zhuǎn)換。還可以使用簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能及阻抗匹配,但是引入了衰減。要求匹配網(wǎng)絡(luò)具有: (1)阻抗匹配,發(fā)送時(shí):Ril=2Z0,接收時(shí)Ri2=2Z0;Z0為差分傳輸線的單端阻抗;Ri為驅(qū)動(dòng)(接)收芯片的差分輸入(輸出)阻抗。 對(duì)于常用的LVDS、PECL輸出,要求匹配阻抗Ri=2Z0=100Ω。實(shí)際工程中,由于引線電感的存在,Ri應(yīng)略小于2Z0。(2)直流偏置平衡Vos=Vos1、Vos2=Vos3;Vos1、Vos2為匹配網(wǎng)絡(luò)兩端的直流偏置;Vos為編解碼芯片輸出(輸入)端的直流偏置;Vos3為驅(qū)動(dòng)接或收芯片的輸入(輸出)端直流偏置。 (3)電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減應(yīng)盡量小,Vppo>Vppi>Vt。Vppi為匹配網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)的差值;Vppo為匹配網(wǎng)絡(luò)衰減后輸出信號(hào)的差值;Vt為芯片差分輸入的門限。 (4)發(fā)送時(shí),匹配網(wǎng)絡(luò)與驅(qū)動(dòng)盡量靠近;接收時(shí),匹配網(wǎng)絡(luò)與解碼盡量靠近。 匹配網(wǎng)絡(luò)與前后級(jí)的關(guān)系如圖5所示。 5 正確的傳輸方式和耦合方式 5.1 正確的傳輸方式 數(shù)字視頻的傳輸接口通常是差分接口,它具有較強(qiáng)的抗共模干擾能力。差分信號(hào)可以采用平均方式傳輸,如雙絞線(UTP5、STP5)。也可以采用非平衡方式,如同軸電纜(belden828)。 采用雙端形式時(shí),信號(hào)傳輸線與地是隔離時(shí),所以效地避免了地線引入的串?dāng)_。而采用單端形式時(shí),其有效信號(hào)幅度只有雙端輸出的1/2,特別是當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí),地線作為信號(hào)傳輸線的一問好,由于受收發(fā)兩端電流、接收電阻等參數(shù)的影響,容易引入地線的串?dāng)_。故此,可以使用雙同軸構(gòu)成平衡傳輸,既減小了地線干擾,又保證了較好的傳輸特性。同軸電纜的頻率特性干擾于雙絞線,在端口電參數(shù)一致的情況下,具有更遠(yuǎn)的傳輸距離。 在遠(yuǎn)距離戶外傳輸時(shí),外部瞬間的強(qiáng)電磁干擾,對(duì)傳輸系統(tǒng)會(huì)造成嚴(yán)重的影響,甚至使芯片損壞,所以應(yīng)具有完善的過壓保護(hù)措施和隔防措施。如果采用傳輸變壓器的隔離耦合或光耦合,可以極大地提高系統(tǒng)抗外界干擾的能力。特別是光傳輸,不但極大地提高系統(tǒng)抗外界干擾的能力。特別是光傳輸,不但有極大的傳輸和抗干擾能力,而且實(shí)現(xiàn)了隔離收發(fā)兩端的電系統(tǒng),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)兩端的供電和共地。圖5 匹配網(wǎng)絡(luò)與前后級(jí)的關(guān)系5.2 差分信號(hào)耦合形式 差分信號(hào)無論是雙端還是單端傳輸,都可以采用直流耦合。相同電平的邏輯接口之間均可直接耦合;不同電平的邏輯接口之間要通過匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直流耦合;只有那些具有完善加解擾功能的芯片,才可使用交流耦合方式。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí),為使收發(fā)兩端直流隔離,避免外部可能引入的直流漂移,宜采用交流耦合方式。實(shí)際構(gòu)成系統(tǒng)時(shí),要具體分析芯片的不同功能和特性,來確定采用何種耦合方式。圖6為兩種典型 的交流傳輸方式。 6 合理的PCB設(shè)計(jì) 上面提到的高速邏輯接口,在PCB板上傳輸頻率可以達(dá)1GHz以上,要求嚴(yán)格遵守高頻PCB制作的布線規(guī)則,并對(duì)高速傳輸線進(jìn)行信號(hào)完整性分析。 合理的PCB設(shè)計(jì)主要是指: (1)采用高頻性能好的四層或四層以上的多層PCB板,PCB板材質(zhì)至少應(yīng)為高頻玻璃環(huán)氧樹脂板。并把高頻信號(hào)線與地層相鄰,較好的作法是:地層、微帶層、電源層、信號(hào)層。通常的做法是:微帶層、地層、電源層、信號(hào)層。 (2)發(fā)送端及接收端高速差分信號(hào)線應(yīng)視作微帶線,要優(yōu)先布線,每對(duì)之間寬度一致,分散走線,長(zhǎng)度相同,盡量短直,轉(zhuǎn)彎時(shí)采用圓弧連接。這樣做是為了減少線間干擾以及反射和振鈴。 每條微帶線的特征阻抗Ro應(yīng)等于接收端的單端阻抗。 若為微帶線(microstrip),計(jì)算公式為: Ro=87%26;#183;ln[5.98h/(0.8W+t)]%26;#183;[1/(εr+1.41)**(0.5)] 若為微帶傳輸線(stripline),計(jì)算公式為: R0=60%26;#183;ln[4h/0.67π(0.8W+t)]%26;#183;(1/εr**0.5) 其中,t為銅厚度,W為微帶線寬度,εr為介電常數(shù),一般取4.4~5.0;h為微帶線與地層的距離。(3)差分信號(hào)本質(zhì)上屬于模擬信號(hào),與PCB板上其他數(shù)字信號(hào)應(yīng)區(qū)別開,遵循模擬和數(shù)字混合電路的布線原則:模擬地單獨(dú)設(shè),電源單獨(dú)提供,模擬地與數(shù)字地只有一些會(huì)合,位于總電源入口的地上,可以加入高頻磁珠濾除地線雜波。 以上總結(jié)討論了長(zhǎng)線傳輸?shù)膸讉€(gè)主要問題。需要說明地是,并不是每一個(gè)具體的系統(tǒng)都與圖1完全一致。在實(shí)際中,由于使用目的不同、傳輸數(shù)據(jù)的頻率不同、距離不同、使用的技術(shù)不同、傳輸系統(tǒng)有很大差異。一般組成系統(tǒng)時(shí),可以采用155M/622M/1.2G以太網(wǎng)物理層芯片,可以采用STMPE規(guī)范的數(shù)字視頻芯片,還可以采用光通信的傳輸芯片。許多廠家提供這樣的芯片,如National、Ti、Agilent、Maxim、Cypress等。 這些芯片的功能、頻率適用范圍、輸出邏輯電平、適用協(xié)議及其他具體參數(shù)都各有差異,應(yīng)用時(shí)應(yīng)仔細(xì)區(qū)分。例如有些芯片本身集成了電纜驅(qū)動(dòng)電路,如CLC020、CLC030。有些傳輸芯片沒有加擾功能,如DS90CR583/584、DS92LV1023/1024。此外不同芯片的編碼解碼、加擾解擾的方式也各有差異。例如CLC020采用補(bǔ)位進(jìn)行8B/10B編碼,多項(xiàng)式運(yùn)算完成加擾,直流平衡采用常用的NRZ/NRZI碼的轉(zhuǎn)換方式;而如HDMP1022/1024,其編碼是通過D域編碼,再疊加復(fù)用C域編碼(frame mux)完成16B/20B,20B/24B編碼則是通過計(jì)算每個(gè)字的碼重來確定符號(hào),累計(jì)每個(gè)字的符號(hào)來決定當(dāng)前字是否翻轉(zhuǎn)(Conditional invert master transition),從而達(dá)到直流平衡的目的。只有詳細(xì)了解不同芯片的特征和參數(shù),才能構(gòu)成成本低、效率高、穩(wěn)定可靠的傳輸系統(tǒng)。 筆者最近研發(fā)的雙絞線、同軸、光纖長(zhǎng)線傳輸系統(tǒng),適合不同頻率范圍、不同距離的應(yīng)用,使用情況良好,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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