節(jié)能、高性能的3G-SDI解決方案

　　SDI是串行數(shù)字接口，被用來傳送無壓縮的數(shù)字視頻信號。在上世紀(jì)80年代，SDI得到了快速發(fā)展并對其標(biāo)準(zhǔn)作出了定義。3G-SDI中的3G是指SDI信號的數(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，這在觀看動態(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的特征性能。傳送的信號應(yīng)該有800mV的電壓擺幅，上升和下降時(shí)間必須小于135ps，允許有一些過沖的存在，但不可以超過10%，即80mV。在SMPTERP184中規(guī)定了時(shí)鐘抖動和調(diào)整抖動的定義，它們需要的抖動參數(shù)分別小于2UI和0.2UI，調(diào)整抖動參數(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，大部分抖動來自于串行器，電纜驅(qū)動器也會增加一些抖動。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問題，而在3G中該時(shí)鐘頻率加倍，因此EMI問題在3G中將更加嚴(yán)重。此外，PCB的布線也不是一項(xiàng)簡單的工作，工程師將要面對在148.5MHz工作下的20條印制線。FPGA產(chǎn)生的時(shí)鐘信號也包含很多抖動，因此這些時(shí)鐘是不適合直接用于串行器的，由于會增加串行器的輸出抖動，從而需要加入抖動消除電路或Genlock電路以消除抖動。此外，有一些串行器也要求一個干凈的本地時(shí)鐘，這些抖動和本地時(shí)鐘不僅增加了系統(tǒng)成本，也占用了PCB的面積。最后，串行器是一個模擬信號器件，包含了數(shù)字處理單元以及模擬串行單元，因此產(chǎn)生低抖動的模擬數(shù)字信號很困難。以HD信號為例，最小可以實(shí)現(xiàn)的輸出抖動大約為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)字信號處理工作可以由FPGA完成，如CRC及行號插入、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)由串行器來完成了，因此可以降低FPGA的等級。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容限，最低可以達(dá)到0.6UI。和串行器類似，我們在解串器中也可以集成類似的環(huán)路，它可以簡化設(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，它是一個微小空間的7×7毫米的LLP封裝，如圖2所示。

　　當(dāng)信號從一種介質(zhì)傳送到另外一種新的介質(zhì)時(shí)，一部分信號將會被反射，剩余的信號將穿過這個介質(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，所以信號在兩個不同阻抗的印制電路線間傳輸時(shí)反射就會發(fā)生，反射的發(fā)生會減小信號的能量，影響接收器的處理，同時(shí)信噪比也會減小。另外當(dāng)信號朝著源的方向被反射回來時(shí)，它會和原始的信號相混合疊加，降低信號的完整性，如圖3所示。

　　回送損耗可以用來衡量兩種阻抗匹配的優(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。回路損耗是和頻率相關(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，只需要使用一個簡單的小網(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)可以通過將一個小小的電感和一個75Ω的電阻并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，這個匹配網(wǎng)絡(luò)在直流特性時(shí)應(yīng)該看起來象一個短路線，允許由終端電阻來提供傳輸線阻抗；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)性能不會緩緩下降，而是無誤差地工作直到系統(tǒng)徹底損壞。通常采用音律測試方法對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，即改變數(shù)字信號一個或多個參數(shù)直到使該數(shù)字系統(tǒng)失效，最直接的音律測試方法是加入電纜進(jìn)行音律測試。雖然視頻信號經(jīng)過編碼成為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，但是在本質(zhì)上SDI信號仍然是模擬的，并且仍然會受到衰減和相移等失真的影響，較長的電纜容易產(chǎn)生信號丟失及相移，使信號出現(xiàn)失真，我們在接收端加入一個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，信號會產(chǎn)生損失和相移等失真，均衡器可以為失真信號提供補(bǔ)償，我們可以通過加入更長的電纜對接收端的均衡范圍、噪聲性能等特性作出評價(jià)。這種音律測試特別在使用SDI的病態(tài)信號時(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)對病態(tài)信號的處理是很困難的，在這種低頻的極差圖形中，其中一區(qū)用于測試均衡器，另一區(qū)可以用來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信號經(jīng)過長距離傳輸時(shí)信號質(zhì)量會變差，為了補(bǔ)償長距離傳輸?shù)膿p耗并重建視頻信號的幅度，需要加入一個額外的電纜均衡器。然而均衡器無法去除信號中固有的抖動與噪聲，因此為了不使整個信號鏈路的抖動被堆積，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，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)之前重建信號的幅度并打開眼圖。有時(shí)候信號在系統(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)償信號的損失，但是無法達(dá)到成本最優(yōu)化。由于背板不會太長，因此無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)動器具有輸入信號丟失告警和輸出電纜檢測功能，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易。當(dāng)輸入信號丟失時(shí)，LOS（Loss of Signal）將輸出一個信號通知系統(tǒng)，由其決定是否關(guān)斷這個設(shè)備的通道。同樣，通過輸出的告警信號可以了解輸出電纜是否沒有連接或不可靠。這類電纜驅(qū)動器和時(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)開關(guān)是一個標(biāo)準(zhǔn)的模塊，它經(jīng)常在開關(guān)電路和復(fù)用器中使用，例如在汽車娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)中，多個不同的視頻信號輸入源和多個不同的顯示設(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顯示的第一個實(shí)例是一個小型視頻路由器、2.97G串行視頻數(shù)據(jù)信號被分配到不同的位置。DS25CP104是LVDS交叉點(diǎn)開關(guān)系列中的一員，它可以處理直流到3.125Gbps的高速信號，具有非常低的抖動和很低的功耗，而且每個通道都可以通過SM總線監(jiān)控和讀取LOS的狀態(tài)，LOS可以用來關(guān)斷無用的通道。由于具有非常簡單的SDI設(shè)備的接口、非常低的抖動和寬范圍的數(shù)據(jù)率，使它廣泛應(yīng)用在開關(guān)和布線應(yīng)用中。另外器件封裝很小，是6×6mm的管腳排列。第二個例子是DS25BR204的應(yīng)用，這個是非常簡單的從2個可選的輸入去復(fù)制4路信號的方法，同樣具有LOS功能，可以實(shí)現(xiàn)功率的優(yōu)化。

　　對于這類快速出現(xiàn)的用于3G-SDI傳送的SMPTE424M標(biāo)準(zhǔn)，美國國家半導(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)動器、串行器、解串器、交差點(diǎn)開關(guān)等，這些產(chǎn)品滿足SDI的每個應(yīng)用，適用于各式各樣的SDI系統(tǒng)。一個大型的布線系統(tǒng)，可能會需要所有的產(chǎn)品。在功耗要求越來越高的今天，一些產(chǎn)品的關(guān)斷功耗可以只有3mW，信號丟失告警和電纜連接檢測大大地簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　美國國家半導(dǎo)體公司和Altera公司合作完成了工業(yè)第一個3G/HD/SD-SDI系統(tǒng)的視頻開發(fā)平臺，它是基于Altera Cyclone III FPGA來實(shí)現(xiàn)的。該方案采用NS高性能的3G-SDI信號路徑、視頻時(shí)鐘、電源管理器產(chǎn)品和Altera公司的FPGA產(chǎn)品，組成了標(biāo)準(zhǔn)的可擴(kuò)展的開發(fā)平臺。它包括了許多有特色的產(chǎn)品，例如3G-SDI產(chǎn)品、多視頻格式的同步分離器、時(shí)鐘產(chǎn)生器、交叉點(diǎn)開關(guān)、LDU和DC/DC轉(zhuǎn)換器等等。

　　除了Altera公司以外，美國國家半導(dǎo)體公司也和Xilinx公司合作提供了類似的開發(fā)平臺，美國國家半導(dǎo)體公司和Xilinx提供了聯(lián)合方案，采用低價(jià)FPGA進(jìn)入高端AVB市場的方法，它支持SD、HD和3G專業(yè)視頻的應(yīng)用。

　　問答選編
　　問：如此高的傳輸速率，如何保證傳輸過程中的精度和抗干 擾性？
　　答：差分方式傳輸可以保證傳輸過程中免受共模干擾，NS 在驅(qū)動端使用預(yù)加重技術(shù)，在接收端采用均衡技術(shù)，彌 補(bǔ)電纜傳輸?shù)膿p耗，可以很好的保證精度，消除碼間串?dāng)_。

　　問：LVDS驅(qū)動信號與FPGA接口時(shí)，信號可以直接相接嗎？ 還是需要加一些緩沖、平衡電路？
　　答：我們推出的3G方案，與FPGA接口時(shí)，采用LVDS連接 方式，每對LVDS差分線需要端接100歐姆，各對LVDS 的PCB走線基本等長就可以了。無需緩沖和平衡電路， 與并行的TTL連接方式相比，PCB設(shè)計(jì)要容易很多。

　　問：如果接收器長時(shí)間沒有接到數(shù)據(jù)，或是處于直流狀態(tài)， 接收器將會是什么狀態(tài)？有方法避免嗎？
　　答：如果沒有輸入，接收器將無法鎖定?？梢岳媒獯?(LMH0341)的LOCK，或均衡器(LMH0344)的CD輸出進(jìn) 行控制。

　　問：傳輸中的損耗怎樣進(jìn)行補(bǔ)充？只靠一條均衡器不可以 吧？
　　答：接收端主要靠均衡，發(fā)送端主要靠預(yù)加重技術(shù)。均衡和 預(yù)加重的級別要和電纜長度匹配，NS的器件可以做到 自適應(yīng)。

　　問：把串行器和FPGA之間的并行總線從20位單端接口簡 化為5位低壓差分信號(LVDS)接口，是否可以簡化PCB 板設(shè)計(jì)？還有什么好處？
　　答：一定會簡化PCB的設(shè)計(jì)，這是不言而喻的。同時(shí)也帶來 諸如低功耗、低EMI等好處。

　　問：LMH0346芯片在使用時(shí)候，需要配備輸入多路切換器 嗎？
　　答：不需要，如果您需要進(jìn)行輸入多路切換，可以參考LMH0356，
　　輸入端集成4選1。

　　問：請問驅(qū)動端的預(yù)加重和接受端的彌補(bǔ)，其誤碼率是多少？
　　答：SDI器件一般測試抖動，對發(fā)送器，抖動小于0.2UI；對接 收器，抖動容限大于0.5UI。

　　問：現(xiàn)在全社會都在提倡節(jié)能減排，請問美國國家半導(dǎo)體的 高效3G-SDI解決方案是如何來減耗節(jié)能的？
　　答：從輸入端口上，改變以往的并行TTL連接方式為LVDS 連接，大大減小了電流消耗，另外從芯片工藝上，也采用 更為先進(jìn)的CMOS技術(shù)來降低功能能耗。

　　問：影視中心制作的是1080p的視頻內(nèi)容，但發(fā)送到家庭時(shí)的格式卻仍然為1080i或720p。請問為什么會是這樣 子？家庭用戶不能接收到1080p的視頻內(nèi)容嗎？
　　答：HD-SDI傳送的也是1080i，最新的3G-SDI才達(dá)到1080p。 主要的瓶頸在于傳輸帶寬。

　　問：現(xiàn)有的1.5G視頻傳輸方案，能否改造成3G？3G是否 可以看做是1.485Gbps的倍頻？
　　答：國半的視頻解決方案從SD、HD到3G都是兼容的。所 以如果您的PCB設(shè)計(jì)滿足3G傳輸要求，可以無需改版 直接升級到3G。

　　問：為應(yīng)對3G信號傳輸?shù)乃p，在信號鏈路中插入濾波器 提供補(bǔ)償，是不是有效？在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)要注意什么？
　　答：采用預(yù)加重或均衡技術(shù)來彌補(bǔ)電纜傳輸損耗，雖然這種技術(shù)原理上也是濾波器，但自行設(shè)計(jì)難度很大，建議使 用國半的驅(qū)動器或均衡器來提高信號傳輸質(zhì)量。

　　問：改善回送損耗的措施有哪些？
　　答：可以參考國半驅(qū)動芯片的接口電路，通過加一個電感來 區(qū)別高低頻信號通路，使得阻抗匹配，另外在PCB設(shè)計(jì) 時(shí)也要控制導(dǎo)線阻抗匹配。

　　問：從視頻信號傳輸鏈路上看，1.5G與3G有什么不同，主要差異是什么？
　　答：從時(shí)域上看，是數(shù)據(jù)速率不同；從頻域上看，更高的數(shù)據(jù) 速率要求使用傳輸媒介的更高頻響，對驅(qū)動器和均衡器 提出了更高的要求。

　　問：相同的收發(fā)器引腳上可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)SD SDI、HD SDI 和 3GSDI嗎？
　　答：可以。國家半導(dǎo)體的產(chǎn)品家族做到了SD/HD/3G產(chǎn)品的 管腳兼容，同時(shí)高速率產(chǎn)品可以向下兼容。

　　問：采用LVDS傳輸，對信號線有特別的要求嗎？能傳輸多遠(yuǎn)？
　　答：如果是PCB走線，要遵循LVDS走線原則，靠近、等長、 阻抗匹配等。傳輸長度與傳輸介質(zhì)和傳輸速率有關(guān)系。

　　問：影響3G-SDI穩(wěn)定的因素有哪些？
　　答：干凈的電源、良好的阻抗匹配、減小分布電容的影響、合 適的連接器、電纜的屏蔽特性，這些都是要考慮因素。