可用于汽車娛樂和導航系統(tǒng)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80年代，SDI得到了快速發(fā)展并對其標準作出了定義。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)實際上要求是 0.3UI，但是SMPTE強烈推薦使用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中該時鐘頻率加倍，因此EMI問題在3G中將更加嚴重。此外，PCB的布線也不是一項簡單的工作，工程師將要面對在 148.5MHz工作下的20條印制線。FPGA產(chǎn)生的時鐘信號也包含很多抖動，因此這些時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鐘，這些抖動和本地時鐘不僅增加了系統(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)計更加容易。由于芯片內(nèi)部設(shè)計了高性能PLL鎖相環(huán)，不再需要外置本地時鐘及抖動消除電路，因此系統(tǒng)成本得到了明顯的降低，同時節(jié)約了電路板的面積。因為FPGA已經(jīng)存在于系統(tǒng)中，不需要額外的費用，因此大部分數(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)計和減小空間，所以這樣的解串器不需要本地的時鐘，它是一個微小空間的7×7毫米的LLP封裝，如圖2所示。

　　當信號從一種介質(zhì)傳送到另外一種新的介質(zhì)時，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，這是因為當介質(zhì)改變時介質(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，同時信噪比也會減小。另外當信號朝著源的方向被反射回來時，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，所以在實際的應(yīng)用中需要考慮SMPTE嚴格的回送損耗指標要求。回路損耗是和頻率相關(guān)的參數(shù)，當頻率升高時，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)來實現(xiàn)，這個匹配網(wǎng)絡(luò)在直流特性時應(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，這時回路損耗補償網(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)定性進行評價，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行音律測試。雖然視頻信號經(jīng)過編碼成為數(shù)字數(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。這種音律測試特別在使用SDI的病態(tài)信號時是非常有意義的，因為它基本上模擬了真實的狀況。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的指標的。

　　SDI信號經(jīng)過長距離傳輸時信號質(zhì)量會變差，為了補償長距離傳輸?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傳輸，推薦在分傳前利用時鐘恢復器重新產(chǎn)生干凈的信號，需要注意的是時鐘恢復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。有時候信號在系統(tǒng)間傳輸時，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償信號的損失，但是無法達到成本最優(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，它具有很低的價格且不消耗功率。

　　時鐘恢復器及電纜驅(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。有時候在應(yīng)用時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)計更加容易。當輸入信號丟失時，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)動器和時鐘恢復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)用實例

　　交叉點開關(guān)是一個標準的模塊，它經(jīng)常在開關(guān)電路和復用器中使用，例如在汽車娛樂和導航系統(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，運行和休眠的時鐘需要分配到不同的目的。圖6顯示的第一個實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個可選的輸入去復制4路信號的方法，同樣具有LOS功能，可以實現(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標準，美國國家半導體公司是業(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、時鐘恢復器、電纜驅(qū)動器、串行器、解串器、交差點開關(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。

　　美國國家半導體公司和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來實現(xiàn)的。該方案采用NS高性能的3G-SDI信號路徑、視頻時鐘、電源管理器產(chǎn)品和Altera公司的FPGA產(chǎn)品，組成了標準的可擴展的開發(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、時鐘產(chǎn)生器、交叉點開關(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，美國國家半導體公司和Xilinx提供了聯(lián)合方案，采用低價FPGA進入高端AVB市場的方法，它支持SD、HD和3G專業(yè)視頻的應(yīng)用。