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3G-SDI串行數(shù)字接口的特征性能及應(yīng)用實(shí)例分析

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-01-02 08:59 ? 次閱讀
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SDI接口是數(shù)字串行接口(serial digital interface)的首字母縮寫(xiě)。 串行接口是把數(shù)據(jù)字的各個(gè)比特以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過(guò)單一通道順序傳送的接口。由于串行數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)率很高,在傳送前必須經(jīng)過(guò)處理。早在上世紀(jì)80年代,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,SDI得到了快速發(fā)展并對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)作出了定義。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)。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)單的工作,工程師將要面對(duì)在148.5MHz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)。

3G-SDI串行數(shù)字接口的特征性能及應(yīng)用實(shí)例分析

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。

3G-SDI串行數(shù)字接口的特征性能及應(yīng)用實(shí)例分析

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。

3G-SDI串行數(shù)字接口的特征性能及應(yīng)用實(shí)例分析

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。

3G-SDI串行數(shù)字接口的特征性能及應(yīng)用實(shí)例分析

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。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。

3G-SDI串行數(shù)字接口的特征性能及應(yīng)用實(shí)例分析

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(chē)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)。

3G-SDI串行數(shù)字接口的特征性能及應(yīng)用實(shí)例分析

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司和Altera公司合作完成了工業(yè)第一個(gè)3G/HD/SD-SDI系統(tǒng)的視頻開(kāi)發(fā)平臺(tái),它是基于Altera Cyclone III FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該方案采用NS高性能的3G-SDI信號(hào)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。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(kāi)關(guān)、LDU和DC/DC轉(zhuǎn)換器等等。

3G-SDI串行數(shù)字接口的特征性能及應(yīng)用實(shí)例分析

除了Altera公司以外,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司也和Xilinx公司合作提供了類似的開(kāi)發(fā)平臺(tái),美國(guó)國(guó)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(chǎng)的方法,它支持SD、HD和3G專業(yè)視頻的應(yīng)用。

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    設(shè)計(jì)一個(gè)視頻處理板時(shí),輸入的HD-SDI經(jīng)過(guò)GS1761A轉(zhuǎn)換成10/20位的數(shù)字接口(信號(hào)有:DOUT[00:19]、PCLK、FID、HSYNC、VSYNC),但選用的視頻處理器MB86R01
    發(fā)表于 01-13 06:44

    使用lmh0030將16bits數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為SDI輸出,SDI無(wú)輸出,請(qǐng)問(wèn)這是怎么回事?

    使用lmh0030將16bits數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為SDI輸出,16bit分別用的是DV2-9和DV12-19, 現(xiàn)在是16bit有數(shù)據(jù)輸入,但是SDI無(wú)輸出,請(qǐng)問(wèn)這是怎么回事? 只是將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為
    發(fā)表于 01-07 07:24

    Flexus X 實(shí)例 CPU、內(nèi)存及磁盤(pán)性能實(shí)測(cè)與分析

    引言 隨著云計(jì)算的普及,企業(yè)對(duì)于云資源的需求日益增加,而選擇一款性能強(qiáng)勁、穩(wěn)定性高的云實(shí)例成為了關(guān)鍵。華為云 Flexus X 實(shí)例作為華為云最新推出的高性能
    的頭像 發(fā)表于 12-24 17:35 ?766次閱讀

    什么是SDI信號(hào)?SDI信號(hào)的分類、特點(diǎn)及應(yīng)用

    視頻傳輸領(lǐng)域,SDI(Serial Digital Interface,串行數(shù)字接口)信號(hào)是一種廣泛應(yīng)用的數(shù)字視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)。它以其高速、高保真度和低延遲的特點(diǎn),在廣播、電影制作、視頻監(jiān)
    的頭像 發(fā)表于 10-30 14:41 ?4458次閱讀

    12G-SDI高清視頻開(kāi)發(fā)案例,讓4K視頻采集更便捷!基于Xilinx MPSoC高性能平臺(tái)

    Interface,串行數(shù)字接口)是一種用于傳輸未經(jīng)壓縮的數(shù)字視頻信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn),主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域。12G-SDISDI
    發(fā)表于 10-29 10:09