【摘要】 随着广播电视技术的不断革新与发展，电视节目内容也正在经历从标清到高清再到超高清的迭代推进。随着从上游超高清节目制作以及下游超高清电视在用户端的普及，超高清电视的“生态环境”与标准体系已趋于完善。本文主要阐述超高清数字12G-SDI视频信号传播中的衰减常数、回波损耗等重要参数及其测量方法，同时对均衡电路和线缆驱动器等功能器件的工作原理进行了阐述。本文还阐述了部分12G-SDI信号传输测试情况，最后本文对数字电缆未来的发展方向，以及相关的8K超高清数字电视信号传输进行了展望。
【关键词】超高清视频 SDI 数字视频电缆 回波损耗 衰减常数 均衡电路 JPEG-XS
2015年10月国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)颁布了面向新一代超高清UHD(Ultra-high definition)视频制播的BT.2020标准（Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange，超高清电视系统节目制的参数数值），重新定义了电视广播与消费电子领域关于超高清视频显示的各项参数指标，促进4K超高清显示设备进一步走向规范化。
全球范围之内的电视制播现在已经全面迈向4K超高清电视时代。中央广播电视总台2018年开播了4K频道，北京广播电视台、广东广播电视也陆续正式开播了4K播出频道，陆续在4K超高清电视频道的制作、播出、传输等领域进行大量技术业务探索与实践。亚洲其它国家和欧美等地的主流电视台也已全面开播4K频道。2022北京冬奥会前，中央广播电视总台和北京广播电视台分别开播了8K超高清频道。
原《GY/T 224-2007数字视频、数字音频电缆技术要求和测量方法》标准工作组主要成员近年也在对4K超高清电视信号的12G-SDI数字视频传输等进行技术跟踪与研究。计划在《GY/T 224-2007 数字视频、数字音频电缆技术要求和测量方法》标准内增加支持用于传输4K超高清电视信号的12G-SDI(SMPTE ST-2082)、6G-SDI(SMPTE ST-2081)数字视频电缆的技术要求和测量方法等内容。进一步规范超高清电视(UHDTV)等数字视频电缆的技术参数，规定相关技术要求和测量方法，以适用于超高清电视等数字视频电缆的生产、使用和运行维护。同时探索8K超高清电视基带信号的可靠传输解决方案。
一．SDI标准规范的发展历程
SDI（Serial Digital Interface 串行数字接口）是一种数字视频接口，于1989年由SMPTE（Society of Motion Picture and Television Engineers电影和电视工程师协会）首次标准化发布。串行数字接口系列由8个标准组成，从最初的SD-SDI到最新的12G-SDI标准。其中SD-SDI(SMPTE 259M)、HD-SDI(SMPTE 292M)、 3G-SDI(SMPTE 424M)、12G-SDI(SMPTE ST-2082)标准是我们经常使用的SDI标准。270Mbit/s的SD-SDI是该标准的第一个版本。12G-SDI(SMPTE 2082)标准于2015年与6G-SDI标准同时推出,于2018年进行了修订。由于标准中允许更高的比特率，12G-SDI支持单个链路的4K 60P视频信号。
前几年的4K超高清信号基带传输采用4x3G-SDI模式，其主要缺点为线缆太多、设备太多，需要更多的空间且部署成本高昂。同时4根线传输信号，长期运行会遇到同步漂移等的问题。如果作为正式安全播出频道，一定会成为一个负担。4 x 3G系统先进性不高，没有技术上的创新，系统也过于复杂，尤其在总控环节基本不可接受。
12G SDI技术在演播室、转播车等现场制作环节，尤其是在轻量化4K现场制作场景中发展很快。12G SDI信号架构可完全回到了目前大家熟悉的单线SDI同轴模式。SDI信号的传输不经过压缩环节，没有处理时延；不经过IP网络，不受网络时延等问题的影响。12G SDI的成熟产品已经有大量供货，包括切换开关、切换台、画面分割器，矩阵也可以到144x144以上规模。
随着4K超高清电视制播系统的不断发展，12G-SDI作为一种使用简单、连接方便的传输方式得到了越来越多认可。布线和安装方式，与目前广泛使用的HD-SDI线缆相同，可以遵循和延续已经习惯的布线与安装方式。信号连接数量减少4倍，电缆连接和布线系统设计大为简化。由于消除了布线的复杂性，线缆的总重量减轻，信号连接可能出现的故障点也减少了。目前传输数据量巨大的8K非压缩信号(48G)，可采用4 x 12G SDI电缆方式来传输。
二．数字视频电缆的结构、技术指标
1.数字视频电缆的结构
数字视频电缆是指传输系列SDI串行数字视频信号的实芯铜导体同轴电缆，其结构如图1所示：
图1 数字视频同轴电缆的结构
中心内导体主要为实心裸铜线。采用实心导体具有更稳定的特性阻抗和回波损耗。信号传输包括沿着导体中心进行的低频传输和由于集肤效应而沿导体外表面进行的高频传输。之所以用铜做导线是由于铜有很强的导电性。它同时具有良好的物理特性,如强度、柔性和抗挠寿命等。绝缘(介电材料)由实心或高密度发泡聚乙烯制成。绝缘是将电缆中的内、外导体从物理和电气角度进行隔离。独特设计的发泡聚乙烯增强了耐冲击性能，可以防止导体移动。冲击和导体移动都会引起特性阻抗的改变，从而造成回波损耗的增加。外导体有双重作用，它既作为传输回路的一根导线，又具有电磁场屏蔽作用。电缆屏蔽层的功用就像一个法拉第护罩。数字视频电缆采用双层网状屏蔽（箔层加网状的屏蔽设计）。网状屏蔽对于低于10MHz的频率非常理想，而箔层屏蔽在高于此频率的情况下效果好。绝缘护套是电缆线最外面的保护层。
2.数字视频电缆的技术指标
GY/T 224-2007《数字视频、数字音频电缆技术要求和测量方法》对数字视频同轴电缆的规格进行了划分，分为RG11、RG6、RG59、MiniRG59、RG179等。其中应用广泛的RG6数字视频同轴电缆的技术指标要求如表１所示。
针对4K超高清电视信号的12G-S DI、6G-S DI、 3G-SDI数字视频传输，在衰减常数中将增加6GHz、3GHz的要求；在回波损耗中将增加到12GHz的要求。
在GY/T 224-2007《数字视频、数字音频电缆技术要求和测量方法》附录中列出了数字视频传输参考距离。
表2中的数值是在1/2时钟频率下信号衰减不超过下面所列数值的情况下得出的距离：
● 衰减=30dB(270Mb/s）；● 衰减=20dB(1.485Gb/s）。
不同精度接收设备的实际传输距离会有所不同。对于高精度的接收设备，实际传输距离可能远远超出表2中所列距离，应以接收时不发生误码为准。
针对4K超高清电视信号的12G-S DI、6G-S DI、 3G-SDI数字视频传输，将增加相应的传输参考距离。
三．有关数字视频电缆的重要参数指标
对于数字视频电缆的测量，重点要关注的是回波损耗、特性阻抗、衰减常数等，特别是回波损耗。电缆的回波损耗与电缆的损耗、衰耗有着不同的含义，易被混淆和误解。
1.回波损耗
（1）定义
“回波损耗”（Return Loss）又称“反射损耗”，是衡量设备间阻抗匹配程度的一项重要指标。当通道两端设备阻抗匹配良好时，反射波能量很小，或者说对反射波的能量损耗很大。在终端匹配的情况下，都能得到最大的能量传输；否则，必有部分能量以反射波形式出现。为了衡量因不匹配造成的反射波对传输信号的影响，可用反射损耗ρ来描述，即：
ρ=20㏒ A1/A2 dB
式中，ρ为反射损耗；A1为入射信号幅度的峰峰值；A2为反射信号幅度的峰峰值。反射损耗为以分贝为单位表示的输入电压与反射电压之比。此外，驻波比是反射系数的函数，反射系数描述了从系统末端反射的功率，也是回波损耗的另一种表示。
在频域中，任一频率f处的阻抗Z(f)，相对于特性阻抗Z0的反射损耗
ρ=20㏒10 | (Z0 + Z(f))/(Z0 - Z(f))|dB
电视设备或视频通道作为一个单元，在相互连接的输入、输出点上对地不平衡阻抗的标称值应为75Ω。此时
ρ= 20㏒10 | (75 + Z(f)）/（75 - Z(f)）|
当终接Z(f)=75(即匹配)时，ρ=∞；当终接Z(f)= 0(即
短路)或Z(f)=∞(即开路)时产生全反射，ρ=0dB。
由此可见，回波损耗(反射损耗)绝对值越大越好。回波损耗的值在0dB到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。
现实中，由于端口间阻抗的不匹配，任何输入输出信号都会被输入或者输出端反射一部分，反射波会与正向波叠加而恶化正向波形，因此必须设计好整个链路的阻抗匹配以降低反射，在12G SDI高速信号传输时尤为重要。为保证传输链路可靠性，优质的数字视频电缆在工作频率要有回波损耗的余量，来弥补连接器、线缆、转换设备、接插板，以及线缆安装或铺设方法不正确等导致的回波损耗指标的劣化。
（2）回波损耗的指标要求
从电缆的各项质量参数来看，回波损耗的高低是最能反映电缆整体质量的。对“反射能量”损耗的大小，数值越大说明匹配越好。回波损耗是由电缆或相关连接部件(如BNC连接器)的结构阻抗变化引起的信号衰减。这些变化导致信号的某些部分反射(返回)到源。在较低的频率，回波损耗是一个小的影响;在超过50兆赫的频率下，可以对信号性能和传输距离产生重大影响。对于高带宽(如超高清)的信号和由此产生的高频率，它可能是一个关键因素。
4K和8K信号具有较高的数据速率和时钟频率，电缆、 BNC连接器的阻抗偏差都对回波损耗的较明显影响。在视频信号传输时，因为不良电缆、不良连接器或不正确的安装方式都会使线缆产生变形，引起回波损耗问题的发生。
模拟系统（6MHz带宽）情况下的回波损耗一般要大于34dB。
在270Mb/s SDI情况下，SMTPE 259M中规定:回波损耗要大于15dB（5MHz—270MHz）。
在1.5Gb/s SDI情况下，SMTPE 292M中规定:在5MH z—742.5M Hz区间，回波损耗要大于15dB；在742.5MHz—1.485GHz区间，回波损耗要大于10dB。
在3Gb/s SDI情况下，SMT P E 424M中规定:在5MH z—1.485GHz区间，回波损耗要大于15d B；在1.485GHz—2.97GHz区间，回波损耗要大于10dB。
在6Gb/s SDI情况下，SMPTE ST 2081-1中规定:
在5MHz—1.485GHz区间，回波损耗要大于15dB；
在1.485GHz—3GHz区间，回波损耗要大于10dB；
在3GHz—6GHz区间，回波损耗要大于7dB。
在12Gb/s SDI情况下，SMPTE ST 2082-1中规定:
在5MHz—1.485GHz区间，回波损耗要大于15dB；
图2 回波损耗（12G）
在1.485GHz—3GHz区间，回波损耗要大于10dB；
在3GHz—6GHz区间，回波损耗要大于7dB；
在6GHz—12GHz区间，回波损耗要大于4dB。
SMPTE ST 2082-1标准中要求发生器和接收器电路应按照表3中所列举的参数与符合图2图形的回波损耗。
在24 Gb/s SDI情况下，SMPTE规定:
在5MHz—1.485GHz区间，回波损耗要大于15dB；
在1.485GHz—3GHz区间，回波损耗要大于10dB；
在3GHz—6GHz区间，回波损耗要大于7dB；
在6GHz—12GHz区间，回波损耗要大于4dB;
在12GHz—24GHz区间，回波损耗要大于2dB。
图3 回波损耗（24G）
24G SDI接口要求发生器和接收器电路应按照表3中所列举的参数与符合图3图形的回波损耗。
（3）回波损耗的指标测量
测量数字视电缆的回波损耗、特性阻抗等指标可使用网络分析仪来测量。回波损耗的测量步骤如下：
a.设置网络分析仪的相应参数，对网络分析仪进行校准；
b.将被测电缆的一端连接至网络分析仪上，另外一端接75Ω标准匹配电阻；
c.在网络分析仪上选取所需频率范围5MHz至850MHz及850MHz至2250MHz，记录在该两个频率范围内产生最大反射的值，取绝对值作为回波损耗的测量结果。
2.衰减常数
同轴电缆的衰减特性用衰减常数来表示，即：单位长度（如100m）电缆对信号衰减的分贝数。信号频率越高衰减越大，衰减常数越大,反之亦然。
在GY/T 224-2007《数字视频、数字音频电缆技术要求和测量方法》标准中衰减常数根据不同的电缆规格以及I类和II类划分。其中135MHz和750MHz对于数字视频电缆是关键频点。如：RG11的I类在135MHz的100米衰减要小于等于5.3dB，在750MHz的100米衰减要小于等于12.5dB。
测量衰减常数这一关键指标可使用网络分析仪来测量。回波损耗的测量步骤如下：设置网络分析仪的相应参数，对网络分析仪进行校准；在被测电缆上随机截取100m测量样品，连接至网络分析仪上；用频标选择频率，记录各频率下100m电缆衰减常数的数值。
系列SDI标准中，分别提出在半时钟频率下接收器的输入电缆损耗的典型值(设计用于更大或更小信号衰减的接收器是可以接受的)。各标准的典型值如下：
● 衰减=30dB （270Mb/s SMPTE ST 259）
● 衰减=20dB （1.485Gb/s SMPTE ST 292）
● 衰减=20dB （3Gb/s SMPTE ST 424）;衰减=40dB（3Gb/s SMPTE ST 425）
● 衰减=40dB （6GGb/s SMPTE ST 2081）
● 衰减=40dB （12Gb/s SMPTE ST 2082）
表4 串行数字视频信号通过百通数字视频同轴电缆的传输参考距离
不同精度接收设备的实际传输距离会有所不同。对于高精度的接收设备，实际传输距离可能远超出表4中所列距离，应以接收时不发生误码为准。B&P