我们考察了各种帧频下的1080p,包括我们知道使用ATSC DTV广播系统当前无法传输的1080p/60(59.94)fps。虽然支持它的设备很少,但对1080p/60作为未来的一种扫描格式的兴趣还是非常高,以至于制定了一个适应它的SMPTE接口标准。这是一个高速的世界,挑战当前技术的极限。
使之工作
我们知道,10比特的1920×1080i/29.97 fps、4:2:2分量视频产生约1.243Gb/s的数据率。此信号在对1/1.001变体有约1.4835Gb/s的额定数据率的SMPTE 292M HD-SDI内传输。1920×1080p/59.94 fps具有与1080i/29.97一样的水平像素数和垂直行,而帧频加倍,因此它产生的数据率是1080i/29.97的2倍,或约2.5Gb/s。此424M接口工作频率是292M接口的2倍。424M接口的接口频率约2.94GHz。
传输1080p/59.94信号的一种方式是并行使用两个292M接口。424M接口实际上是一种“虚拟的”双292M接口。10比特视频数据字首先被安排进两个并行数据流。两个虚拟码流的数据字然后通过时分复用被转换为一个携带一个来自第一数据流的字,接着是一个来自第二数据流的字,周而复始。
同轴和光纤接口都被指定用于424M接口。由于涉及的频率,某一适用于这种接口的电缆的有效长度约为292M接口的一半。实际长度取决于电缆的质量和尺码,但为了工作于3Gb/s需要仔细规划,较小的电缆用于较短的距离,而较大的电缆用于较长的距离,以便使总电缆捆尽量小。最长的距离需要光纤接口,这具有性能和成本的含义。
抖动性能
3Gb/s接口产生抖动性能问题。抖动被定义为一个定时信号的有效瞬间与其理想位置在时间上的差距。它实际上相当于信号的相位调制,因此上升沿和下降沿之间的时间间隔随时间变化。这意味着上升和下降沿并不始终在我们希望的理想位置。如果我们可以实际看到这些信号并随时跟踪它们的活动,我们会发现它们的上升沿和下降沿在时间轴上来回移动。
我们用眼图观察抖动,眼图显示数据信号的先后顺序,数据信号由一个同步时钟信号或一个分级同步时钟信号触发,互相叠加。如下图所示,随着相位变化,前沿和后沿在时间轴上来回移动,如同箭头指示。数据信号健康时,表现为有圆角及有点倾斜的上升和下降沿的方波形式,而整体显示外观则有点像眼睛。
眼图为我们显示数据信号的许多方面,包括上升和下降时间、过冲、频率响应等,但我们注意对抖动显示感兴趣。如果无抖动,重叠的上升(和下降)沿会全部整齐地落到彼此的上边,在显示器上形成一条细线。因为它们没有整齐地落在彼此的上边,上升(或下降)沿边线在时间轴上水平模糊,令它们在显示器上描绘的线条变粗。抖动程度越厉害,由边沿界定的线条越粗。线条越粗,眼图闭合越多,解码器决定某一比特是为1还是为0就越来越困难,因此成功解码信号也越来越困难。
某种程度的抖动的影响取决于信号频率,因此抖动通常以单位间隔表示。一个单位间隔为一个比特时间或一个比特的持续时间,为频率的倒数。对于SMPTE 259M SDI,额定接口频率为270Mb/s(270×106b/s)。一个单位间隔是270Mb/s的倒数,或3.7ns,或为了比较,表示为3700ps。对于SMPTE 292M,HD-SDI接口(1/1.001变体),额定接口频率为1.4835Gb/s(1.4835×109b/s)。一个单位间隔为此频率的倒数,即0.67ns或670ps。对于424M接口,额定频率为2.97Gb/s(2.97×109b/s)。一个单位间隔为此频率的倒数,即0.34ns或340ps。
抖动分类
抖动有一种以上,抖动分类取决于抖动频率。对于SMPTE标准,定时抖动有10Hz的下限。10Hz以下频率的抖动分量称为漂移,而由于视频设备一般能跟踪这些缓慢的变化,SMPTE标准中不提漂移。
校准抖动是频率高于一个与时钟恢复过程的典型带宽有关的频率阈值的抖动,此阈值取决于接口频率。对于259M SDI信号,校准抖动的下阈值为1kHz的抖动频率:在10Hz和1kHz之间频率的抖动为定时抖动,而在高于1kHz频率的抖动为校准抖动。
对于292M和424M信号,校准抖动的下阈值为100kHz。对于SMPTE 259M SDI信号,定时和校准抖动的最大规格都是0.2UI,或约740ps。对于SMPTE 292M HD-SDI信号,定时抖动的最大规格为1UI,或约670ps。而校准抖动的最大规格为0.2UI,或约134ps。
对于SMPTE 424M 3Gb/s接口,定时抖动最大规格为2UI,或约680ps,与292M接口的定时抖动有大约相同的绝对时间间隔。而校准抖动的最大规格为0.3UI,或约68ps。全部这些规格的测试信号都是一种彩条信号。这些时间间隔到底有多长?光传播1mm大约需3.3ps,可供参照。
可以看到,当我们预期工作于3Gb/s接口时,我们进入一种精妙深奥的环境。事事都变得非常临界且非常昂贵。电缆长度变得如此临界,以至于需要光纤接口。时钟信号必须尽量无抖动。电缆连接器和电缆本身必须没有任何损坏或质量下降。设计和实现3Gb/s系统的所有方面都必须慎之又慎。