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四．数字视频电缆“两端”
尽管SDI视频信号被编码为数字数据流，在传输过程中它与模拟信号有着同类型的失真（如高频损耗）。典型的SDI 传输方案是由均衡器、线缆驱动器、重定时器、交叉开关矩阵等组成，其中均衡器、线缆驱动器是基础的SDI 传输输入与输出环节(如图4）。
图4 基础SDI传输输入与输出环节
SDI信号的高频成分经过 PCB 走线或者电缆传输后相对于信号的低频成分会被衰减得更多，它会破坏高速信号的信号完整性，使其眼图关闭并增加信号抖动。均衡器、预加重器、去加重器可补偿传输线频率响应的不平坦性。通常预加重器和去加重器用在高速数字信号传输的发射端，均衡器用在接收端，但在SDI链路中只在接收端采用均衡器，且一般是自适应均衡器，而在发射端不采用预加重或去加重，因为SDI设备间可能通过用户定义的任意长度的同轴电缆来连接，任意一个固定的均衡或者预/去加重值都无法灵活地满足各种电缆长度，且业内还没有自适应的预加重器和去加重器。另外，SDI设备必须即插即用，不允许在应用现场手动设置合适的均衡值来得到最佳的电缆传输特性。因此只有自适应均衡器是理想方案，自适应均衡器可以自动检测信号质量而相应的设置最佳的均衡值而得到最佳的传输通道频率响应。电缆自适应均衡器能够补偿因信号沿电缆长度的幅度衰减和频响变差而造成的信号损耗和相移。
SD线缆驱动器用来加强对线缆的驱动能力，提供标准的800mV峰峰值输出电压，没有预加重和去加重功能。 SDI重定时器是用来自动检测输入信号类型，调整自身的PLL和CDR电路而恢复和整形出低抖动的时钟，再重新定时发送出接收到的SDI信号，以降低SDI信号的抖动。虽然均衡器也可以降低SDI信号的抖动，但它和重定时器是两种完全不同的器件，两者不可相互替代。均衡器的作用是通过增加高频增益使传输通道频率响应趋于平坦来改善眼图和信号抖动，而重定时器则是通过PLL和CDR来抑制和降低累加噪声。如果SDI传输通道很长或者传输过程中被其他噪声和干扰恶化，仅有均衡器还不足以改善信号的质量，此时在均衡器输出端再串接一个重定时器是一个理想的提高SDI信号质量的方案。
1.均衡电路
均衡器可补偿因电缆长度造成的信号损耗，并可重建信号幅度。均衡量一般可在电缆长度0—400m范围自动调整。在135MHz补偿量达到30dB（270Mb/s）。在实际中，均衡量大多都以能够均衡多少米电缆（要标定电缆型号和适用标准）为准。
通常标定电缆为BELDEN 1694A。同等条件下，长度越大均衡性能越好。例如：某切换开关，输入特性标明的是：可均衡100m 的BELDEN 1694A（在1.5Gb/s条件下）的电缆衰耗 ；而另一型号的切换开关标注的是可均衡120m的BELDEN 1694A（在1.5Gb/s条件下）的电缆衰耗。
图6 均衡频响图
以Gennum的GS9024均衡器为例，功能框图如图5所示、均衡频响图如图6所示。其均衡量可在电缆长度0—400m范围自动调整，在200MHz高达40dB。
GS9024的主要特点如下：
· 遵从SMPTE259M标准协议，可对270Mb//s的信号进行自动电缆均衡；
图 7功能框图
· 可均衡400m Belden 1694高质同轴电缆，具有电缆长度指示功能；
GS12341是一种多速率重锁电缆均衡器，支持速率高达12G-SDI。该设备支持12G-SDI、6G-SDI、3G-SDI、 HD-SDI和SD-SDI信号。除了标准的SMPTE速率，该设备还支持重新定时DVB-ASI的270Mb/s和125Mb/s的MADI(功能框图如图7所示)。因为SDI经过cable长距离传输后,造成讯号衰减或反射所导致数位串列讯号的眼图无法张开,GS12241有Adaptive Cable EQ功能可以补偿讯号,让眼图能够打开。在经过Re-clocker后,重新对讯号做取样以将Jitter经过滤除,Re-clocker后会同时输出到两个Trace Driver。
– EQ模式电缆传输距离（Belden 1694A）：
– 11.88Gb/s 时为80m
– 2.97Gb/s 时为190m
– 1.485Gb/s 时为260m
2.线缆驱动器
SDI线缆驱动器用来加强对线缆的驱动能力，提供符合SDI系列标准的800mV峰峰值输出电压摆幅，没有预加重和去加重功能。串行信号的测量主要采用定性测量的眼图分析方法。眼图是示波器上累积的一系列数字信号的图形，如图8。从眼图中可以观察到码间串扰和噪声的影响，反映数字信号的整体特征，并可直接观察眼图的形状来判断信号的质量。
图 8眼图
表5 对HD信号的线路驱动器特性有详细描述和规定
在GY/T 157-2000《演播室高清晰度电视数字视频信号接口》对HD信号的线路驱动器特性有详细描述和规定。如表5所示:
注
1 在信号的半幅度点测量。
2 在75Ω负载电阻上，通过1米长同轴电缆测量信号幅度。 3 在频率范围5MHz-742.5MHz。
4 在频率范围742.5MHz-1.485GHz。
5 此参数是在75Ω负载电阻上，测量20%-80%幅度点之值，上升沿和下降沿的过冲必须小于标称幅度的10%。
6 1UI=673ps，0.2UI=135ps。
在ITU-R BT.2077-2建议书中对6G、12G、24GSDI的线路驱动器特性有详细描述和规定。这些规定用于测量源自并行域信号的一个信号源的串行输出。发生器的输出应通过一个75欧姆电阻负载进行测量，该负载通过一米同轴电缆和75欧姆BNC连接器连接，满足相应规定的要求。图8描述了振幅、上升时间和过冲的测量尺寸。发生器应具有不平衡输出电路，源阻抗为75欧姆，并应符合相应的回波损耗要求。
峰值对峰值信号幅度应为800mV±10％。由信号的中间振幅点定义的直流偏移应标称为0.0V±0.5V。
对6G接口，在20％振幅点和80％振幅点之间确定的上升时间和下降时间应不大于80ps，且相差不应超过30ps。
对12G接口，在20％振幅点和80％振幅点之间确定的上升时间和下降时间应不大于45ps，且相差不应超过18ps。
对24G接口，在20％振幅点和80％振幅点之间确定的上升时间和下降时间应不大于28ps，且相差不应超过8ps。
表6 抖动规范
波形的上升和下降边沿的过冲不应超过10%幅度。
由于信号在水平行存在大的直流分量（病理应激信号）引起的输出幅度偏摆，不应超出平均峰值对峰值信号包络之上或之下50mV。
SDI信号传输时需特别关注抖动这一问题。周期信号波形的时序偏差称为抖动。对于SDI等串行数据信号，由于参考时钟信号的偏差、同轴电缆或设备之间的连接引起的反射、直流和高频分量的损耗、设备本身或外部噪声的影响，会产生抖动。在最坏的情况下，这种抖动会导致时钟数据恢复出现错误，导致SDI信号出现噪声或信号传输失败。在符合ITU-R BT.2077-2建议书第3部分的情况下，数据信号转换定时的抖动应具有表6中所示的值。1 UI对应于1/fc。抖动规范和抖动测量方法应遵从ITU-R BT.1363建议书—符合ITU-R BT.656、ITU-R BT.799和ITU-R BT.1120建议书的位串行信号的抖动规范和抖动测量方法。
五．12G-SDI等信号传输实验
工程师们通常使用眼图来分析串行数字信号，从中可以发现信号传输中的各种问题。超高清、高清波形监视器中的眼图测试功能可分析串行数据信号并检查传输系统中的故障。眼图是传送数据的模拟信号的示波器显示。为形成眼图，要利用参考时钟信号将仪器调整到等效的时间取样段。参考时钟是波形监视器从数据信号中提取的。测量仪器以相等的时间间隔对数据流取样，当这种取样段的数量足够多时，它们叠加在一起就形成了眼图图形。利用眼图显示可测量的基本参数有：信号幅度、过冲、上升时间和下落时间。
表7 L-3.3UCHD、L-5.5UCHD线缆的推荐衰减特性(dB/100m)
北京广播电视台的技术人员对部分4K电缆进行了12G-SDI信号传输初步测试。测试选用L-3.3UCHD、 L-5.5UCHD两款电缆进行了12G-S DI信号（SMP TE 2082）的传输实验。主要试验设备为波形监视器(带12G-SD信号发生模块) Leader LV5490、SONY超高清监视器、ROSS SRA-8901-10超高清数字视分。采用12G-SDI信号点对点测试的方法，在线缆一端使用Leader LV5490输出12Gb/s-S DI标准超高清测试信号，另外一端连接ROSS SRA-8901-10超高清数字视分输入。使用LEADER LV5490测试仪器连接ROSS SRA-8901-10超高清数字视分输出进行测试，对常用参数进行读取，如图9所示。参数为幅度、定时/校正抖动、上升/下降时间。最长可用电缆长度测试按照整卷200M进行测试，然后逐步缩短测试线缆进行测试，并且对厂商推荐的最长可用长度进行重点测试。 L-3.3UCHD、L-5.5UCHD线缆的推荐衰减特(dB/100m)如表7。
图9 测试框图
根据初步测试（表8），ROSS SRA-8901-10超高清数字视分板卡在使用L-5.5UCHD电缆的情况下，可均衡传输 12G-SDI信号的距离为92米。对于不同精度的超高清数字视分板卡，传输距离会超出或者低于这一距离。在传输信号时，可适当留些衰减余量，如2-3dB。
表8 L-5.5UCHD线缆测试参数
六.实际应用中需关注的事项
为确保工程的安装质量，对于12G SDI 信号这样有着很高的数据传输速率的数字信号而言，要认真注意数字视频同轴电缆的工程安装工艺。在安装电缆的过程中，应避免不正确地打褶、扭曲、弯曲电缆或者对电缆施加不适当的应力，这样才能使信号沿着电缆顺利地传输。在安装期间，为了确保每一链路的传输性能以及确保每一设备均符合其技术规范，必须进行简单的测试和测量，最好的方式当然是使用一款带有眼图和抖动测量功能的波形监视器。
安装数字电缆时一定要格外小心。不恰当的操作、拖拉和安装技术都可能导致电缆变形，进而引起回波损耗问题。如线缆敷设密度过大，线缆在管线内、特别是弯角部位相互挤压，造成线缆变形从而造成线缆的传输性能特别是回波损耗性能下降。一般填充率在30%左右、线槽填充率50%左右。
在链路设计与实施时，工程师需重视BNC 连接器、跳线盘、BNC端子板的性能与品质，特别是针对12G SDI信号的传输。12G SDI信号的传输时，每个优质BNC 连接器的衰减量约为0.1dB，每个优质跳线盘的衰减量约为2dB。针对12G SDI信号的传输,需要更加注意SDI接头(连接器）。
图10 BNC、MicroBNC
目前，12G-SDI接头(连接器）主要有两种：BNC、 MicroBNC（见图10）。BNC的相关国际标准包括：国际电工委员会标准IEC 61169-8,日本工业标准JIS C 5412等。MicroBNC还没有统一的国际标准。随着芯片技术的不断发展，4K SDI基带信号传输距
离也在不断提高。百通近期推出基于4K信号传输解决方案的全新同轴缆——4794R，采用高密度氮气发泡绝缘材料，和自主研发的镀银导体，成功使得衰减性能提高，在12GHz带宽下传输距离达到98米，同时亦保证了回损符合标准，与SMPTE标准相比还拥有8-11dB的冗余性能（如图11所示）。4794R使用专利Bonded Foil技术制作三层屏蔽，达到目前为止最高的屏蔽效率。其外护套外径仅有8.13mm，展现了在单根同轴电缆上实现了4K信号传输距离的最大化，同时降低了重量和空间占用。
图11 4794R冗余性能
七.8K SDI传输
2021年除夕，中央广播电视总台对央视春晚进行直播，全球首次将8K超高清电视信号传送到北京、上海、深圳、成都、杭州、青岛等9个城市的30多个超高清大屏及8K电视机。2022年1月24日CCTV-8K超高清频道正式开播，“百城千屏”公共大屏项目同时启动。北京冬奥会期间，首次采用8K视频技术直播开幕式和重要的体育赛事转播。2021年12月31日，全国首个向广大观众提供 8K 服务的频道——北京广播电视台冬奥纪实8k超高清试验频道正式开播。
8K HDR信号的视频信号格式为 7680×4320/50p,HL G/1000nit,10bit, BT.2020 色域。目前，未压缩的8K基带信号传输主要有如下两种方式：
A.传输数据量巨大的8K非压缩信号(48G)，采用4 x 12G SDI方式来传输。
B.按照SMPTE-2110-20标准，采用4个12Gb/s的视频IP组播信号流方式实现8K超高清信号传输。
1.4*12G模式
早期8K摄像机拍摄输出的8K信号有通过CCU输出16个3G-SDI信号的做法。目前，处理未压缩的8K视频数据的主要方法是将其分成4个12G SDI信号，原因是8K视频带宽远远超出了一根电缆上的传输能力。优质的12G SDI电缆可有效传输约100米距离，因此处理未压缩的8K基带信号可有效传输约100米。基本可以满足机房内的8K设备之间的信号传输。
正如前几年厂家的4K超高清处理设备采用4x3G方式， 4x12G方式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。
2.JPEG XS与SDI技术结合模式
JPEG XS标准于2019年9月在IBC 2019上正式确定。JPEG XS核心编码系统采用离散小波变换(DWT)，然后对4个连续系数组的幅值水平进行熵编码，实际系数值采用原始编码。JPEG XS通常提供10:1的压缩，但延迟非常低（~1毫秒，而JPEG2000为~60毫秒）。JPEG XS是8K信号高效传输的可靠保证。
目前JPEG XS标准的主要专利持有者是 Fraunhofer （德国）和IntoPix（比利时）两家公司。在JPEG-XS 官网上给出了三种标准的专利授权模式，分别为：
模式1：按编解码实例/设备授权。价格为每路4K/5美元，8K/9美元。模式2：按时间订阅付费。价格为每年每路4K/2.5美元，8K/4.5美元。
模式3：按使用时长付费。价格为每小时每路4K/8美分，8K/32美分。
附加条款：当前价格固定到2025年，每5年增加不超过20%。单个公司基于研究测试使用有免授额，总价100美元以下免费授权，超过100美元则需要缴 纳专利授权费用。
如图12所示，将12G SDI或者6G SDI技术与JPEG XS技术相结合，实现高效、高质量的8K超高清电视基带信号的传输。
图12 超高清传输方案
八．结语
随着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越来越多认可。 随着电缆制造工艺、芯片技术的不断发展，12G SDI传输距离也在提高。12G SDI工作流程像HD SDI一样简单，提供一个非常强大和灵活的基础设施，12G SDI完全支持当前4K乃至未来的流程(SMPTE 24G SDI标准)。同时，SDI传输与IP传输可充分发挥各自的优势而形成互补模式，构建SDI/IP解决方案，更好地服务于超高清等各类清晰度的视频制播系统。
笔者将对《数字视频、数字音频电缆技术要求和测量方法》标准进行修订，增加支持用于传输4K超高清电视信号的12G-SDI、6G-SDI、3G-SDI数字视频电缆的技术要求和测量方法等内容，同时探索8K超高清电视信号的可靠传输解决方案。以期为相关产品的研发、生产和应用提供统一的规范，填补了国内相关领域的空白，进一步在融媒制播网络、广播电视中心建设等中发挥重要的指导作用。B&P
（全文完）
参考文献
[1] 《数字视频测量应用技术》 陈善栘 主编
[2] GY/T 224-2007《数字视频、数字音频电缆技术要求和测量方法》
[3]ITU-R BT.2077-2建议书 《UHDTV信号的实时串行数字接口》