数字电视转换设计指南(Ⅱ)

2005-03-11 美国安维信公司(NVISION Inc.) 依马狮网

本讲我们讨论信号分配。

    一．SDI信号
    被SMPTE和ITU标准描述为串行数字接口的SDI已经存在许多年了，市场上也有了许多提供实用接口的成熟产品。SDI标准允许143、177、270和360Mb/s的数据率共享此公共接口。为SDI提供的分配放大器、矩阵切换台、插线架和同轴电缆应能处理所有这些数据率。不过，这并不始终成立。SDI标准和接口技术经过了多年发展，早期产品设计往往针对特定的数据率。最新产品将足以通过143到270Mb/s的数据。由于并非所有电缆均衡器和重复计时装置都工作在360Mb/s，需提供此数据率时要小心。自然，可用的最大电缆长度由数据率、电缆质量和接收机种类决定。
    NVISION 4000系列分配放大器设计时采用最新的零部件，并且保证在全部SDI数据率都能工作。SD4110是一种带自动电缆均衡的简单的八输出扇出DA。SD4111增加了重复计时功能，适用于那些要求更长电缆和更高抖动耐受性的设施。
    常常需要在比一根同轴电缆实际长度更长的距离上传输SDI信号，在通路上作为信号中继器的重复计时DA可以实现此目的（图1）。不过，采用中继器并不总是实际可行的，因此极好的一种选择是通过光纤链路传输信号。过去，这样的链路安装非常昂贵，而且未必无瑕疵地处理所有可能的信号内容。NVISION设计了恰当的技术性能和可负担性相结合的新一代光纤转换设备。这些产品的信息、其应用及光纤的一般用途在第七讲讨论。

图1 把SD4111重复计时DA用作中继器

专为SDI而设计的现代矩阵切换台应能通过全部数据率。不过，购买前检查数据率不失为一个好主意。如果你正在建造一个有长电缆的系统，必须清楚许多矩阵并不提供重复计时，可能需要增加重复计时DA。如果你需接受混合的数据率和场/帧频，你的选择是有限的。第四讲专门讨论矩阵切换台及管理多种信号问题。

    二．抖动、反常内容和极化
    一般来说，SDI信号不受那些损害原先模拟信号的中断原因之影响。微小的电平波动、共模干扰、信号极化和感应干扰对SDI信号的接收能力影响很小或根本没有。不过，传输线路导致的抖动或时钟不稳定性可在接收机引起误差，表现为非经常的误码（像素丢失或闪烁）到完全接收不到信号。
    应该密切注意避免传输线路抖动，采取的措施有：保证选用高质量同轴电缆，电缆长度保持在厂家推荐的范围内，接线架和终端阻抗恰当。市面上仍有一些用于视频应用的接线架和终端连接器，其标称阻抗为50Ω。如果使用它们，由于传输线路和时钟抖动的累积，将导致仅在某些通路中才有显而易见的抖动。辨别此问题的源头可能非常困难。
    串行数字接口开发出来时，有必要加扰数据以消除重复的1或0数据模式，此模式可能导致直流电平短暂漂移。如果出现一个大的直流电平漂移，可能降低接收机恢复信号数据的能力。为此，在串行器设计中包含了一个9比特多项式滤波器。在那个时候视频取样为8比特深度，因此可以有效加扰信号消除任何重复的模式。
    当取样深度变为10比特时，两个特殊的亮度和色度值组合使9比特加扰器产生由一个1和19个0，或两个1和18个0组成的一个数字串。这两串数字被称为反常值。由于这些取样理论上需要一直重复而引起大的直流漂移，因此SDI标准维持不变。在大多数情况下，重复的反常取样不应导致误码。不过，设计拙劣的接收机可能把这些信号转换为可视的误码或闪烁。（EQ应力和PLL应力为反常测试信号。检验信号组是一个分裂的测试信号组，前半组是EQ应力，后半组是PLL应力。）
    SDI数据流是NRZI（倒转不归零）编码，NRZI编码为电路设计者提供在电路设计中使用差分放大器正负输出的能力，这大幅减少元件数，因而降低了产品成本。辨别设计内哪些通路信号倒置并非惯例。

    三．ASI和SDTI
    传输复用的压缩视频数据包、DVB-ASI和SDTI的标准已经确定。这些方案允许多个视频信号以270或360Mb/s在一个SDI型线路上传输。SDTI遵循与SDI相同的信号协定，可以由标准SDI产品传输。
    类似地，ASI也能通过标准SDI分配方式传输方面很相似，不过，ASI是NRZ（不归零）编码，不能倒置。这为处理ASI数据的系统设计者提出了一点难题，原因在于几乎所有SDI产品都采用差分放大器。系统设计者如果不钻研原理图，往往不能分辨哪些通路是倒置的。这意味着，即使有6、8或10个输出的低级DA，其可用输出也减少到3、4或5个，因此在它们是哪些种类的输出方面机会是均等的。
    所有NVISION SDI产品在设计时，在有倒置的地方都清楚地标识了倒置通路，并且给予主信号通路特别关注以保证其中无倒置，这使包含ASI信号的系统设计非常直接明了。

    四．HD-SDI和HD-SDTI
    HD-SDI和HD-SDTI基本上是带宽高得多型式的SDI和SDTI，码率极高（1.5Gb/s），因此需要给予比处理SDI和SDTI大得多的关注。在HD-SDI数据率，时钟稳定性、传输线阻抗和回波损耗变得非常关键。电缆类型和长度、物理终端的质量（BNC连接精度），以及选择的插线架和终端连接器，在建立一个无误码系统中都是关键因素。在1.5Gb/s，短截电缆和短未屏闭导线都可能变为大反射体和误码引起的抖动源。接收机设计中不良的回波损耗可能反射回发射设备内，产生节目停顿误码。
抖动是HDSDI系统中最普通的误码原因，而且并非所有产品都具有相同的减少或克服这些误码的能力。SMPTE 292M规定输出抖动不应超过134ps。我们对各种HD-SDI传输设备的测试表明目前存在的许多产品产生的抖动水平并不总是在SMPTE 292M规格之内。如果这些信号累积传输通路中少量的附加抖动，将可能导致误码。
    通过对各种HD-SDI信号源的眼图测量，可以注意到抖动电平超过SMPTE规格。我们发现大多数包含双或多输出的输出设计可能呈现增加的抖动电平。
    如果未用输出没有端接，这些未用输出可能轻易地成为将返送回输出放大器的反射源，除非此输出放大器有合适的负载。重复计时要求使用带有精确振荡器的锁相环路（PLL）。在1.5Gb/s，设计一种有足够低抖动电平的振荡器相当困难（在任何频率都始终存在某一水平的时钟不稳定性）。使时钟抖动最小是设计一个有效的重复计时器的关键。此外，并非所有设计都是相同的。我们曾测试信号通过一个著名厂家的重复计时HD-SDI分配放大器前和后的测量结果，发现输出抖动超过SMPTE规格。