摘要

    由于SDI 的高清晰度、傳輸實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢，最初應(yīng)用于專業(yè)視頻廣播領(lǐng)域，近年來正越來越多的被安防領(lǐng)域所采用。但由于SDI 的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)率高，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大等特性，對部分原來采用IP 網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控方案的安防從業(yè)者而言，在設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面還存在一定的難度。為了幫助讀者更全面地了解和設(shè)計(jì)SDI，本文介紹了如何選擇適當(dāng)?shù)腟DI 信號鏈器件，如何設(shè)計(jì)高性能的SDI 信號鏈，介紹了均衡器、電纜驅(qū)動(dòng)器、重定時(shí)器的基本工作原理，PCB 布板和電源設(shè)計(jì)的建議以及TI 在SDI 領(lǐng)域的具體方案。

1. SDI 簡介

    SDI，串行數(shù)字接口，是用來傳輸標(biāo)清、高清、3G高清等無壓縮數(shù)字視頻信號的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前最流行的SDI視頻格式如表1所示。由于SDI具有高清特性，時(shí)延小，還可以重復(fù)利用已布網(wǎng)的模擬視頻電纜等優(yōu)勢，正逐漸地被安防、監(jiān)控等領(lǐng)域廣泛采用。目前市面上SDI相關(guān)設(shè)備主要是SDI延長器、分配器、矩陣、多畫面分割、編解碼器、SDI光端機(jī)、DVR等。

相對于傳統(tǒng)的IP監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，SDI的優(yōu)勢是非常明顯的：

.           在圖像清晰度上SDI有無可比擬的優(yōu)勢

高清不僅僅意味著高的分辨率，還必須在超寬動(dòng)態(tài)、白平衡、信噪比、亮度、對比度、銳利度等方面有優(yōu)秀的表現(xiàn)。IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控視頻由于經(jīng)過編碼壓縮，在上述圖像質(zhì)量、圖像細(xì)節(jié)等方面都遠(yuǎn)不及無壓縮的SDI。

.           SDI傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)

SDI信號的傳輸不經(jīng)過壓縮環(huán)節(jié)，沒有處理時(shí)延；不經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)，不受網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影響。

.          從模擬監(jiān)控系統(tǒng)升級至SDI可以重復(fù)利用已有的布線系統(tǒng)

SDI也是采用同軸75歐姆的電纜和BNC接口，可以方便快捷的從傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)升級至SDI，而無需像IP網(wǎng)絡(luò)那樣須重新布置網(wǎng)絡(luò)，這種特性在模擬監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造中具有巨大的優(yōu)勢，因?yàn)槭┕じ脑霫P網(wǎng)絡(luò)對很多建筑而言是不允許的。

     另一方面，SDI也有缺點(diǎn)，比如現(xiàn)階段成本較高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)計(jì)難度較大等，但隨著SDI被市場逐漸地廣泛采用，上述缺點(diǎn)都會(huì)逐漸弱化。

2. SDI 器件的工作原理及TI 相關(guān)產(chǎn)品簡介

    圖1 是一個(gè)典型的SDI 輸入、輸出和處理的應(yīng)用框圖，TI 能夠提供相應(yīng)的全套SDI 傳輸方案，它們分別是均衡器、線纜驅(qū)動(dòng)器、重定時(shí)器、交叉開關(guān)矩陣、視頻時(shí)鐘、顯示驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)和電源。

圖1 典型的SDI 應(yīng)用

2.1  均衡器

    信號的高頻成分經(jīng)過PCB 走線或者電纜傳輸后相對于信號的低頻成分會(huì)被衰減得更多，此現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)，它會(huì)破壞高速信號的信號完整性，使其眼圖關(guān)閉并增加信號抖動(dòng)。為了補(bǔ)償趨膚效應(yīng)，人們發(fā)明了均衡器、預(yù)加重器、去加重器來補(bǔ)償傳輸線頻率響應(yīng)的不平坦性。圖2 是一種傳輸線和均衡器的頻率響應(yīng)圖，傳輸線模型在高頻處會(huì)衰減得更多而均衡器在高頻處有更高增益，將均衡器的高頻增益設(shè)置成適當(dāng)?shù)闹?，傳輸線和均衡器串聯(lián)后會(huì)形成在全頻帶內(nèi)大致平坦的頻率響應(yīng)。

    通常預(yù)加重器和去加重器用在高速數(shù)字信號傳輸?shù)陌l(fā)射端，均衡器用在接收端，但在SDI 鏈路中只在接收端采用均衡器，且一般是自適應(yīng)均衡器，而在發(fā)射端不采用預(yù)加重或去加重，因?yàn)镾DI 設(shè)備間可能通過用戶定義的任意長度的同軸電纜來連接，任意一個(gè)固定的均衡或者預(yù)/去加重值都無法靈活地滿足各種電纜長度，且業(yè)內(nèi)還沒有自適應(yīng)的預(yù)加重器和去加重器。另外，SDI 設(shè)備必須即插即用，不允許客戶在應(yīng)用現(xiàn)場手動(dòng)設(shè)置合適的均衡值來得到最佳的電纜傳輸特性。 因此只有自適應(yīng)均衡器是理想方案， 自適應(yīng)均衡器可以自動(dòng)檢測信號質(zhì)量而相應(yīng)的設(shè)置最佳的均衡值而得到最佳的傳輸通道頻率響應(yīng)。

圖2 傳輸線和均衡器的頻率響應(yīng)

    圖3 是均衡器的使用效果圖，可以看出高速SDI 信號經(jīng)過一段電纜或者PCB 走線后眼圖和抖動(dòng)性能被均衡器顯著改善。

圖 3 均衡器的使用效果

TI 提供支持SD、HD、3GSDI 全系列的均衡器，如表2 所示。

表 2 均衡器

   其中LMH0394 是一款極高性能的均衡器，它的競爭性分析如圖4 所示，傳輸距離很長且功耗很低。

圖4 均衡器 LMH0394 競爭性分析

2.2  重定時(shí)器

    SDI 重定時(shí)器是用來自動(dòng)檢測輸入信號類型，調(diào)整自身的PLL和CDR電路而恢復(fù)和整形出低抖動(dòng)的時(shí)鐘，再重新定時(shí)發(fā)送出接收到的SDI信號，以降低SDI信號的抖動(dòng)。 雖然均衡器也可以降低SDI信號的抖動(dòng)，但它和重定時(shí)器是兩種完全不同的器件，兩者不可相互替代。均衡器的作用是通過增加高頻增益使傳輸通道頻率響應(yīng)趨于平坦來改善眼圖和信號抖動(dòng)，而重定時(shí)器則是通過PLL和CDR來抑制和降低累加噪聲。如果SDI傳輸通道很長或者傳輸過程中被其他噪聲和干擾惡化，僅有均衡器還不足以改善信號的質(zhì)量，此時(shí)在均衡器輸出端再串接一個(gè)重定時(shí)器是一個(gè)理想的提高SDI信號質(zhì)量的方案。圖5描述了重定時(shí)器的去抖效果，可見眼圖和抖動(dòng)被明顯改善。

圖 5 重定時(shí)器使用效果

TI 重定時(shí)器產(chǎn)品系列如表3 所示。

表 3 重定時(shí)器系列

2.3  線纜驅(qū)動(dòng)器

    SDI 線纜驅(qū)動(dòng)器用來加強(qiáng)對線纜的驅(qū)動(dòng)能力，提供標(biāo)準(zhǔn)的800mV 峰峰值輸出電壓擺幅，沒有預(yù)加重和去加重功能。TI 的線纜驅(qū)動(dòng)器系列如表4 所示。

表 4 線纜驅(qū)動(dòng)器

3. PCB 布板建議

    SDI 信號比特率最高至2.97Gbps，因此SDI 的信號路徑必須嚴(yán)格按照高頻電路的設(shè)計(jì)方法處理，否則無法得到高質(zhì)量的傳輸性能。SMPTE 協(xié)會(huì)也定制了關(guān)于SDI 信號回?fù)p的指標(biāo)要求，如圖6 所示。為了滿足這個(gè)指標(biāo)，我們必須精細(xì)地設(shè)計(jì)整個(gè)SDI 傳輸路徑以保證阻抗的連續(xù)性，尤其在BNC 連接器的選擇、線纜的選擇、PCB 布局、原理圖設(shè)計(jì)、合適的SDI 器件選擇上需特別注意。

圖 6 SMPTE 規(guī)定的回?fù)p指標(biāo)

    現(xiàn)實(shí)中，由于端口間阻抗的不匹配，任何輸入輸出信號都會(huì)被輸入或者輸出端反射一部分，反射波會(huì)與正向波疊加而惡化正向波形，因此我們必須設(shè)計(jì)好整個(gè)鏈路的阻抗匹配以降低反射，在高速信號中尤為重要。

    回波損耗（Return Loss）或者S11/S22(S 參數(shù))是用來定義回波損耗大小的指標(biāo)， 其中S11/S22 是反射功率與正向功率的比值，它們與輸入輸出阻抗的對應(yīng)關(guān)系如下，

     回波損耗與S11 的關(guān)系如下，

RL = - 20log|S11|

其中Z0 是傳輸線的特征阻抗。

    從公式中可以看出回波損耗完全由輸入輸出阻抗與傳輸線特征阻抗是否匹配決定。除了要使用正確的匹配元器件值，高質(zhì)量的PCB 走線對阻抗匹配也至關(guān)重要，因?yàn)樾盘栕呔€上寄生的電感電容會(huì)影響阻抗，不適當(dāng)?shù)倪^孔、拐彎、線寬等都會(huì)影響走線阻抗。

    一些基本的高速信號PCB 布線原則列舉如下：

.         采用高質(zhì)量的BNC 接頭

    低質(zhì)量的BNC 接頭的阻抗可能與要求的75 歐姆相差甚遠(yuǎn)

.         微帶線的設(shè)計(jì)和制造必須保證高精度

    微帶線的阻抗與線寬和PCB 制造工藝直接相關(guān)

.         SDI 信號線應(yīng)盡可能的短且直

    短線有更少的寄生電感電容值，對阻抗的影響更低，且長度相對于信號波長越短，反射波對正向波的影響越低彎曲的走線有不連續(xù)的寬度，導(dǎo)致不連續(xù)的阻抗，從而導(dǎo)致反射

.        匹配電路采用高Q 值的射頻電感電容

    普通電感電容在高頻下的感值或者容值與標(biāo)稱值相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致實(shí)際阻抗與標(biāo)稱阻抗相差甚遠(yuǎn)

.         匹配元器件盡可能的靠近IC 管腳

.         不要有過孔

4. 電源設(shè)計(jì)建議

    SDI 對眼圖、抖動(dòng)、噪聲等有嚴(yán)格的要求，低噪聲低紋波的電源設(shè)計(jì)方案對SDI 信號鏈路非常重要。圖7 是一個(gè)典型的線纜驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用原理圖，可以看出電源Vcc 是通過一個(gè)75 歐姆的電阻與輸出端直接相連的，因此電源上任何的噪聲和紋波都會(huì)直接耦合到輸出信號端。 SMPTE 規(guī)范了輸出電壓幅度典型值是800mV， 一個(gè)3GSDI 經(jīng)過200 米的電纜傳輸后最多可以被衰減50dB ，而低頻的電源噪聲和紋波在經(jīng)過長電纜以后幾乎沒有衰減，這意味著SDI 信號幅度在經(jīng)過電纜傳輸以后可以低至幾mV，這與電源噪聲和紋波已非常接近，此時(shí)電源將大大惡化SDI 的信噪比。因此，電源噪聲和紋波必須很低，建議采用低噪聲的LDO（如TI 的LP3878）給所有SDI 器件供電，而不是直接采用DC/DC。

圖 7 SDI 器件對電源的要求

5. 總結(jié)

   SDI 由于具有高清晰度，傳輸時(shí)延小，升級改造原有模擬視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)容易等巨大優(yōu)勢正越來越被安防市場認(rèn)可并采用，國內(nèi)外主流的安防設(shè)備廠商都已經(jīng)有非常成熟的從攝像頭前端、中繼、切換、分發(fā)、后端圖像處理、識(shí)別、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的全套SDI 解決方案，并已成功應(yīng)用于銀行、交通、平安城市等各行各業(yè)，SDI 替換部分IP 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和模擬視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是大勢所趨。

    TI 在SDI 技術(shù)應(yīng)用之初就為客戶提供了優(yōu)秀豐富的全套SDI 傳輸方案，并得到市場的廣泛認(rèn)可。我們在深刻理解了SDI 相關(guān)器件的工作原理，正確地選擇合適的SDI 器件，合理地PCB 布線和電源設(shè)計(jì)，依托TI 強(qiáng)勁的產(chǎn)品和技術(shù)支持，就可以設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的SDI 產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] Zhang Keqian, Li Dejie, Electromagnetic Theory in Microwaves and Optoelectronics.

[2] LMH0346 datasheet, Literature number SNLS248I.

[3] LMH0302 datasheet, Literature number SNLS247F.