基于BNC连接器的TI SDI传输方案
摘要 由于SDI 的高清晰度、传输实时性等优势，最初应用于专业视频广播领域，近年来正越来越多的被安防领域所采用。但由于SDI 的数据传输数据率高，存储数据量大等特性，对部分原来采用IP 网络高清监控方案的安防从业者而言，在设计、应用等方面还存在一定的难度。为了帮助读者更全面地了解和设计SDI,本文介绍了如何选择适当的SDI 信号链器件，如何设计高性能的SDI 信号链，介绍了均衡器、电缆驱动器、重定时器的基本工作原理，PCB 布板和电源设计的建议以及TI 在SDI 领域的具体方案。 1. SDI 简介 SDI,串行数字接口，是用来传输标清、高清、3G 高清等无压缩数字视频信号的一个标准，当前最流行的SDI视频格式如表1所示。由于SDI具有高清特性，时延小，还可以重复利用已布网的模拟视频电缆等优势，正逐渐地被安防、监控等领域广泛采用。目前市面上SDI相关设备主要是SDI延长器、分配器、矩阵、多画面分割、编解码器、SDI光端机、DVR等。 相对于传统的IP监控网络，SDI的优势是非常明显的： 在图像清晰度上SDI有无可比拟的优势 高清不仅仅意味着高的分辨率，还必须在超宽动态、白平衡、信噪比、亮度、对比度、锐利度等方面有优秀的表现。IP网络监控视频由于经过编码压缩，在上述图像质量、图像细节等方面都远不及无压缩的SDI. SDI传输实时性强 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，不受网络时延的影响。 从模拟监控系统升级至SDI可以重复利用已有的布线系统 SDI也是采用同轴75欧姆的电缆和BNC接口，可以方便快捷的从传统的模拟监控系统升级至SDI,而无需像IP网络那样须重新布置网络，这种特性在模拟监控系统的升级改造中具有巨大的优势，因为施工改造IP网络对很多建筑而言是不允许的。 另一方面，SDI也有缺点，比如现阶段成本较高，数据存储量大，远距离传输设计难度较大等，但随着SDI被市场逐渐地广泛采用，上述缺点都会逐渐弱化。 2. SDI 器件的工作原理及TI 相关产品简介 图1 是一个典型的SDI 输入、输出和处理的应用框图，TI 能够提供相应的全套SDI 传输方案，它们分别是均衡器、线缆驱动器、重定时器、交叉开关矩阵、视频时钟、显示驱动、存储驱动和电源。 图1 典型的SDI 应用 2.1均衡器 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，此现象被称为趋肤效应，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。为了补偿趋肤效应，人们发明了均衡器、预加重器、去加重器来补偿传输线频率响应的不平坦性。图2 是一种传输线和均衡器的频率响应图，传输线模型在高频处会衰减得更多而均衡器在高频处有更高增益，将均衡器的高频增益设置成适当的值，传输线和均衡器串联后会形成在全频带内大致平坦的频率响应。 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，不允许客户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。 图2 传输线和均衡器的频率响应 图3 是均衡器的使用效果图，可以看出高速SDI 信号经过一段电缆或者PCB 走线后眼图和抖动性能被均衡器显着改善。 图 3 均衡器的使用效果 TI 提供支持SD、HD、3G SDI 全系列的均衡器，如表2 所示。 表 2 均衡器 其中LMH0394 是一款极高性能的均衡器，它的竞争性分析如图4 所示，传输距离很长且功耗很低。 图4 均衡器 LMH0394 竞争性分析 2.2重定时器 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。图5描述了重定时器的去抖效果，可见眼图和抖动被明显改善。 图 5 重定时器使用效果 TI 重定时器产品系列如表3 所示。 表 3 重定时器系列 2.3线缆驱动器 SDI 线缆驱动器用来加强对线缆的驱动能力，提供标准的800mV 峰峰值输出电压摆幅，没有预加重和去加重功能。TI 的线缆驱动器系列如表4 所示。 表 4 线缆驱动器 3. PCB 布板建议 SDI 信号比特率最高至2.97Gbps,因此SDI 的信号路径必须严格按照高频电路的设计方法处理，否则无法得到高质量的传输性能。SMPTE 协会也定制了关于SDI 信号回损的指标要求，如图6 所示。为了满足这个指标，我们必须精细地设计整个SDI 传输路径以保证阻抗的连续性，尤其在BNC连接器的选择、线缆的选择、PCB 布局、原理图设计、合适的SDI 器件选择上需特别注意。 图 6 SMPTE 规定的回损指标 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，因此我们必须设计好整个链路的阻抗匹配以降低反射，在高速信号中尤为重要。 回波损耗（Return Loss）或者S11/S22（S 参数）是用来定义回波损耗大小的指标， 其中S11/S22 是反射功率与正向功率的比值，它们与输入输出阻抗的对应关系如下， 回波损耗与S11 的关系如下， RL = - 20log|S11| 其中Z0 是传输线的特征阻抗。 从公式中可以看出回波损耗完全由输入输出阻抗与传输线特征阻抗是否匹配决定。除了要使用正确的匹配元器件值，高质量的PCB 走线对阻抗匹配也至关重要，因为信号走线上寄生的电感电容会影响阻抗，不适当的过孔、拐弯、线宽等都会影响走线阻抗。 一些基本的高速信号PCB 布线原则列举如下： 采用高质量的BNC 接头 低质量的BNC 接头的阻抗可能与要求的75 欧姆相差甚远 微带线的设计和制造必须保证高精度 微带线的阻抗与线宽和PCB 制造工艺直接相关 SDI 信号线应尽可能的短且直 短线有更少的寄生电感电容值，对阻抗的影响更低，且长度相对于信号波长越短，反射波对正向波的影响越低弯曲的走线有不连续的宽度，导致不连续的阻抗，从而导致反射 匹配电路采用高Q 值的射频电感电容 普通电感电容在高频下的感值或者容值与标称值相差甚远，导致实际阻抗与标称阻抗相差甚远 匹配元器件尽可能的靠近IC 管脚 不要有过孔 4. 电源设计建议 SDI 对眼图、抖动、噪声等有严格的要求，低噪声低纹波的电源设计方案对SDI 信号链路非常重要。图7 是一个典型的线缆驱动器的应用原理图，可以看出电源Vcc 是通过一个75 欧姆的电阻与输出端直接相连的，因此电源上任何的噪声和纹波都会直接耦合到输出信号端。 SMPTE 规范了输出电压幅度典型值是800mV,一个3G SDI 经过200 米的电缆传输后最多可以被衰减50dB ,而低频的电源噪声和纹波在经过长电缆以后几乎没有衰减，这意味着SDI 信号幅度在经过电缆传输以后可以低至几mV,这与电源噪声和纹波已非常接近，此时电源将大大恶化SDI 的信噪比。因此，电源噪声和纹波必须很低，建议采用低噪声的LDO（如TI 的LP3878）给所有SDI 器件供电，而不是直接采用DC/DC. 图 7 SDI 器件对电源的要求 5. 总结 SDI 由于具有高清晰度，传输时延小，升级改造原有模拟视频监控网络容易等巨大优势正越来越被安防市场认可并采用，国内外主流的安防设备厂商都已经有非常成熟的从摄像头前端、中继、切换、分发、后端图像处理、识别、存储等环节的全套SDI 解决方案，并已成功应用于银行、交通、平安城市等各行各业，SDI 替换部分IP 监控网络和模拟视频监控网络是大势所趋。 TI 在SDI 技术应用之初就为客户提供了优秀丰富的全套SDI 传输方案，并得到市场的广泛认可。我们在深刻理解了SDI 相关器件的工作原理，正确地选择合适的SDI 器件，合理地PCB 布线和电源设计，依托TI 强劲的产品和技术支持，就可以设计出高质量的SDI 产品。
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