數(shù)字視頻信號的長線傳輸

摘要：在實時顯示彩色數(shù)字視頻信號時，通常要求數(shù)據(jù)傳輸通道具有很高的帶寬和有效的傳輸距離。因此在設(shè)計和構(gòu)建這些高速率的數(shù)據(jù)傳輸通道的，不但要選擇合理的傳輸形式，而且要對數(shù)據(jù)的編碼、解碼、并串轉(zhuǎn)換、驅(qū)動、接口等電路進行認(rèn)真的研究，以達到最佳的配合。介紹的串行傳輸技術(shù)是最近的設(shè)計成果，可以廣泛地應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)的有線傳輸。 關(guān)鍵詞：差分接口 并轉(zhuǎn)串/串轉(zhuǎn)并 PLL LVDS-PECL 大屏幕平板顯示系統(tǒng)，如LED大屏幕顯示系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于信息發(fā)布領(lǐng)域和公用事業(yè)。2008年將在北京舉辦的奧運會，更加推出了這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 大屏幕平板顯示系統(tǒng)是典型的數(shù)字系統(tǒng)，要求動態(tài)、實時、清晰穩(wěn)定地顯示圖像信息。與通信系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)更關(guān)心實時地把圖像數(shù)據(jù)正確地傳輸?shù)斤@示器，將錯誤的信號忽略掉，所以不要求強大的糾錯檢錯能力和錯碼重發(fā)功能。通常為降低成本、減小時間延遲不宜采用壓縮解壓縮的方法進行傳輸。因此這樣的傳輸系統(tǒng)應(yīng)具有實時、單向傳輸?shù)奶攸c，要求建立穩(wěn)定的傳輸通道。 系統(tǒng)的信號來源一般是計算機顯示卡或數(shù)字電視信號。以顯示卡為例，如果輸出640%26;#215;480、24bit/pixel、60幀/s標(biāo)準(zhǔn)真彩VGA圖像時，其輸出點時鐘達25.175MHz/s，數(shù)據(jù)位寬為27bit/pixel（考慮Vs、Hs、de）。這樣的海量數(shù)據(jù)，采用并行傳輸時，將使傳輸系統(tǒng)十分笨重，需要大量電纜；而采用串行傳輸時，將使傳輸系統(tǒng)簡化，必要時可以采用幾條高速串行通道來實現(xiàn)。 為構(gòu)建穩(wěn)定的串行傳輸系統(tǒng)，需要對信號進行一些特殊的處理，常用的電路模塊有：數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換（serialize/deserialize）、4B/5B（8B/10B）轉(zhuǎn)換、加解擾（scramble/descramble）、電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動、接收端的均衡放大（equlize）、PLL、接收端錯碼檢測等。此外，在工程中還要對碼速率、傳輸速率、傳輸介質(zhì)進行合理的選擇，以滿足不同需要。圖1 傳輸系統(tǒng)基本組成1 長線傳輸?shù)幕究驁D 圖1概括了構(gòu)成數(shù)字視頻信號長線傳輸系統(tǒng)的基本組成。按點時鐘（PCLK）輸入的并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼、并轉(zhuǎn)串、加擾以差分信號的形式輸出。其中編碼實現(xiàn)4B/5B、8B/10B等編碼轉(zhuǎn)換，消除弱碼，有助于直流平衡。加擾（scramble）使能量譜均勻分布，避免在某一頻段出現(xiàn)能量峰值，減少銅介質(zhì)傳輸?shù)碾姶泡椛洹２⑥D(zhuǎn)串把并行碼字轉(zhuǎn)化為高速串行碼流。直流平衡就是在編碼過程中保證信道中直流偏移為0，電平轉(zhuǎn)化實現(xiàn)不同邏輯接口間的匹配。驅(qū)動則對傳輸信號的能量進行放大，并根據(jù)物理介質(zhì)的要求進行碼型調(diào)整。均衡是對信道損失進行補償并濾除噪聲。 可以采用不同的傳輸介質(zhì)進行傳輸，銅介質(zhì)（同軸，雙絞線），光介質(zhì)（單模，多模光纖）。在采用光傳輸時，圖1中加解擾模塊可以略去不用。有效傳輸距離與碼速率、介質(zhì)、接口、環(huán)境有關(guān)，所以應(yīng)按照不同電纜、不同速率、不同長度時的衰耗以及端口的門限估算傳輸距離。 建立一個穩(wěn)定的傳輸系統(tǒng)，一般具有如下的要求： （1）合理的系統(tǒng)方案設(shè)計、選擇； （2）發(fā)射端、接收端建立穩(wěn)定的PLL同步鏈路； （3）不同高速邏輯電平的相互配合； （4）正確的傳輸方式和耦合方式； （5）合理的PCB設(shè)計。2 選擇合理的方案 根據(jù)顯示系統(tǒng)的不同要求，選擇合理的技術(shù)措施，是構(gòu)成傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵。 （1）確定數(shù)據(jù)傳輸宏觀參數(shù) 根據(jù)系統(tǒng)傳輸?shù)目偟拇a速率以及傳輸長度的要求，來確定并行或串行傳輸通道數(shù)量。如果采用串行通道，確定每個通道的碼速率和有效傳輸距離。傳輸通道的傳輸距離與介質(zhì)、碼速率、接口電平門限有關(guān)，可參閱有關(guān)表格。下面給出一個估算公式： S≤[10lg(Po/Pi)]/Ap(光傳輸) S≤[G+20lg(Uot/Uit)]/Au（銅介質(zhì)） S：傳輸距離（m） G:接收端增益（dB） Au:在設(shè)計傳輸率時，每米電纜的電壓衰耗（dB） Ap：每公里的功率衰耗 Uot、Uit：分別為差分輸出端，與輸入端的電壓門限 Po、Pi：光收發(fā)器發(fā)射、接收的光功率門限 （2）確定傳輸通道的工作方式?？梢圆捎脝喂?、雙工、開環(huán)、閉環(huán)等，它決定了收發(fā)兩端的鏈接形式，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著重要作用。 （3）數(shù)據(jù)重組。根據(jù)傳輸通道的特點和數(shù)量，把數(shù)字視頻信號重新組合為適合傳輸系統(tǒng)芯片所需的格式。它是一個數(shù)據(jù)重組過程，通常需要ASIC或FPGA來實現(xiàn)。 （4）每個數(shù)據(jù)通道的傳輸率和接口要求，確定傳輸介質(zhì)。通常采用的傳輸介質(zhì)包括多模、單模光纖、同軸電纜、雙絞線。 （5）根據(jù)通道的傳輸速率，選擇最佳的收發(fā)芯片和接口電路構(gòu)成系統(tǒng)。圖3 在數(shù)據(jù)中加入同步碼字的基本方法3 可靠的PLL同步環(huán)路的建立 傳輸系統(tǒng)中，每個通道中高速串行數(shù)據(jù)都包含有同步信息。在接收端，本地時鐘要與輸入端幀時鐘同步，才有可能正確恢復(fù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始時，發(fā)送端發(fā)出的一串特殊同步碼字（Sync pattern），保證在每一串行碼字中存在固定、唯一的跳變沿，使接收端的PLL鎖定。在鎖定建立后，發(fā)送端可以傳輸數(shù)據(jù)，接收端則提取編碼數(shù)據(jù)的同步信息維持接收端的鎖定。當(dāng)發(fā)送端無數(shù)據(jù)傳輸時，可以插入空閑幀（具有維持鎖定的跳變沿），維持鎖定。 在數(shù)據(jù)視頻信號傳輸中，可以采用雙工回路（圖2）。由于數(shù)字視頻傳輸?shù)奶攸c，其雙工通路不同于通信，它的兩條通路可以是不對稱的，一條快速通道用于下傳視頻數(shù)據(jù)，另一條慢速通道傳回是否鎖定等監(jiān)控信息。發(fā)送端邏輯一旦得到失鎖信息，則停止視頻數(shù)據(jù)傳輸，強制發(fā)送同步碼，直到收到鎖定信息。 數(shù)字視頻傳輸?shù)奶攸c，可以采用簡單的單工方式進行傳輸。這種方式更為簡單，系統(tǒng)在初始時建立穩(wěn)定同步，并提取編碼數(shù)據(jù)中的邊沿維持鎖定。但是一旦失鎖，發(fā)射端無法收到反饋信息，系統(tǒng)同步難以恢復(fù)，這時接收端不能正確地恢復(fù)數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為無規(guī)則的亂碼。為防止這種現(xiàn)象，要周期性地在發(fā)送端強行加入定長時間的同步幀，使接收端無論是否發(fā)鎖都強制同步一次。可見，系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴于周圍良好的電磁環(huán)境和硬件的可靠性。其缺點是：（1）由于定時插入同步帖，占用了數(shù)據(jù)傳輸時間，需要緩沖數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)重新組合，增加了電路復(fù)雜性；（2）在有效數(shù)據(jù)量不變的情況下，提高了傳輸速率的要求。 圖3表示單工傳輸方式時兩種插入同步幀的時序。 4 不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換 在現(xiàn)行的高速邏輯電平接口中，適合數(shù)字視頻傳輸?shù)挠蠩CL、PECL、LVPECL、LVDS、TMDS等形式，具有高速率、低功耗的特點，在告訴數(shù)據(jù)的傳輸中，經(jīng)常遇到不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換，在表1中列出常用的高速邏輯接口的典型參 數(shù)，圖4表示它們之間的直觀比較。表1 不同接口邏輯電平的典型參數(shù) SYMBOLECL(LVECL)PECLLVPECLLVDS(general)LVDS(lowpower)TMDSUnitVcc05.0+3.3+3.3+3.33.3VVee-5.2(-3.3)00000Voh-0.9554.0452.3451.41.3253.3VVol-1.7053.2951.5951.01.0752.8VVpp　750750400250500mVVos　3.671.9701.21.23.05V目前常用的邏輯接口有PECL、LVPECL、LVDS等。其中LVDS有更好的電磁兼容性、較小的功耗，因而得到廣泛的應(yīng)用。LVDS、TMDS電氣特性相似，主要區(qū)別是LVDS由發(fā)送端和負(fù)載獨立構(gòu)成電流回路；而TMDS是由發(fā)送端的恒流源和接收端的電源與負(fù)載共同構(gòu)成電流回路，所以只能直流耦合。 在構(gòu)成長線傳輸系統(tǒng)時，不同功能、不同邏輯電平的芯片互聯(lián)時要保證電平與阻抗的匹配。這些匹配功能可以用一些專用芯片構(gòu)成，如Philip的PTN3310、PTN3311實現(xiàn)了PECL與LVDS之間的轉(zhuǎn)換。還可以使用簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能及阻抗匹配，但是引入了衰減。要求匹配網(wǎng)絡(luò)具有： （1）阻抗匹配，發(fā)送時：Ril=2Z0，接收時Ri2=2Z0；Z0為差分傳輸線的單端阻抗；Ri為驅(qū)動（接）收芯片的差分輸入（輸出）阻抗。 對于常用的LVDS、PECL輸出，要求匹配阻抗Ri=2Z0=100Ω。實際工程中，由于引線電感的存在，Ri應(yīng)略小于2Z0。（2）直流偏置平衡Vos=Vos1、Vos2=Vos3；Vos1、Vos2為匹配網(wǎng)絡(luò)兩端的直流偏置；Vos為編解碼芯片輸出（輸入）端的直流偏置；Vos3為驅(qū)動接或收芯片的輸入（輸出）端直流偏置。 (3)電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減應(yīng)盡量小，Vppo>Vppi>Vt。Vppi為匹配網(wǎng)絡(luò)輸入信號的差值；Vppo為匹配網(wǎng)絡(luò)衰減后輸出信號的差值；Vt為芯片差分輸入的門限。 （4）發(fā)送時，匹配網(wǎng)絡(luò)與驅(qū)動盡量靠近；接收時，匹配網(wǎng)絡(luò)與解碼盡量靠近。 匹配網(wǎng)絡(luò)與前后級的關(guān)系如圖5所示。 5 正確的傳輸方式和耦合方式 5.1 正確的傳輸方式 數(shù)字視頻的傳輸接口通常是差分接口，它具有較強的抗共模干擾能力。差分信號可以采用平均方式傳輸，如雙絞線（UTP5、STP5）。也可以采用非平衡方式，如同軸電纜（belden828）。 采用雙端形式時，信號傳輸線與地是隔離時，所以效地避免了地線引入的串?dāng)_。而采用單端形式時，其有效信號幅度只有雙端輸出的1/2，特別是當(dāng)進行長距離傳輸時，地線作為信號傳輸線的一問好，由于受收發(fā)兩端電流、接收電阻等參數(shù)的影響，容易引入地線的串?dāng)_。故此，可以使用雙同軸構(gòu)成平衡傳輸，既減小了地線干擾，又保證了較好的傳輸特性。同軸電纜的頻率特性干擾于雙絞線，在端口電參數(shù)一致的情況下，具有更遠的傳輸距離。 在遠距離戶外傳輸時，外部瞬間的強電磁干擾，對傳輸系統(tǒng)會造成嚴(yán)重的影響，甚至使芯片損壞，所以應(yīng)具有完善的過壓保護措施和隔防措施。如果采用傳輸變壓器的隔離耦合或光耦合，可以極大地提高系統(tǒng)抗外界干擾的能力。特別是光傳輸，不但極大地提高系統(tǒng)抗外界干擾的能力。特別是光傳輸，不但有極大的傳輸和抗干擾能力，而且實現(xiàn)了隔離收發(fā)兩端的電系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)兩端的供電和共地。圖5 匹配網(wǎng)絡(luò)與前后級的關(guān)系5.2 差分信號耦合形式 差分信號無論是雙端還是單端傳輸，都可以采用直流耦合。相同電平的邏輯接口之間均可直接耦合；不同電平的邏輯接口之間要通過匹配網(wǎng)絡(luò)進行直流耦合；只有那些具有完善加解擾功能的芯片，才可使用交流耦合方式。在遠距離傳輸時，為使收發(fā)兩端直流隔離，避免外部可能引入的直流漂移，宜采用交流耦合方式。實際構(gòu)成系統(tǒng)時，要具體分析芯片的不同功能和特性，來確定采用何種耦合方式。圖6為兩種典型 的交流傳輸方式。 6 合理的PCB設(shè)計 上面提到的高速邏輯接口，在PCB板上傳輸頻率可以達1GHz以上，要求嚴(yán)格遵守高頻PCB制作的布線規(guī)則，并對高速傳輸線進行信號完整性分析。 合理的PCB設(shè)計主要是指： （1）采用高頻性能好的四層或四層以上的多層PCB板，PCB板材質(zhì)至少應(yīng)為高頻玻璃環(huán)氧樹脂板。并把高頻信號線與地層相鄰，較好的作法是：地層、微帶層、電源層、信號層。通常的做法是：微帶層、地層、電源層、信號層。 （2）發(fā)送端及接收端高速差分信號線應(yīng)視作微帶線，要優(yōu)先布線，每對之間寬度一致，分散走線，長度相同，盡量短直，轉(zhuǎn)彎時采用圓弧連接。這樣做是為了減少線間干擾以及反射和振鈴。 每條微帶線的特征阻抗Ro應(yīng)等于接收端的單端阻抗。 若為微帶線（microstrip），計算公式為： Ro=87%26;#183;ln[5.98h/(0.8W+t)]%26;#183;[1/(εr+1.41)**(0.5)] 若為微帶傳輸線（stripline），計算公式為： R0=60%26;#183;ln[4h/0.67π(0.8W+t)]%26;#183;(1/εr**0.5) 其中，t為銅厚度，W為微帶線寬度，εr為介電常數(shù)，一般取4.4～5.0；h為微帶線與地層的距離。（3）差分信號本質(zhì)上屬于模擬信號，與PCB板上其他數(shù)字信號應(yīng)區(qū)別開，遵循模擬和數(shù)字混合電路的布線原則：模擬地單獨設(shè)，電源單獨提供，模擬地與數(shù)字地只有一些會合，位于總電源入口的地上，可以加入高頻磁珠濾除地線雜波。 以上總結(jié)討論了長線傳輸?shù)膸讉€主要問題。需要說明地是，并不是每一個具體的系統(tǒng)都與圖1完全一致。在實際中，由于使用目的不同、傳輸數(shù)據(jù)的頻率不同、距離不同、使用的技術(shù)不同、傳輸系統(tǒng)有很大差異。一般組成系統(tǒng)時，可以采用155M/622M/1.2G以太網(wǎng)物理層芯片，可以采用STMPE規(guī)范的數(shù)字視頻芯片，還可以采用光通信的傳輸芯片。許多廠家提供這樣的芯片，如National、Ti、Agilent、Maxim、Cypress等。 這些芯片的功能、頻率適用范圍、輸出邏輯電平、適用協(xié)議及其他具體參數(shù)都各有差異，應(yīng)用時應(yīng)仔細區(qū)分。例如有些芯片本身集成了電纜驅(qū)動電路，如CLC020、CLC030。有些傳輸芯片沒有加擾功能，如DS90CR583/584、DS92LV1023/1024。此外不同芯片的編碼解碼、加擾解擾的方式也各有差異。例如CLC020采用補位進行8B/10B編碼，多項式運算完成加擾，直流平衡采用常用的NRZ/NRZI碼的轉(zhuǎn)換方式；而如HDMP1022/1024，其編碼是通過D域編碼，再疊加復(fù)用C域編碼（frame mux）完成16B/20B，20B/24B編碼則是通過計算每個字的碼重來確定符號，累計每個字的符號來決定當(dāng)前字是否翻轉(zhuǎn)（Conditional invert master transition），從而達到直流平衡的目的。只有詳細了解不同芯片的特征和參數(shù)，才能構(gòu)成成本低、效率高、穩(wěn)定可靠的傳輸系統(tǒng)。 筆者最近研發(fā)的雙絞線、同軸、光纖長線傳輸系統(tǒng)，適合不同頻率范圍、不同距離的應(yīng)用，使用情況良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

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