由于SDI 的高清晰度、傳輸實時性等優(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、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)計高性能的SDI 信號鏈，介紹了均衡器、電纜驅(qū)動器、重定時器的基本工作原理，PCB 布板和電源設(shè)計的建議以及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傳輸實時性強(qiáng)

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

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，因為施工改造IP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，比如現(xiàn)階段成本較高，數(shù)據(jù)存儲量大，遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)計難度較大等，但隨著SDI被市場逐漸地廣泛采用，上述缺點都會逐漸弱化。

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)動器、重定時器、交叉開關(guān)矩陣、視頻時鐘、顯示驅(qū)動、存儲驅(qū)動和電源。

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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被衰減得更多，此現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)，它會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。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，因為SDI 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 走線后眼圖和抖動性能被均衡器顯著改善。


TI 提供支持SD、HD、3G SDI 全系列的均衡器，如表2 所示。


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。


2.2重定時器

SDI 重定時器是用來自動檢測輸入信號類型，調(diào)整自身的PLL和CDR電路而恢復(fù)和整形出低抖動的時鐘，再重新定時發(fā)送出接收到的SDI信號，以降低SDI信號的抖動。雖然均衡器也可以降低SDI信號的抖動，但它和重定時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，而重定時器則是通過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，此時在均衡器輸出端再串接一個重定時器是一個理想的提高SDI信號質(zhì)量的方案。圖5描述了重定時器的去抖效果，可見眼圖和抖動被明顯改善。


TI 重定時器產(chǎn)品系列如表3 所示。


2.3線纜驅(qū)動器

SDI 線纜驅(qū)動器用來加強(qiáng)對線纜的驅(qū)動能力，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)動器系列如表4 所示。

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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)計方法處理，否則無法得到高質(zhì)量的傳輸性能。SMPTE 協(xié)會也定制了關(guān)于SDI 信號回?fù)p的指標(biāo)要求，如圖6 所示。為了滿足這個指標(biāo)，我們必須精細(xì)地設(shè)計整個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、合適的SDI 器件選擇上需特別注意。