SDI是串行數(shù)字接口,，被用來傳送無壓縮的數(shù)字視頻信號,。在上世紀(jì)80年代，SDI得到了快速發(fā)展并對其標(biāo)準(zhǔn)作出了定義,。3G-SDI中的3G是指SDI信號的數(shù)據(jù)傳輸率為3Gbit每秒,。由于HDTV可以支持每秒30幀的逐行掃描1920×1080的分辨率格式，而3G能夠支持比HD視頻信號最高幀掃描頻率高一倍的頻率,，即3G可以支持每秒60幀的HD信號,，這在觀看動態(tài)視頻時的差別是很大的。
SMPTE424M定義了3G-SDI的物理層及這類電信號的特征性能,。傳送的信號應(yīng)該有800mV的電壓擺幅,，上升和下降時間必須小于135ps，允許有一些過沖的存在,，但不可以超過10%,，即80mV。在SMPTERP184中規(guī)定了時鐘抖動和調(diào)整抖動的定義,，它們需要的抖動參數(shù)分別小于2UI和0.2UI,，調(diào)整抖動參數(shù)實際上要求是0.3UI，但是SMPTE強(qiáng)烈推薦使用0.2UI的參數(shù)要求,，因此本文將使用0.2UI的參數(shù)要求,。接收器中，在10Hz到297MHz的頻帶內(nèi),，輸入抖動容限，從2UI到0.2UI,。發(fā)送器的輸出與接收器的輸入都應(yīng)該被優(yōu)化以保證回波損耗,。
在發(fā)送器中，大部分抖動來自于串行器,，電纜驅(qū)動器也會增加一些抖動,。圖1所示為目前正在使用的發(fā)送器的典型框圖,，它可以工作到HD、SDI,，但是它不支持3G-SDI,。由于20位的數(shù)字視頻總線已經(jīng)在HD中制造了EMI問題，而在3G中該時鐘頻率加倍,，因此EMI問題在3G中將更加嚴(yán)重,。此外，PCB的布線也不是一項簡單的工作,，工程師將要面對在148.5MHz工作下的20條印制線,。FPGA產(chǎn)生的時鐘信號也包含很多抖動，因此這些時鐘是不適合直接用于串行器的,，由于會增加串行器的輸出抖動,，從而需要加入抖動消除電路或Genlock電路以消除抖動。此外,，有一些串行器也要求一個干凈的本地時鐘,，這些抖動和本地時鐘不僅增加了系統(tǒng)成本，也占用了 PCB的面積,。最后,，串行器是一個模擬信號器件，包含了數(shù)字處理單元以及模擬串行單元,，因此產(chǎn)生低抖動的模擬數(shù)字信號很困難,。以HD信號為例，最小可以實現(xiàn)的輸出抖動大約為115ps或0.17UI,，因此如果要支持3G,，必須要采用全新的結(jié)構(gòu)。
NS的SDI串行器和解串器產(chǎn)品創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)為SDI-3G提供了低輻射,、低成本,、低抖動和高性能的解決方案，在FPGA和串行器或解串器之間采用了LVDS技術(shù),，從而去除了TTL連接,。由于LVDS具有非常低的EMI輻射和功率損耗，因此非常適合應(yīng)用在手持產(chǎn)品中,。另外,，PCB的印刷線也從20根減少到10根，使得PCB的設(shè)計更加容易,。由于芯片內(nèi)部設(shè)計了高性能PLL鎖相環(huán),，不再需要外置本地時鐘及抖動消除電路，因此系統(tǒng)成本得到了明顯的降低，同時節(jié)約了電路板的面積,。因為FPGA已經(jīng)存在于系統(tǒng)中,，不需要額外的費用，因此大部分?jǐn)?shù)字信號處理工作可以由FPGA完成,，如CRC及行號插入,、光柵、ANC和EDH插入等,。事實上,，由于最困難的串行工作現(xiàn)在已經(jīng)由串行器來完成了，因此可以降低FPGA的等級,。這種串行由于采用了優(yōu)秀的模擬技術(shù)工藝和高精度的鎖相環(huán),，因此可以提高解串器的抖動容限，最低可以達(dá)到0.6UI,。和串行器類似,，我們在解串器中也可以集成類似的環(huán)路，它可以簡化設(shè)計和減小空間,，所以這樣的解串器不需要本地的時鐘,，它是一個微小空間的7×7毫米的LLP封裝，如圖2所示,。
當(dāng)信號從一種介質(zhì)傳送到另外一種新的介質(zhì)時,，一部分信號將會被反射，剩余的信號將穿過這個介質(zhì),。聲光和電磁波都有類似的特性,，這是因為當(dāng)介質(zhì)改變時介質(zhì)的密度和特性會發(fā)生變化。在傳輸線的原理中,，印制電路線的寬度和其特性阻抗成正比,，所以信號在兩個不同阻抗的印制電路線間傳輸時反射就會發(fā)生，反射的發(fā)生會減小信號的能量,，影響接收器的處理,，同時信噪比也會減小。另外當(dāng)信號朝著源的方向被反射回來時,，它會和原始的信號相混合疊加,，降低信號的完整性，如圖3所示,。
回送損耗可以用來衡量兩種阻抗匹配的優(yōu)劣,。通常的BNC連接器、電路板走線,、電纜驅(qū)動器,，輸出阻抗或均衡器的阻抗都各不相同,，所以在實際的應(yīng)用中需要考慮SMPTE嚴(yán)格的回送損耗指標(biāo)要求?；芈窊p耗是和頻率相關(guān)的參數(shù)，當(dāng)頻率升高時,，寄生電容和電感變得更加的明顯,，它會使回路損耗變差。NS的SDI
系列產(chǎn)品都有很好的輸入輸出回路損耗特性,，只需要使用一個簡單的小網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)和BNC連接器的匹配,。最普通的網(wǎng)絡(luò)可以通過將一個小小的電感和一個 75Ω的電阻并聯(lián)來實現(xiàn)，這個匹配網(wǎng)絡(luò)在直流特性時應(yīng)該看起來象一個短路線,，允許由終端電阻來提供傳輸線阻抗,；在很高的工作頻率條件下寄生電容的阻抗值將會占主要的部分，這時回路損耗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以提供75Ω的阻抗作為終端電阻,，如圖4,。
即使你的系統(tǒng)可以滿足前面所述的指標(biāo)要求，但也不能確定系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的,。與模擬系統(tǒng)不同的是,，數(shù)字系統(tǒng)性能不會緩緩下降，而是無誤差地工作直到系統(tǒng)徹底損壞,。通常采用音律測試方法對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行評價,，即改變數(shù)字信號一個或多個參數(shù)直到使該數(shù)字系統(tǒng)失效，最直接的音律測試方法是加入電纜進(jìn)行音律測試,。雖然視頻信號經(jīng)過編碼成為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流,，但是在本質(zhì)上SDI信號仍然是模擬的，并且仍然會受到衰減和相移等失真的影響,，較長的電纜容易產(chǎn)生信號丟失及相移,，使信號出現(xiàn)失真，我們在接收端加入一個額外的電纜均衡器以補(bǔ)償失真,。在電纜傳輸中,，由于電纜的頻率響應(yīng)特性，信號會產(chǎn)生損失和相移等失真,，均衡器可以為失真信號提供補(bǔ)償,，我們可以通過加入更長的電纜對接收端的均衡范圍、噪聲性能等特性作出評價,。這種音律測試特別在使用SDI的病態(tài)信號時是非常有意義的,，因為它基本上模擬了真實的狀況。串行數(shù)字系統(tǒng)對病態(tài)信號的處理是很困難的,，在這種低頻的極差圖形中,，其中一區(qū)用于測試均衡器,，另一區(qū)可以用來檢查接收器的鎖相環(huán)的性能。NS的3G-SDI均衡器有能力在3G時均衡120米電纜長度的距離,，從圖5可以看出使用NS的3G-SDI產(chǎn)品,，是很容易滿足SMPTE的指標(biāo)的。
SDI信號經(jīng)過長距離傳輸時信號質(zhì)量會變差,，為了補(bǔ)償長距離傳輸?shù)膿p耗并重建視頻信號的幅度,，需要加入一個額外的電纜均衡器。然而均衡器無法去除信號中固有的抖動與噪聲,，因此為了不使整個信號鏈路的抖動被堆積,，不建議采用均衡器輸出做多點傳輸，推薦在分傳前利用時鐘恢復(fù)器重新產(chǎn)生干凈的信號,，需要注意的是時鐘恢復(fù)器需要均衡器在再次產(chǎn)生數(shù)據(jù)之前重建信號的幅度并打開眼圖,。有時候信號在系統(tǒng)間傳輸時，傳輸?shù)慕橘|(zhì)可能是背板而不是電纜,，這種情況下使用另外的電纜均衡器也可以補(bǔ)償信號的損失,，但是無法達(dá)到成本最優(yōu)化。由于背板不會太長,，因此無源均衡器是更為理想的方案,，它具有很低的價格且不消耗功率。
時鐘恢復(fù)器及電纜驅(qū)動器均廣泛應(yīng)用于路由器中,，以大型路由器為例,，兩者的功耗可占總功耗的40%左右。有時候在應(yīng)用時并不是每個輸出通道都是激活的,，如果能夠關(guān)斷這些空閑或未使用的通道,，則可以有效地減少功耗。NS的LMH0303電纜驅(qū)動器具有輸入信號丟失告警和輸出電纜檢測功能,，使系統(tǒng)設(shè)計更加容易,。當(dāng)輸入信號丟失時，LOS（Loss of Signal）將輸出一個信號通知系統(tǒng),，由其決定是否關(guān)斷這個設(shè)備的通道,。同樣，通過輸出的告警信號可以了解輸出電纜是否沒有連接或不可靠,。這類電纜驅(qū)動器和時鐘恢復(fù)器都能處于深功率節(jié)省方式,，分別能節(jié)約3mW和10mW的功耗。
應(yīng)用實例
交叉點開關(guān)是一個標(biāo)準(zhǔn)的模塊,，它經(jīng)常在開關(guān)電路和復(fù)用器中使用,，例如在汽車娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)中，多個不同的視頻信號輸入源和多個不同的顯示設(shè)備,，需要在任意的顯示設(shè)備上顯示任意輸入源,，運行和休眠的時鐘需要分配到不同的目的,。圖6顯示的第一個實例是一個小型視頻路由器、2.97G串行視頻數(shù)據(jù)信號被分配到不同的位置,。DS25CP104是LVDS交叉點開關(guān)系列中的一員,，它可以處理直流到3.125Gbps的高速信號，具有非常低的抖動和很低的功耗,，而且每個通道都可以通過SM總線監(jiān)控和讀取LOS的狀態(tài),，LOS可以用來關(guān)斷無用的通道。由于具有非常簡單的SDI設(shè)備的接口,、非常低的抖動和寬范圍的數(shù)據(jù)率，使它廣泛應(yīng)用在開關(guān)和布線應(yīng)用中,。另外器件封裝很小,，是6×6mm的管腳排列。第二個例子是DS25BR204的應(yīng)用,，這個是非常簡單的從2個可選的輸入去復(fù)制4路信號的方法,，同樣具有LOS功能，可以實現(xiàn)功率的優(yōu)化,。
對于這類快速出現(xiàn)的用于3G- SDI傳送的SMPTE424M標(biāo)準(zhǔn),，美國國家半導(dǎo)體公司是業(yè)界完整方案的最早的供應(yīng)商，產(chǎn)品包括自適應(yīng)均衡器,、時鐘恢復(fù)器,、電纜驅(qū)動器、串行器,、解串器,、交差點開關(guān)等，這些產(chǎn)品滿足SDI的每個應(yīng)用,，適用于各式各樣的SDI系統(tǒng),。一個大型的布線系統(tǒng)，可能會需要所有的產(chǎn)品,。在功耗要求越來越高的今天,，一些產(chǎn)品的關(guān)斷功耗可以只有3mW，信號丟失告警和電纜連接檢測大大地簡化了系統(tǒng)的設(shè)計,。
美國國家半導(dǎo)體公司和Altera公司合作完成了工業(yè)第一個3G/HD/SD-SDI系統(tǒng)的視頻開發(fā)平臺,，它是基于Altera Cyclone III FPGA來實現(xiàn)的。該方案采用NS高性能的3G-SDI信號路徑,、視頻時鐘,、電源管理器產(chǎn)品和Altera公司的FPGA產(chǎn)品，組成了標(biāo)準(zhǔn)的可擴(kuò)展的開發(fā)平臺,。它包括了許多有特色的產(chǎn)品,，例如3G-SDI產(chǎn)品,、多視頻格式的同步分離器、時鐘產(chǎn)生器,、交叉點開關(guān),、LDU和DC/DC轉(zhuǎn)換器等等。
除了Altera公司以外,，美國國家半導(dǎo)體公司也和Xilinx公司合作提供了類似的開發(fā)平臺,，美國國家半導(dǎo)體公司和Xilinx提供了聯(lián)合方案，采用低價FPGA進(jìn)入高端AVB市場的方法,，它支持SD,、HD和3G專業(yè)視頻的應(yīng)用。