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數(shù)字視頻信號(hào)的長(zhǎng)線傳輸
摘要：在實(shí)時(shí)顯示彩色數(shù)字視頻信號(hào)時(shí)，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(jì)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(duì)數(shù)據(jù)的編碼、解碼、并串轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)、接口等電路進(jìn)行認(rèn)真的研究，以達(dá)到最佳的配合。介紹的串行傳輸技術(shù)是最近的設(shè)計(jì)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(yùn)會(huì)，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(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、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(shí)時(shí)地把圖像數(shù)據(jù)正確地傳輸?shù)斤@示器，將錯(cuò)誤的信號(hào)忽略掉，所以不要求強(qiáng)大的糾錯(cuò)檢錯(cuò)能力和錯(cuò)碼重發(fā)功能。通常為降低成本、減小時(shí)間延遲不宜采用壓縮解壓縮的方法進(jìn)行傳輸。因此這樣的傳輸系統(tǒng)應(yīng)具有實(shí)時(shí)、單向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，要求建立穩(wěn)定的傳輸通道。
系統(tǒng)的信號(hào)來(lái)源一般是計(jì)算機(jī)顯示卡或數(shù)字電視信號(hào)。以顯示卡為例，如果輸出640×480、24bit/pixel、60幀/s標(biāo)準(zhǔn)真彩VGA圖像時(shí)，其輸出點(diǎn)時(shí)鐘達(dá)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(shí)，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(shí)，將使傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化，必要時(shí)可以采用幾條高速串行通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為構(gòu)建穩(wěn)定的串行傳輸系統(tǒng)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)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(dòng)、接收端的均衡放大（equlize）、PLL、接收端錯(cuò)碼檢測(cè)等。此外，在工程中還要對(duì)碼速率、傳輸速率、傳輸介質(zhì)進(jìn)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(zhǎng)線傳輸?shù)幕究驁D
圖1概括了構(gòu)成數(shù)字視頻信號(hào)長(zhǎng)線傳輸系統(tǒng)的基本組成。按點(diǎn)時(shí)鐘（PCLK）輸入的并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)編碼、并轉(zhuǎn)串、加擾以差分信號(hào)的形式輸出。其中編碼實(shí)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�。并轉(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(guò)程中保證信道中直流偏移為0，電平轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)不同邏輯接口間的匹配。驅(qū)動(dòng)則對(duì)傳輸信號(hào)的能量進(jìn)行放大，并根據(jù)物理介質(zhì)的要求進(jìn)行碼型調(diào)整。均衡是對(duì)信道損失進(jìn)行補(bǔ)償并濾除噪聲。
可以采用不同的傳輸介質(zhì)進(jìn)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(shí)，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(zhǎng)度時(shí)的衰耗以及端口的門限估算傳輸距離。
建立一個(gè)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(jì)、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(jì)。
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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(zhǎng)度的要求，來(lái)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(gè)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(gè)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(jì)傳輸率時(shí)，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。可以采用單工、雙工、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)等，它決定了收發(fā)兩端的鏈接形式，對(duì)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(diǎn)和數(shù)量，把數(shù)字視頻信號(hào)重新組合為適合傳輸系統(tǒng)芯片所需的格式。它是一個(gè)數(shù)據(jù)重組過(guò)程，通常需要ASIC或FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（4）每個(gè)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(gè)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(shí)鐘要與輸入端幀時(shí)鐘同步，才有可能正確恢復(fù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始時(shí)，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(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(hào)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(diǎn)，其雙工通路不同于通信，它的兩條通路可以是不對(duì)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(qiáng)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(diǎn)，可以采用簡(jiǎn)單的單工方式進(jìn)行傳輸。這種方式更為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)在初始時(shí)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(wú)法收到反饋信息，系統(tǒng)同步難以恢復(fù)，這時(shí)接收端不能正確地恢復(fù)數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為無(wú)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(qiáng)行加入定長(zhǎng)時(shí)間的同步幀，使接收端無(wú)論是否發(fā)鎖都強(qiáng)制同步一次�？梢�(jiàn)，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(diǎn)是：（1）由于定時(shí)插入同步帖，占用了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(shí)兩種插入同步幀的時(shí)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(diǎn)，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)
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(dú)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(zhǎng)線傳輸系統(tǒng)時(shí)，不同功能、不同邏輯電平的芯片互聯(lián)時(shí)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(shí)現(xiàn)了PECL與LVDS之間的轉(zhuǎn)換。還可以使用簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)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(shí)：Ril=2Z0，接收時(shí)Ri2=2Z0；Z0為差分傳輸線的單端阻抗；Ri為驅(qū)動(dòng)（接）收芯片的差分輸入（輸出）阻抗。
對(duì)于常用的LVDS、PECL輸出，要求匹配阻抗Ri=2Z0=100Ω。實(shí)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(dòng)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(hào)的差值；Vppo為匹配網(wǎng)絡(luò)衰減后輸出信號(hào)的差值；Vt為芯片差分輸入的門限。
（4）發(fā)送時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)與驅(qū)動(dòng)盡量靠近；接收時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)與解碼盡量靠近。
匹配網(wǎng)絡(luò)與前后級(jí)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(qiáng)的抗共模干擾能力。差分信號(hào)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(shí)，信號(hào)傳輸線與地是隔離時(shí)，所以效地避免了地線引入的串?dāng)_。而采用單端形式時(shí)，其有效信號(hào)幅度只有雙端輸出的1/2，特別是當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，地線作為信號(hào)傳輸線的一問(wèn)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(yuǎn)的傳輸距離。
在遠(yuǎn)距離戶外傳輸時(shí)，外部瞬間的強(qiáng)電磁干擾，對(duì)傳輸系統(tǒng)會(huì)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(guò)壓保護(hù)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(shí)現(xiàn)了隔離收發(fā)兩端的電系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(jí)的關(guān)系
5.2 差分信號(hào)耦合形式
差分信號(hào)無(wú)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(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(yuǎn)距離傳輸時(shí)，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(shí)際構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，要具體分析芯片的不同功能和特性，來(lái)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(jì)
上面提到的高速邏輯接口，在PCB板上傳輸頻率可以達(dá)1GHz以上，要求嚴(yán)格遵守高頻PCB制作的布線規(guī)則，并對(duì)高速傳輸線進(jìn)行信號(hào)完整性分析。
合理的PCB設(shè)計(jì)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(shù)脂板。并把高頻信號(hào)線與地層相鄰，較好的作法是：地層、微帶層、電源層、信號(hào)層。通常的做法是：微帶層、地層、電源層、信號(hào)層。
（2）發(fā)送端及接收端高速差分信號(hào)線應(yīng)視作微帶線，要優(yōu)先布線，每對(duì)之間寬度一致，分散走線，長(zhǎng)度相同，盡量短直，轉(zhuǎn)彎時(shí)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(jì)算公式為：
Ro=87·ln[5.98h/(0.8W+t)]·[1/(εr+1.41)**(0.5)]
若為微帶傳輸線（stripline），計(jì)算公式為：
R0=60·ln[4h/0.67π(0.8W+t)]·(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(hào)本質(zhì)上屬于模擬信號(hào)，與PCB板上其他數(shù)字信號(hào)應(yīng)區(qū)別開(kāi)，遵循模擬和數(shù)字混合電路的布線原則：模擬地單獨(dú)設(shè)，電源單獨(dú)提供，模擬地與數(shù)字地只有一些會(huì)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(zhǎng)線傳輸?shù)膸讉�(gè)主要問(wèn)題。需要說(shuō)明地是，并不是每一個(gè)具體的系統(tǒng)都與圖1完全一致。在實(shí)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(shí)，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(shí)應(yīng)仔細(xì)區(qū)分。例如有些芯片本身集成了電纜驅(qū)動(dòng)電路，如CLC020、CLC030。有些傳輸芯片沒(méi)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(bǔ)位進(jìn)行8B/10B編碼，多項(xiàng)式運(yùn)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(guò)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(guò)計(jì)算每個(gè)字的碼重來(lái)確定符號(hào)，累計(jì)每個(gè)字的符號(hào)來(lái)決定當(dāng)前字是否翻轉(zhuǎn)（Conditional invert master transition），從而達(dá)到直流平衡的目的。只有詳細(xì)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(zhǎng)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(yùn)行穩(wěn)定。
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