数字视频信号的长线传输

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:在实时显示彩色数字视频信号时,通常要求数据传输通道具有很高的带宽和有效的传输距离。因此在设计和构建这些高速率的数据传输通道的,不但要选择合理的传输形式,而且要对数据的编码、解码、并串转换、驱动、接口等电路进行认真的研究,以达到最佳的配合。介绍的串行传输技术是最近的设计成果,可以广泛地应用于海量数据的有线传输。 关键词:差分接口 并转串/串转并 PLL LVDS-PECL 大屏幕平板显示系统,如LED大屏幕显示系统,广泛地应用于信息发布领域和公用事业。2008年将在北京举办的奥运会,更加推出了这一产业的发展。 大屏幕平板显示系统是典型的数字系统,要求动态、实时、清晰稳定地显示图像信息。与通信系统相比,这种系统更关心实时地把图像数据正确地传输到显示器,将错误的信号忽略掉,所以不要求强大的纠错检错能力和错码重发功能。通常为降低成本、减小时间延迟不宜采用压缩解压缩的方法进行传输。因此这样的传输系统应具有实时、单向传输的特点,要求建立稳定的传输通道。 系统的信号来源一般是计算机显示卡或数字电视信号。以显示卡为例,如果输出640%26;#215;480、24bit/pixel、60帧/s标准真彩VGA图像时,其输出点时钟达25.175MHz/s,数据位宽为27bit/pixel(考虑Vs、Hs、de)。这样的海量数据,采用并行传输时,将使传输系统十分笨重,需要大量电缆;而采用串行传输时,将使传输系统简化,必要时可以采用几条高速串行通道来实现。 为构建稳定的串行传输系统,需要对信号进行一些特殊的处理,常用的电路模块有:数据的并串转换(serialize/deserialize)、4B/5B(8B/10B)转换、加解扰(scramble/descramble)、电平转换和驱动、接收端的均衡放大(equlize)、PLL、接收端错码检测等。此外,在工程中还要对码速率、传输速率、传输介质进行合理的选择,以满足不同需要。 图1 传输系统基本组成 1 长线传输的基本框图 图1概括了构成数字视频信号长线传输系统的基本组成。按点时钟(PCLK)输入的并行数据,经过编码、并转串、加扰以差分信号的形式输出。其中编码实现4B/5B、8B/10B等编码转换,消除弱码,有助于直流平衡。加扰(scramble)使能量谱均匀分布,避免在某一频段出现能量峰值,减少铜介质传输的电磁辐射。并转串把并行码字转化为高速串行码流。直流平衡就是在编码过程中保证信道中直流偏移为0,电平转化实现不同逻辑接口间的匹配。驱动则对传输信号的能量进行放大,并根据物理介质的要求进行码型调整。均衡是对信道损失进行补偿并滤除噪声。 可以采用不同的传输介质进行传输,铜介质(同轴,双绞线),光介质(单模,多模光纤)。在采用光传输时,图1中加解扰模块可以略去不用。有效传输距离与码速率、介质、接口、环境有关,所以应按照不同电缆、不同速率、不同长度时的衰耗以及端口的门限估算传输距离。 建立一个稳定的传输系统,一般具有如下的要求: (1)合理的系统方案设计、选择; (2)发射端、接收端建立稳定的PLL同步链路; (3)不同高速逻辑电平的相互配合; (4)正确的传输方式和耦合方式; (5)合理的PCB设计。 2 选择合理的方案 根据显示系统的不同要求,选择合理的技术措施,是构成传输系统的关键。 (1)确定数据传输宏观参数 根据系统传输的总的码速率以及传输长度的要求,来确定并行或串行传输通道数量。如果采用串行通道,确定每个通道的码速率和有效传输距离。传输通道的传输距离与介质、码速率、接口电平门限有关,可参阅有关表格。下面给出一个估算公式: S≤[10lg(Po/Pi)]/Ap(光传输) S≤[G+20lg(Uot/Uit)]/Au(铜介质) S:传输距离(m) G:接收端增益(dB) Au:在设计传输率时,每米电缆的电压衰耗(dB) Ap:每公里的功率衰耗 Uot、Uit:分别为差分输出端,与输入端的电压门限 Po、Pi:光收发器发射、接收的光功率门限 (2)确定传输通道的工作方式。可以采用单工、双工、开环、闭环等,它决定了收发两端的链接形式,对系统的稳定性起着重要作用。 (3)数据重组。根据传输通道的特点和数量,把数字视频信号重新组合为适合传输系统芯片所需的格式。它是一个数据重组过程,通常需要ASIC或FPGA来实现。 (4)每个数据通道的传输率和接口要求,确定传输介质。通常采用的传输介质包括多模、单模光纤、同轴电缆、双绞线。 (5)根据通道的传输速率,选择最佳的收发芯片和接口电路构成系统。 图3 在数据中加入同步码字的基本方法 3 可靠的PLL同步环路的建立 传输系统中,每个通道中高速串行数据都包含有同步信息。在接收端,本地时钟要与输入端帧时钟同步,才有可能正确恢复数据。系统初始时,发送端发出的一串特殊同步码字(Sync pattern),保证在每一串行码字中存在固定、唯一的跳变沿,使接收端的PLL锁定。在锁定建立后,发送端可以传输数据,接收端则提取编码数据的同步信息维持接收端的锁定。当发送端无数据传输时,可以插入空闲帧(具有维持锁定的跳变沿),维持锁定。 在数据视频信号传输中,可以采用双工回路(图2)。由于数字视频传输的特点,其双工通路不同于通信,它的两条通路可以是不对称的,一条快速通道用于下传视频数据,另一条慢速通道传回是否锁定等监控信息。发送端逻辑一旦得到失锁信息,则停止视频数据传输,强制发送同步码,直到收到锁定信息。 数字视频传输的特点,可以采用简单的单工方式进行传输。这种方式更为简单,系统在初始时建立稳定同步,并提取编码数据中的边沿维持锁定。但是一旦失锁,发射端无法收到反馈信息,系统同步难以恢复,这时接收端不能正确地恢复数据,表现为无规则的乱码。为防止这种现象,要周期性地在发送端强行加入定长时间的同步帧,使接收端无论是否发锁都强制同步一次。可见,系统的稳定性依赖于周围良好的电磁环境和硬件的可靠性。其缺点是:(1)由于定时插入同步帖,占用了数据传输时间,需要缓冲数据,并把数据重新组合,增加了电路复杂性;(2)在有效数据量不变的情况下,提高了传输速率的要求。 图3表示单工传输方式时两种插入同步帧的时序。 4 不同逻辑电平的转换 在现行的高速逻辑电平接口中,适合数字视频传输的有ECL、PECL、LVPECL、LVDS、TMDS等形式,具有高速率、低功耗的特点,在告诉数据的传输中,经常遇到不同逻辑电平的转换,在表1中列出常用的高速逻辑接口的典型参 数,图4表示它们之间的直观比较。 表1 不同接口逻辑电平的典型参数 SYMBOL ECL(LVECL) PECL LVPECL LVDS(general) LVDS(lowpower) TMDS Unit Vcc 0 5.0 +3.3 +3.3 +3.3 3.3 V Vee -5.2(-3.3) 0 0 0 0 0 V oh -0.955 4.045 2.345 1.4 1.325 3.3 V Vol -1.705 3.295 1.595 1.0 1.075 2.8 V Vpp   750 750 400 250 500 mV Vos   3.67 1.970 1.2 1.2 3.05 V 目前常用的逻辑接口有PECL、LVPECL、LVDS等。其中LVDS有更好的电磁兼容性、较小的功耗,因而得到广泛的应用。LVDS、TMDS电气特性相似,主要区别是LVDS由发送端和负载独立构成电流回路;而TMDS是由发送端的恒流源和接收端的电源与负载共同构成电流回路,所以只能直流耦合。 在构成长线传输系统时,不同功能、不同逻辑电平的芯片互联时要保证电平与阻抗的匹配。这些匹配功能可以用一些专用芯片构成,如Philip的PTN3310、PTN3311实现了PECL与LVDS之间的转换。还可以使用简单的电阻网络来实现转换功能及阻抗匹配,但是引入了衰减。要求匹配网络具有: (1)阻抗匹配,发送时:Ril=2Z0,接收时Ri2=2Z0;Z0为差分传输线的单端阻抗;Ri为驱动(接)收芯片的差分输入(输出)阻抗。 对于常用的LVDS、PECL输出,要求匹配阻抗Ri=2Z0=100Ω。实际工程中,由于引线电感的存在,Ri应略小于2Z0。 (2)直流偏置平衡Vos=Vos1、Vos2=Vos3;Vos1、Vos2为匹配网络两端的直流偏置;Vos为编解码芯片输出(输入)端的直流偏置;Vos3为驱动接或收芯片的输入(输出)端直流偏置。 (3)电阻网络的衰减应尽量小,Vppo>Vppi>Vt。Vppi为匹配网络输入信号的差值;Vppo为匹配网络衰减后输出信号的差值;Vt为芯片差分输入的门限。 (4)发送时,匹配网络与驱动尽量靠近;接收时,匹配网络与解码尽量靠近。 匹配网络与前后级的关系如图5所示。 5 正确的传输方式和耦合方式 5.1 正确的传输方式 数字视频的传输接口通常是差分接口,它具有较强的抗共模干扰能力。差分信号可以采用平均方式传输,如双绞线(UTP5、STP5)。也可以采用非平衡方式,如同轴电缆(belden828)。 采用双端形式时,信号传输线与地是隔离时,所以效地避免了地线引入的串扰。而采用单端形式时,其有效信号幅度只有双端输出的1/2,特别是当进行长距离传输时,地线作为信号传输线的一问好,由于受收发两端电流、接收电阻等参数的影响,容易引入地线的串扰。故此,可以使用双同轴构成平衡传输,既减小了地线干扰,又保证了较好的传输特性。同轴电缆的频率特性干扰于双绞线,在端口电参数一致的情况下,具有更远的传输距离。 在远距离户外传输时,外部瞬间的强电磁干扰,对传输系统会造成严重的影响,甚至使芯片损坏,所以应具有完善的过压保护措施和隔防措施。如果采用传输变压器的隔离耦合或光耦合,可以极大地提高系统抗外界干扰的能力。特别是光传输,不但极大地提高系统抗外界干扰的能力。特别是光传输,不但有极大的传输和抗干扰能力,而且实现了隔离收发两端的电系统,简化了系统两端的供电和共地。 图5 匹配网络与前后级的关系 5.2 差分信号耦合形式 差分信号无论是双端还是单端传输,都可以采用直流耦合。相同电平的逻辑接口之间均可直接耦合;不同电平的逻辑接口之间要通过匹配网络进行直流耦合;只有那些具有完善加解扰功能的芯片,才可使用交流耦合方式。在远距离传输时,为使收发两端直流隔离,避免外部可能引入的直流漂移,宜采用交流耦合方式。实际构成系统时,要具体分析芯片的不同功能和特性,来确定采用何种耦合方式。图6为两种典型 的交流传输方式。 6 合理的PCB设计 上面提到的高速逻辑接口,在PCB板上传输频率可以达1GHz以上,要求严格遵守高频PCB制作的布线规则,并对高速传输线进行信号完整性分析。 合理的PCB设计主要是指: (1)采用高频性能好的四层或四层以上的多层PCB板,PCB板材质至少应为高频玻璃环氧树脂板。并把高频信号线与地层相邻,较好的作法是:地层、微带层、电源层、信号层。通常的做法是:微带层、地层、电源层、信号层。 (2)发送端及接收端高速差分信号线应视作微带线,要优先布线,每对之间宽度一致,分散走线,长度相同,尽量短直,转弯时采用圆弧连接。这样做是为了减少线间干扰以及反射和振铃。 每条微带线的特征阻抗Ro应等于接收端的单端阻抗。 若为微带线(microstrip),计算公式为: Ro=87%26;#183;ln[5.98h/(0.8W+t)]%26;#183;[1/(εr+1.41)**(0.5)] 若为微带传输线(stripline),计算公式为: R0=60%26;#183;ln[4h/0.67π(0.8W+t)]%26;#183;(1/εr**0.5) 其中,t为铜厚度,W为微带线宽度,εr为介电常数,一般取4.4~5.0;h为微带线与地层的距离。 (3)差分信号本质上属于模拟信号,与PCB板上其他数字信号应区别开,遵循模拟和数字混合电路的布线原则:模拟地单独设,电源单独提供,模拟地与数字地只有一些会合,位于总电源入口的地上,可以加入高频磁珠滤除地线杂波。 以上总结讨论了长线传输的几个主要问题。需要说明地是,并不是每一个具体的系统都与图1完全一致。在实际中,由于使用目的不同、传输数据的频率不同、距离不同、使用的技术不同、传输系统有很大差异。一般组成系统时,可以采用155M/622M/1.2G以太网物理层芯片,可以采用STMPE规范的数字视频芯片,还可以采用光通信的传输芯片。许多厂家提供这样的芯片,如National、Ti、Agilent、Maxim、Cypress等。 这些芯片的功能、频率适用范围、输出逻辑电平、适用协议及其他具体参数都各有差异,应用时应仔细区分。例如有些芯片本身集成了电缆驱动电路,如CLC020、CLC030。有些传输芯片没有加扰功能,如DS90CR583/584、DS92LV1023/1024。此外不同芯片的编码解码、加扰解扰的方式也各有差异。例如CLC020采用补位进行8B/10B编码,多项式运算完成加扰,直流平衡采用常用的NRZ/NRZI码的转换方式;而如HDMP1022/1024,其编码是通过D域编码,再叠加复用C域编码(frame mux)完成16B/20B,20B/24B编码则是通过计算每个字的码重来确定符号,累计每个字的符号来决定当前字是否翻转(Conditional invert master transition),从而达到直流平衡的目的。只有详细了解不同芯片的特征和参数,才能构成成本低、效率高、稳定可靠的传输系统。 笔者最近研发的双绞线、同轴、光纤长线传输系统,适合不同频率范围、不同距离的应用,使用情况良好,系统运行稳定。
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