數字視頻信號的長(cháng)線(xiàn)傳輸

摘要：在實(shí)時(shí)顯示彩色數字視頻信號時(shí)，通常要求數據傳輸通道具有很高的帶寬和有效的傳輸距離。因此在設計和構建這些高速率的數據傳輸通道的，不但要選擇合理的傳輸形式，而且要對數據的編碼、解碼、并串轉換、驅動(dòng)、接口等電路進(jìn)行認真的研究，以達到最佳的配合。介紹的串行傳輸技術(shù)是最近的設計成果，可以廣泛地應用于海量數據的有線(xiàn)傳輸。 關(guān)鍵詞：差分接口 并轉串/串轉并 PLL LVDS-PECL 大屏幕平板顯示系統，如LED大屏幕顯示系統，廣泛地應用于信息發(fā)布領(lǐng)域和公用事業(yè)。2008年將在北京舉辦的奧運會(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是典型的數字系統，要求動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、清晰穩定地顯示圖像信息。與通信系統相比，這種系統更關(guān)心實(shí)時(shí)地把圖像數據正確地傳輸到顯示器，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(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應具有實(shí)時(shí)、單向傳輸的特點(diǎn)，要求建立穩定的傳輸通道。 系統的信號來(lái)源一般是計算機顯示卡或數字電視信號。以顯示卡為例，如果輸出640%26;#215;480、24bit/pixel、60幀/s標準真彩VGA圖像時(shí)，其輸出點(diǎn)時(shí)鐘達25.175MHz/s，數據位寬為27bit/pixel（考慮Vs、Hs、de）。這樣的海量數據，采用并行傳輸時(shí)，將使傳輸系統十分笨重，需要大量電纜；而采用串行傳輸時(shí)，將使傳輸系統簡(jiǎn)化，必要時(shí)可以采用幾條高速串行通道來(lái)實(shí)現。 為構建穩定的串行傳輸系統，需要對信號進(jìn)行一些特殊的處理，常用的電路模塊有：數據的并串轉換（serialize/deserialize）、4B/5B（8B/10B）轉換、加解擾（scramble/descramble）、電平轉換和驅動(dòng)、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(jìn)行合理的選擇，以滿(mǎn)足不同需要。圖1 傳輸系統基本組成1 長(cháng)線(xiàn)傳輸的基本框圖 圖1概括了構成數字視頻信號長(cháng)線(xiàn)傳輸系統的基本組成。按點(diǎn)時(shí)鐘（PCLK）輸入的并行數據，經(jīng)過(guò)編碼、并轉串、加擾以差分信號的形式輸出。其中編碼實(shí)現4B/5B、8B/10B等編碼轉換，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能量峰值，減少銅介質(zhì)傳輸的電磁輻射。并轉串把并行碼字轉化為高速串行碼流。直流平衡就是在編碼過(guò)程中保證信道中直流偏移為0，電平轉化實(shí)現不同邏輯接口間的匹配。驅動(dòng)則對傳輸信號的能量進(jìn)行放大，并根據物理介質(zhì)的要求進(jìn)行碼型調整。均衡是對信道損失進(jìn)行補償并濾除噪聲。 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(xiàn)），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)，所以應按照不同電纜、不同速率、不同長(cháng)度時(shí)的衰耗以及端口的門(mén)限估算傳輸距離。 建立一個(gè)穩定的傳輸系統，一般具有如下的要求： （1）合理的系統方案設計、選擇； （2）發(fā)射端、接收端建立穩定的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設計。2 選擇合理的方案 根據顯示系統的不同要求，選擇合理的技術(shù)措施，是構成傳輸系統的關(guān)鍵。 （1）確定數據傳輸宏觀(guān)參數 根據系統傳輸的總的碼速率以及傳輸長(cháng)度的要求，來(lái)確定并行或串行傳輸通道數量。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(mén)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:在設計傳輸率時(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(mén)限 Po、Pi：光收發(fā)器發(fā)射、接收的光功率門(mén)限 （2）確定傳輸通道的工作方式?？梢圆捎脝喂?、雙工、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)等，它決定了收發(fā)兩端的鏈接形式，對系統的穩定性起著(zhù)重要作用。 （3）數據重組。根據傳輸通道的特點(diǎn)和數量，把數字視頻信號重新組合為適合傳輸系統芯片所需的格式。它是一個(gè)數據重組過(guò)程，通常需要ASIC或FPGA來(lái)實(shí)現。 （4）每個(gè)數據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(xiàn)。 （5）根據通道的傳輸速率，選擇最佳的收發(fā)芯片和接口電路構成系統。圖3 在數據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 傳輸系統中，每個(gè)通道中高速串行數據都包含有同步信息。在接收端，本地時(shí)鐘要與輸入端幀時(shí)鐘同步，才有可能正確恢復數據。系統初始時(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)送端可以傳輸數據，接收端則提取編碼數據的同步信息維持接收端的鎖定。當發(fā)送端無(wú)數據傳輸時(shí)，可以插入空閑幀（具有維持鎖定的跳變沿），維持鎖定。 在數據視頻信號傳輸中，可以采用雙工回路（圖2）。由于數字視頻傳輸的特點(diǎn)，其雙工通路不同于通信，它的兩條通路可以是不對稱(chēng)的，一條快速通道用于下傳視頻數據，另一條慢速通道傳回是否鎖定等監控信息。發(fā)送端邏輯一旦得到失鎖信息，則停止視頻數據傳輸，強制發(fā)送同步碼，直到收到鎖定信息。 數字視頻傳輸的特點(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，系統在初始時(shí)建立穩定同步，并提取編碼數據中的邊沿維持鎖定。但是一旦失鎖，發(fā)射端無(wú)法收到反饋信息，系統同步難以恢復，這時(shí)接收端不能正確地恢復數據，表現為無(wú)規則的亂碼。為防止這種現象，要周期性地在發(fā)送端強行加入定長(cháng)時(shí)間的同步幀，使接收端無(wú)論是否發(fā)鎖都強制同步一次?？梢?jiàn)，系統的穩定性依賴(lài)于周?chē)己玫碾姶怒h(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，占用了數據傳輸時(shí)間，需要緩沖數據，并把數據重新組合，增加了電路復雜性；（2）在有效數據量不變的情況下，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 不同邏輯電平的轉換 在現行的高速邏輯電平接口中，適合數字視頻傳輸的有ECL、PECL、LVPECL、LVDS、TMDS等形式，具有高速率、低功耗的特點(diǎn)，在告訴數據的傳輸中，經(jīng)常遇到不同邏輯電平的轉換，在表1中列出常用的高速邏輯接口的典型參 數，圖4表示它們之間的直觀(guān)比較。表1 不同接口邏輯電平的典型參數 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，因而得到廣泛的應用。LVDS、TMDS電氣特性相似，主要區別是LVDS由發(fā)送端和負載獨立構成電流回路；而TMDS是由發(fā)送端的恒流源和接收端的電源與負載共同構成電流回路，所以只能直流耦合。 在構成長(cháng)線(xiàn)傳輸系統時(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(zhuān)用芯片構成，如Philip的PTN3310、PTN3311實(shí)現了PECL與LVDS之間的轉換。還可以使用簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現轉換功能及阻抗匹配，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(xiàn)的單端阻抗；Ri為驅動(dòng)（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(shí)際工程中，由于引線(xiàn)電感的存在，Ri應略小于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(mén)限。 （4）發(fā)送時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò )與驅動(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(xiàn)（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)，信號傳輸線(xiàn)與地是隔離時(shí)，所以效地避免了地線(xiàn)引入的串擾。而采用單端形式時(shí)，其有效信號幅度只有雙端輸出的1/2，特別是當進(jìn)行長(cháng)距離傳輸時(shí)，地線(xiàn)作為信號傳輸線(xiàn)的一問(wèn)好，由于受收發(fā)兩端電流、接收電阻等參數的影響，容易引入地線(xiàn)的串擾。故此，可以使用雙同軸構成平衡傳輸，既減小了地線(xiàn)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(xiàn)，在端口電參數一致的情況下，具有更遠的傳輸距離。 在遠距離戶(hù)外傳輸時(shí)，外部瞬間的強電磁干擾，對傳輸系統會(huì )造成嚴重的影響，甚至使芯片損壞，所以應具有完善的過(guò)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抗外界干擾的能力。特別是光傳輸，不但極大地提高系統抗外界干擾的能力。特別是光傳輸，不但有極大的傳輸和抗干擾能力，而且實(shí)現了隔離收發(fā)兩端的電系統，簡(jiǎn)化了系統兩端的供電和共地。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(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)際構成系統時(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，要求嚴格遵守高頻PCB制作的布線(xiàn)規則，并對高速傳輸線(xiàn)進(jìn)行信號完整性分析。 合理的PCB設計主要是指： （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)至少應為高頻玻璃環(huán)氧樹(shù)脂板。并把高頻信號線(xiàn)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(xiàn)應視作微帶線(xiàn)，要優(yōu)先布線(xiàn)，每對之間寬度一致，分散走線(xiàn)，長(cháng)度相同，盡量短直，轉彎時(shí)采用圓弧連接。這樣做是為了減少線(xiàn)間干擾以及反射和振鈴。 每條微帶線(xiàn)的特征阻抗Ro應等于接收端的單端阻抗。 若為微帶線(xiàn)（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(xiàn)（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(xiàn)寬度，εr為介電常數，一般取4.4～5.0；h為微帶線(xiàn)與地層的距離。（3）差分信號本質(zhì)上屬于模擬信號，與PCB板上其他數字信號應區別開(kāi)，遵循模擬和數字混合電路的布線(xiàn)原則：模擬地單獨設，電源單獨提供，模擬地與數字地只有一些會(huì )合，位于總電源入口的地上，可以加入高頻磁珠濾除地線(xiàn)雜波。 以上總結討論了長(cháng)線(xiàn)傳輸的幾個(gè)主要問(wèn)題。需要說(shuō)明地是，并不是每一個(gè)具體的系統都與圖1完全一致。在實(shí)際中，由于使用目的不同、傳輸數據的頻率不同、距離不同、使用的技術(shù)不同、傳輸系統有很大差異。一般組成系統時(shí)，可以采用155M/622M/1.2G以太網(wǎng)物理層芯片，可以采用STMPE規范的數字視頻芯片，還可以采用光通信的傳輸芯片。許多廠(chǎng)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)議及其他具體參數都各有差異，應用時(shí)應仔細區分。例如有些芯片本身集成了電纜驅動(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采用補位進(jìn)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碼的轉換方式；而如HDMP1022/1024，其編碼是通過(guò)D域編碼，再疊加復用C域編碼（frame mux）完成16B/20B，20B/24B編碼則是通過(guò)計算每個(gè)字的碼重來(lái)確定符號，累計每個(gè)字的符號來(lái)決定當前字是否翻轉（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，才能構成成本低、效率高、穩定可靠的傳輸系統。 筆者最近研發(fā)的雙絞線(xiàn)、同軸、光纖長(cháng)線(xiàn)傳輸系統，適合不同頻率范圍、不同距離的應用，使用情況良好，系統運行穩定。

光耦相關(guān)文章:光耦原理

模擬信號相關(guān)文章:什么是模擬信號

電氣符號相關(guān)文章:電氣符號大全

led顯示器相關(guān)文章:led顯示器原理