構建高性能的同步鎖相系統改善廣播視頻定時(shí)

　　一個(gè)新的信號進(jìn)入到演播室，首先需要做的事情就是通過(guò)使用同步鎖相電路將其與演播室中的其他信號同步。同步鎖相系統由均衡器、解串行化器、同步分離器、串行化器、幀傳沖器以及定時(shí)控制六個(gè)功能模塊組成。本文將分析從這六個(gè)模塊來(lái)改善視頻系統定時(shí)性能的方法。   
　　稍微注意一下就可以發(fā)現，在世界上有很多種不同的廣播視頻演播室工作在不同的格式，一些是數字信號，一些是模擬格式的信號。今天，美國在使用的就有多種高清電視光柵格式。如果你試圖計算SMPTE292M HD標準涵蓋的不同光柵格式的數量，恐怕有數十個(gè)之多。


圖1 同步鎖相系統的主要組成部分


圖2  Belden 1694A的頻率響應

　　在任何演播室內都有很多不同的信號，它們之間相互同步。用視頻術(shù)語(yǔ)的說(shuō)法就是它們是同步鎖相的。同步鎖相允許在一個(gè)信號和另外一個(gè)信號之間簡(jiǎn)單地切換，不需要中斷接收設備中的同步電路。為實(shí)現這點(diǎn)，需要將任何外部源信號同步鎖相到演播室中的其他信號。大多數演播室使用模擬信號作為他們的定時(shí)基準信號，定時(shí)信息需要從這個(gè)信號中截取，以允許用于對輸入信號進(jìn)行同步鎖相。

　　當一個(gè)新的信號進(jìn)入到演播室，無(wú)論這個(gè)信號是來(lái)自衛星電視接收器、攝像機或者任何其它來(lái)源，首先需要做的事情就是通過(guò)使用同步鎖相電路將其與演播室中的其他信號同步。圖1所示為同步鎖相系統的功能框圖，在這個(gè)框圖中獲得一個(gè)SDI(串行數字接口)輸入信號，并將其與一個(gè)提供的模擬基準信號同步。在本文中，我們將詳細地了解這種應用，以及這六個(gè)模塊的設計考量。

　　電纜均衡器

　　在視頻廣播設備上的SDI輸入通常支持很長(cháng)的電纜傳輸：對于高清晰度視頻信號可以達到140米以上，對于標準清晰度信號可以超過(guò)300米。為支持更長(cháng)的電纜，需要增加電纜均衡器。

　　長(cháng)的電纜具有低通的特性，在這個(gè)電纜中輸入信號的衰減與電纜的長(cháng)度成正比，以及與頻率的平方根成正比。圖2顯示了一個(gè)長(cháng)100米的普通電纜(Belden 1694A)的頻率響應。

　　盡管了解到隨頻率改變衰減的變化對于設計用于恢復信號的濾波器很有用，但是你真正想看到的是眼圖。眼圖能告訴直觀(guān)地讓你從信號眼圖的張開(kāi)程度判斷是不是足以能恢復數據。圖3顯示了1.5Gbps信號(HD-SDI信號)通過(guò)多種不同長(cháng)度電纜后的眼圖，隨著(zhù)電纜的長(cháng)度增加，眼圖的張開(kāi)度出現非常明顯的變化。就本文的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，趨膚效應的主要結果是隨著(zhù)頻率的增加，電纜中用于承載信號的導體橫斷面部分越來(lái)越小，因此越高頻率的信號衰減越高。這種損耗的響應曲線(xiàn)將正比于，這使得對于標準類(lèi)型的濾波器來(lái)說(shuō)，進(jìn)行補償更加困難。

　　為匹配電纜的頻率響應，設計師必須很小心地在他/她的濾波器中配置零點(diǎn)，以使最終的響應更接近電纜的響應。

　　為滿(mǎn)足同時(shí)要求高增益和高帶寬的需求，在外部實(shí)現均衡器電路，采用像美國國家半導體公司的0.25微米BiCMOS SiGe工藝。這些均衡器的一種實(shí)例如LMH0044電纜均衡器，該器件具有從143 Mbps到1.485 Gbps的很寬數據速率范圍，可以實(shí)現直流恢復以正確處理失真數據條件(對于低數據速率的應用，直流恢復可以被旁路)，該均衡器可以以單端終結或差分配置進(jìn)行驅動(dòng)。它具有的其他功能包括分離的載波檢測和輸出靜噪(mute)管腳，當沒(méi)有信號時(shí)將兩個(gè)管腳連接，使輸出處于靜噪狀態(tài)。采用該器件，你可以在200米的Belden 1694A電纜上恢復高達1.5Gbps的數據率信號。

　　解串行器

　　在你完成使輸入信號的“眼圖”展開(kāi)的艱難工作之后，你必須使輸入的數據位有意義，這個(gè)工作需要使用到解串行化器。視頻圖像具有一個(gè)非常有規則的重復格式，它們是獨立的數據位組成，這些數據位在下一個(gè)最高級組織中被劃分成10位的字，然后依次劃分成像素。一串像素組成一條線(xiàn)，一系列的線(xiàn)又組成一個(gè)場(chǎng)，一個(gè)或更多的場(chǎng)組成一個(gè)完整的視頻幀。


圖3  HD-SDI信號通過(guò)同軸電纜后眼圖變化


圖4  經(jīng)過(guò)均衡處理后的輸出信號


圖5  電纜均衡器LMH0044的典型應用電路圖

　　為整理出這個(gè)組織，SMPTE數據在每一條線(xiàn)的起始與結束時(shí)發(fā)送一個(gè)稱(chēng)為定時(shí)基準信號(TRS)的特殊序列。通過(guò)檢測這個(gè)TRS，它允許接收器計算出每個(gè)信號的字和線(xiàn)的排列。在每條線(xiàn)的末尾插入一些額外的字，這些字用于告訴接收器這條線(xiàn)的序號。同時(shí)還包括了CRC，這樣接收器就能判斷它是否正確地接收到這條線(xiàn)中的所有數據。

　　下面幾種情況會(huì )對收器的正確接收造成很大影響：直流內容和長(cháng)段時(shí)間內沒(méi)有轉換(0與1之間的轉換)。大多數通信系統具有控制這個(gè)問(wèn)題的方法，就SMPTE 292串行標準(HD-SDI)而言，它同時(shí)對數據采用了擾碼和編碼處理。


圖6  同步鎖相系統中的主要組件


圖7  LMH1981同步分離器與PLL產(chǎn)生像素時(shí)鐘的框圖

　　一個(gè)好的解串行化器將能截取所有這些信息，為你提供你的系統所需要的信息。對于本應用來(lái)說(shuō)，它由圖像數據和定時(shí)數據組成。像LMH0031這樣的解串行化器將能實(shí)現這樣的工作，在10位的數據總線(xiàn)上輸出圖像數據。定時(shí)數據以三種數字信號的形式呈現，分別代表H(水平線(xiàn)開(kāi)始)、V(場(chǎng)間隙起始)和F(幀起始)。如果光柵格式不是隔行的，則你可以只使用H和V，因為它們是相同的。

　　串行數據進(jìn)入到解串行化器，在這里這些數據被解碼并被解擾。然后進(jìn)行分析以發(fā)現TRS，TRS可以讓解串行化器知道如何將這些位數據分成字。進(jìn)一步對TRS進(jìn)行分析來(lái)獲得被編碼的定時(shí)信息，對定時(shí)信息進(jìn)行解碼并解擾數據，然后確定組幀，這樣解串行化數據可以正確地進(jìn)行字排列。所有這些活動(dòng)通常都在解串行化器中完成。

　　分離器與PLL的同步

　　盡管視頻領(lǐng)域大多數時(shí)候都是數字的，但其中有個(gè)領(lǐng)域依然常見(jiàn)為模擬的，那就是同步基準信號，演播室用這個(gè)信號來(lái)同步所有的設備。最常用的基準信號是一種不包含圖像信息的視頻信號。這是由一串脈沖信號組成，用于標志每個(gè)視頻線(xiàn)的起始，一種特定的模式用于標志每個(gè)場(chǎng)或幀的結束。在我們的同步鎖相電路的這個(gè)模塊中，一個(gè)同步分離電路從基準信號中獲取H、V和F(水平線(xiàn)起始、場(chǎng)起始和新幀的起始)，PLL電路產(chǎn)生一個(gè)像素時(shí)鐘，該時(shí)鐘與基準信號同步。

　　標準模擬標清或高清視頻信號，輸出以CMOS邏輯電平提供所有的關(guān)鍵定時(shí)信號，包括復合同步信號、水平同步信號和場(chǎng)同步信號。其水平同步信號輸出具有低抖動(dòng)的特點(diǎn)，不需要采用外部電路來(lái)消除抖動(dòng)。LMH1981能自動(dòng)地檢測輸入視頻格式，因而不需要采用微控制器或外部RSET電阻進(jìn)行編程設定，并應用50%的同步限幅以確保準確的同步提取，即使是輸入具有不規律的幅度、偏移或噪聲條件。

　　為產(chǎn)生像素時(shí)鐘，PLL應該設置以鎖定到LMH1981的行同步信號(Hsync)輸出，并產(chǎn)生期望的時(shí)鐘頻率，對于標清視頻信號來(lái)說(shuō)這個(gè)頻率為27MHz，對于高清視頻信號來(lái)說(shuō)為74MHz。當使用PLL來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘時(shí)需要考慮的事情是分頻比可以非常大并減少環(huán)路帶寬，這可能使得PLL對行同步信號上的抖動(dòng)非常敏感。因此，選擇一個(gè)具有非常低抖動(dòng)行同步輸出的同步分離器非常重要。

　　幀緩沖器

幀緩沖器是一個(gè)簡(jiǎn)單的存儲器模塊，具有足夠大的容量來(lái)至少保存一個(gè)完整的圖像幀。這個(gè)緩沖器需要有兩個(gè)端口，這樣一來(lái)，從解串行化器中來(lái)的數據可以被寫(xiě)入到緩沖器的一端，同時(shí)數據可以從緩沖器的另一端獨處，以饋入到串行化器中。緩沖器的組織與視頻圖像一樣，連續的像素組成完整的線(xiàn)，連續的線(xiàn)組成一個(gè)完整的幀。

　　定時(shí)控制

　　定時(shí)控制是整個(gè)同步鎖相系統的核心，定時(shí)控制的基本功能是對幀緩沖器寫(xiě)入以及從幀緩沖器中讀取的控制。定時(shí)控制需要跟蹤兩個(gè)不同的定時(shí)域。在輸入端，它接收來(lái)自解串行化器的數據、定時(shí)信息和時(shí)鐘，數據被寫(xiě)入到幀緩沖器中，利用一連串的計數器來(lái)跟蹤像素和線(xiàn)信息。這個(gè)數據的寫(xiě)入與從解串行化器中恢復的時(shí)鐘同步。同時(shí)，定時(shí)控制從同步分離器和像素時(shí)鐘中獲得定時(shí)信息。
這些與第二組計時(shí)器一起用來(lái)從幀緩沖器器中讀取數據。這個(gè)數據與基準同步信號同步讀出，這樣一來(lái)，解串行化器接收到的圖像就可以與基準信號同步讀取。

　　數據隨同像素時(shí)鐘一起被饋入到串行化器中以輸出。盡管視頻信號具有非常嚴格的定時(shí)規范，在輸入和輸出數據速率之間存在一些差異，這種差異意味著(zhù)最終幀緩沖器將要么騰空，或者要么溢出。定時(shí)控制電路必須識別出這種情況，并周期性地重復一個(gè)幀，或者丟棄一個(gè)幀以保持輸入和輸出之間的定時(shí)差異小于幀緩沖器的大小。

　　串行化器

　　一旦數據從幀緩沖器中讀出，這些數據將是并行的格式。在它被發(fā)送到下一個(gè)設備之前需要進(jìn)行串行化和格式化以滿(mǎn)足SMPTE 292M HD-SDI入新的TRS參數，計算并插入新的行號以及CRC，數據通過(guò)SMPTE擾碼算法進(jìn)行擾碼處理，并在從并行數據轉換到串行移位寄存器之前轉換成NRZI格式。

　　正確實(shí)現這些的關(guān)鍵是使用一個(gè)足夠干凈的時(shí)鐘，以滿(mǎn)足嚴格的視頻定時(shí)規范以將數據移出。SMPTE 292M允許在串行化輸出上不超過(guò)0.2UI的抖動(dòng)峰峰值，這意味著(zhù)時(shí)鐘抖動(dòng)應該低于大約100 ps p-p。大多數串行化器采用并行數據速率的時(shí)鐘作為它們的輸入時(shí)鐘(對于高清，這個(gè)時(shí)鐘接近74MHz)，然后進(jìn)行倍頻以達到1.5GHz的串行速率。

　　大多數好的串行化器都會(huì )使用PLL用于這種倍頻，這樣可以抑制掉最初的并行時(shí)鐘上的抖動(dòng)。然而，為獲得最佳的性能，最好采用干凈的時(shí)鐘。在示例的同步分離器/時(shí)鐘發(fā)生電路中，將采用一個(gè)具有非常低抖動(dòng)的VCXO來(lái)產(chǎn)生像素時(shí)鐘，這樣加上串行化器非常低的抖動(dòng)抑制特性，將可以獲得非常低的抖動(dòng)輸出。采用LMH0030串行化器以及VCXO時(shí)鐘源，你可以得到的串行抖動(dòng)接近75ps，遠遠低于0.2UI。

　　這里采用的串行化器LMH0030具有輔助的數據先入先出(FIFO)緩沖器和集成的電纜驅動(dòng)器，具有編碼、串行化處理和發(fā)送SMPTE125M和267M標準清晰度的10位分量視頻(component video)位并行數字視頻數據，以及SMPTE 260M、274M、295M和296M高清晰度20位寬的分量視頻標準。

　　LMH0030可以實(shí)現的功能包括并行到串行數據轉換、SMPTE標準數據編碼、NRZ到NRZI數據格式轉換、串行數據時(shí)鐘發(fā)生以及串行數據編碼、自動(dòng)視頻速度和格式檢測、輔助數據包管理和插入以及串行數據輸出驅動(dòng)等。

　　LMH0030還具有獨特的多功能I/O端口用于直接訪(fǎng)問(wèn)控制和配置設置。該端口可以進(jìn)行編程以提供對控制功能的外部訪(fǎng)問(wèn)。因此，設計工程師可以進(jìn)行定制來(lái)滿(mǎn)足期望應用需求。在上電或重新復位后，LMH0030將自動(dòng)配置成缺省工作條件，用以輸出驅動(dòng)器、PLL和串行化器的分離電源管腳可以改善電源抑制、輸出抖動(dòng)和噪聲性能。