TI SDI传输方案
摘要
由于SDI 的高清晰度、传输实时性等优势，最初应用于专业视频广播领域，近年来正越来越多的被安防领域所采用。但由于SDI 的数据传输数据率高，存储数据量大等特性，对部分原来采用IP 网络高清监控方案的安防从业者而言，在设计、应用等方面还存在一定的难度。为了帮助读者更全面地了解和设计SDI，本文介绍了如何选择适当的SDI 信号链器件，如何设计高性能的SDI 信号链，介绍了均衡器、电缆驱动器、重定时器的基本工作原理，PCB 布板和电源设计的建议以及TI 在SDI 领域的具体方案。
1. SDI 简介
SDI，串行数字接口，是用来传输标清、高清、3G 高清等无压缩数字视频信号的一个标准，当前最流行的SDI视频格式如表1所示。由于SDI具有高清特性，时延小，还可以重复利用已布网的模拟视频电缆等优势，正逐渐地被安防、监控等领域广泛采用。目前市面上SDI相关设备主要是SDI延长器、分配器、矩阵、多画面分割、编解码器、SDI光端机、DVR等。
相对于传统的IP监控网络，SDI的优势是非常明显的：
- 在图像清晰度上SDI有无可比拟的优势
高清不仅仅意味着高的分辨率，还必须在超宽动态、白平衡、信噪比、亮度、对比度、锐利度等方面有优秀的表现。IP网络监控视频由于经过编码压缩，在上述图像质量、图像细节等方面都远不及无压缩的SDI。 - SDI传输实时性强
SDI信号的传输不经过压缩环节，没有处理时延；不经过IP网络，不受网络时延的影响。 - 从模拟监控系统升级至SDI可以重复利用已有的布线系统
SDI也是采用同轴75欧姆的电缆和BNC接口，可以方便快捷的从传统的模拟监控系统升级至SDI，而无需像IP网络那样须重新布置网络，这种特性在模拟监控系统的升级改造中具有巨大的优势，因为施工改造IP网络对很多建筑而言是不允许的。
另一方面，SDI也有缺点，比如现阶段成本较高，数据存储量大，远距离传输设计难度较大等，但随着SDI被市场逐渐地广泛采用，上述缺点都会逐渐弱化。
2. SDI 器件的工作原理及TI 相关产品简介
图1 典型的SDI 应用
2.1均衡器
信号的高频成分经过PCB 走线或者电缆传输后相对于信号的低频成分会被衰减得更多，此现象被称为趋肤效应，它会破坏高速信号的信号完整性，使其眼图关闭并增加信号抖动。为了补偿趋肤效应，人们发明了均衡器、预加重器、去加重器来补偿传输线频率响应的不平坦性。图2 是一种传输线和均衡器的频率响应图，传输线模型在高频处会衰减得更多而均衡器在高频处有更高增益，将均衡器的高频增益设置成适当的值，传输线和均衡器串联后会形成在全频带内大致平坦的频率响应。
通常预加重器和去加重器用在高速数字信号传输的发射端，均衡器用在接收端，但在SDI 链路中只在接收端采用均衡器，且一般是自适应均衡器，而在发射端不采用预加重或去加重，因为SDI 设备间可能通过用户定义的任意长度的同轴电缆来连接，任意一个固定的均衡或者预/去加重值都无法灵活地满足各种电缆长度，且业内还没有自适应的预加重器和去加重器。另外，SDI 设备必须即插即用，不允许客户在应用现场手动设置合适的均衡值来得到最佳的电缆传输特性。 因此只有自适应均衡器是理想方案，自适应均衡器可以自动检测信号质量而相应的设置最佳的均衡值而得到最佳的传输通道频率响应。
图2 传输线和均衡器的频率响应
图3 是均衡器的使用效果图，可以看出高速SDI 信号经过一段电缆或者PCB 走线后眼图和抖动性能被均衡器显著改善
图 3 均衡器的使用效果
TI 提供支持SD、HD、3G SDI 全系列的均衡器，如表2 所示。
Family | Equalizer | Description |
3G/HD/SD | LMH0395 | 3G HD/SD SDI Dual Output Low Power Extended Reach Adaptive Cable Equalizer |
LMH0394 | 3G HD/SD SDI Low Power Extended Reach Adaptive Cable Equalizer | |
LMH0384 | 3G HD/SD SDI Extended Reach and Configurable Adaptive Cable Equalizer | |
LMH0344 | 3G HD/SD SDI Adaptive Cable Equalizer | |
HD | LMH0044 | SMPTE 292M / 259M Adaptive Cable Equalizer |
LMH0034 | SMPTE 292M / 259M Adaptive Cable Equalizer | |
SD | LMH0024 | SMPTE 259M / 344M Adaptive Cable Equalizer |
LMH0074 | SMPTE 259M / 344M Adaptive Cable Equalizer |
表 2 均衡器
其中LMH0394 是一款极高性能的均衡器，它的竞争性分析如图4 所示，传输距离很长且功耗很低。
图4 均衡器 LMH0394 竞争性分析
2.2重定时器
SDI 重定时器是用来自动检测输入信号类型，调整自身的PLL和CDR电路而恢复和整形出低抖动的时钟，再重新定时发送出接收到的SDI信号，以降低SDI信号的抖动。虽然均衡器也可以降低SDI信号的抖动，但它和重定时器是两种完全不同的器件，两者不可相互替代。均衡器的作用是通过增加高频增益使传输通道频率响应趋于平坦来改善眼图和信号抖动，而重定时器则是通过PLL和CDR来抑制和降低累加噪声。如果SDI传输通道很长或者传输过程中被其他噪声和干扰恶化，仅有均衡器还不足以改善信号的质量，此时在均衡器输出端再串接一个重定时器是一个理想的提高SDI信号质量的方案。图5描述了重定时器的去抖效果，可见眼图和抖动被明显改善。
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