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�本框圖

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)。

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�？梢圆捎脝喂�、雙工、開環(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)重組過程，通常需要ASIC或FPGA來實(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)射端無法收到反饋信息，系統(tǒng)同步難以恢復(fù)，這時(shí)接收

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