数字视频信号的长线传输.docx

1、数字视频信号的长线传输数字视频信号的长线传输摘要：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

2、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640480、24bit/pixel、60帧/s标准真彩VGA图像时，其输出点时钟达/s，数据位宽为27bit/pixel。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

3、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、4B/5B转换、加解扰、电平转换和驱动、接收端的均衡放大、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。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

4、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，光介质。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合理的系统方案设计、选择；发射端、接收端建立稳定的PLL同步链路；不同高速逻辑电平的相互配合；正确的传输方式和耦合方式；合理的PCB设计。2 选择合理的

5、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。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S10lg(Po/Pi)/Ap(光传输)SG+20lg(Uot/Uit)/AuS：传输距离G:接收端增益Au:在设计传输率时，每米电缆的电压衰耗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、接收的光功率门限确定传输通道的工作方式。可以采用单

6、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。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。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。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。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，保证在每一串行码字中存在固定、

7、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，维持锁定。在数据视频信号传输中，可以采用双工回路。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

8、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：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；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

9、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SYMBOLECL(LVECL)PECLLVPECLLVDS(general)LVDS(lowpower)+(-)750750400250500mVVos目前常用的逻辑接口有PECL、LVPECL、LVDS等。其中LVDS有更好的、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

10、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为驱动收芯片的差分输入阻抗。对于常用的LVDS、PECL输出，要求匹配阻抗Ri=2Z0=100。实际工程中，由于引线电感的存在，Ri应略小于2Z0。 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为编解码芯片输出端的直流偏置；Vos

11、3为驱动接或收芯片的输入端直流偏置。 (3)电阻网络的衰减应尽量小，VppoVppiVt。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。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 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。也可以采用非平衡方式，如同轴电缆。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

12、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

13、两端的供电和共地。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设计主要是指采

14、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。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，计算公式为Ro=87ln/(+t)1/(r+)*()若为微带传输线，计算公式为R0=60ln4h/(+t)(1/r*)其中，t为铜厚度，W为微带线宽度，r为介电常数，一般取；h为微

15、带线与地层的距离。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/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

16、、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