8.1 视频接口：什么是串行数字接口

[音乐播放] 大家好，欢迎观看 TI高精度实验室视频 在本系列中，我们将讨论串行数字接口， 也称 SDI SDI 用于视频传输和电视台、 高端视频捕获和存储 应用 在第一节课程中，我们将 讨论 SDI 信号路径中涉及的 元件及其传输介质75 欧姆同轴电缆的 影响及其特性 然后，我们将讨论 SDI 数据 编码和成帧如何帮助提高 SDI 组件的性能 在后续课程中，我们将更详细地 讨论每个特定SDI 组件的参数表 在 SDI 环境中，由摄像头 100 欧姆 接口等信号源驱动的电缆驱动器 以极小的固有抖动向 75 欧姆 同轴电缆传输介质提供最佳 质量信号 信号经过 75 欧姆同轴电缆介质后， 信号信息是无法分辨的 这是因为信号的 高频分量会严重衰减 接收器端的同轴自适应 电缆均衡器可恢复原始的高频 成分和信号 接下来，时钟数据恢复锁相环 会恢复输入信号时钟， 这用于对数据进行重定时或计时 CDR 环路滤波器带宽可使高频 噪声衰减，同时让低频噪声或抖动通过 请注意，CDR 使用均衡器速率 检测器滤波器来根据数据速率更改 环路滤波器带宽 现在，让我们详细查看同轴电缆的特性， 以了解它如何导致信号眼图闭合 SDI 视频传输的主要介质是 75 欧姆同轴电缆 该电缆具有带金属网 屏蔽层和聚乙烯电介质材料的外部 绝缘层 该材料的介电常数约为 2.4， 但有些制造商会在电介质中添加空气， 使其变得可弯曲，这可以将介电常数 修改为约 1.42 如下面的公式所示，除介电 常数之外，内部导体和电介质 材料的直径也必须保持恒定， 以便将其特性阻抗保持在 恒定的 75 欧姆 此外，电容和电感必须保持 尽可能低，以最大程度地 减轻低通滤波效应 SDI 单端 75 欧姆传输介质具有 低通滤波效应，这会使数据模式的 高频成分衰减 这是插入损耗与频率间的关系图， 此时信号衰减将随数据速率的增加而增加 该图显示了两条很重要的信息 第一，数据速率与电缆长度极限之间的关系 例如，在使用 600米的电缆时，您的 基波频率必须低于 180 兆赫兹， 这意味着数据速率必须为 360 兆位/秒 或更低 第二，均衡或增益动态范围 对于该示例均衡器，增益应至少为 50dB 请注意，为了恢复信号， 我们至少需要具有10 至 15dB 的信噪比 例如，在给定720 毫伏电缆 驱动器启动幅度的情况下， 均衡器的本底噪声必须大约为 0.7 毫伏 该要求需要出色的模拟 设计和低噪声处理技术 另一方面，一条长300 米、工作频率为 180 兆赫兹的同轴电缆具有约 25dB 的插入损耗 在这种情况下，我们的 720 毫伏 信号会衰减到大约 40 毫伏 因此，它更容易恢复 同样，一条 80 米的同轴电缆以 6GHz 的 频率工作时具有约 50dB 的损耗 这意味着只要我们的均衡器 具有 50dB 的增益以及10 至 15dB 的信噪比， 就能够在速率为12 兆位/秒的情况下 实现 80 米的电缆长度 让我们更深入地探究导致 SDI 75 欧姆传输介质插入损耗和低通滤波 效应的因素 SDI 75 欧姆同轴电缆介质有三种损耗 第一种是电阻损耗，这通常指定为 每单位长度的 dB 损耗 该损耗主要影响视频信号的低频 成分 第二种是趋肤效应， 用于指定电场穿透的深度 它与频率平方根的倒数成正比 最后一种是介电损耗， 它与信号频率和介质的损耗角 正切成正比 正如我们刚才讨论的那样，同轴电缆会使高频成分 衰减 因此，介电损耗是我们最需要 关注的问题 存在一个交叉频率，在该频率下趋肤效应损耗 和介电损耗相同 对于小于交叉频率的频率， f 平方根的倒数对趋肤效应具有更大的影响 对于高于 fe 的频率，介电损耗具有 更大的影响 介电损耗相对于频率的斜率高于趋肤效应相对于 频率的斜率 请注意，电缆的电容越低， 交叉频率就越高 较高的交叉频率通常 表示电缆质量较高 当自适应均衡器器件使用增益 来恢复信号时，数据编码或 数据成帧技术被用于扩展数据 模式频率成分 电影电视工程师学会 或 SMPTE 为视频数据 处理的每个步骤提供了详细的规范 这样做是为了保证不同视频 设备之间的互操作性和质量 例如，SMPTE 274规范要求标度 方程 这样做是为了实现同一基准视频和音频级别 此外，还指定了3dB 低通滤波器 截止频率，以消除混叠效应 SMPTE 还指定了ADC 采样率，用于 数字化 RGB 信号 最后但并非最不重要的是，SMPTE 274 指定了信号的交错 和扰频 这样做是为了将信号扩展到整个 带宽，以实现更大的电缆长度 扰频器的另一个作用 是提供直流平衡数据模式 在该示波器屏幕截图中，我们将展示这两种模式 之间的差异 直流平衡数据中点是恒定的， 而非直流平衡数据显示直流值的变化 该变化称为直流漂移 非直流平衡数据模式会降低电缆均衡器 性能 此外，如果存在这种 模式，CDR抖动会增加 尽管 SMPTE 要求使用扰频器 来实现直流平衡数据，但 Takeo Iguchi 后来的 研究表明，在某些情况下， SMPTE 指定的扰频器可能会产生非直流 平衡数据模式 这种非直流平衡数据 模式称为病态视频模式 均衡器病态模式具有 19 个 0，后跟1 个 1，反之亦然 这种模式可能会对同轴电缆均衡器施加压力 还有另一种带来 SDI 停用 压力的模式，该模式称为 PLL 病态 该模式具有 20 个0，后跟 20 个 1， 反之亦然 为了回顾一下我们刚才讨论的内容， 让我们来做一个小测验 选择所有正确的陈述 A，SDI 电缆驱动器能够以极小的附加抖动对 75 欧姆同轴电缆进行转换 B，自适应收集均衡器针对所有数据速率使用相同的 高频升压跟随器 C，SDI 时钟恢复器会对高频抖动进行 衰减，而低频抖动可以通过 D，SDI 时钟恢复器会对低频抖动进行 衰减，而高频抖动可以通过 正确答案是 A 和C让我们来看 下一个问题 选择所有正确的陈述 A，对于 NRZI模式，存在 1 时 数据会发生变化 B，NRZI 使 SDI 模式极性变得不敏感 C，直流平衡数据意味着模式中存在 相同数量的 0 和 1 D，病态数据模式不是直流平衡的 正确答案是A、B、C 和 D 最后，在高频率下，哪种损耗更具主导地位？ 是介电损耗、趋肤效应损耗还是由于介质电阻 导致的直流损耗？ 答案是 A介电损耗与 f 的倒数成正比，而 趋肤效应损耗与 f 平方根的倒数 成正比 因此介电损耗更具主导地位 最后，我希望您喜欢“什么是 SDI 及其介质特性” 课程 在后续课程中，我们将更详细地 讨论由 SMPTE管理的具体参数 如有疑问以及需要获取其他信息， 请访问位于TI.com 的 TI E2E 社区