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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，所以不要求强大的纠错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640×480、24bit/pixel、60帧/s标准真彩VGA图像时，其输出点时钟达25.175MHz/s，数据位宽为27bit/pixel（考虑Vs、Hs、de）。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（serialize/deserialize）、4B/5B（8B/10B）转换、加解扰（scramble/descramble）、电平转换和驱动、接收端的均衡放大（equlize）、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。
图1 传输系统基本组成
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（PCLK）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（scramble）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（同轴，双绞线），光介质（单模，多模光纤）。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：
（1）合理的系统方案设计、选择；
（2）发射端、接收端建立稳定的PLL同步链路；
（3）不同高速逻辑电平的相互配合；
（4）正确的传输方式和耦合方式；
（5）合理的PCB设计。
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2 选择合理的方案
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。
（1）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：
S≤[10lg(Po/Pi)]/Ap(光传输)
S≤[G+20lg(Uot/Uit)]/Au（铜介质）
S：传输距离（m）
G:接收端增益（dB）
Au:在设计传输率时，每米电缆的电压衰耗（dB）
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
（2）确定传输通道的工作方式。可以采用单工、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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
图3 在数据中加入同步码字的基本方法
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（Sync pattern），保证在每一串行码字中存在固定、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（具有维持锁定的跳变沿），维持锁定。
在数据视频信号传输中，可以采用双工回路（图2）。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：（1）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；（2）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
目前常用的逻辑接口有PECL、LVPECL、LVDS等。其中LVDS有更好的电磁兼容性、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：
（1）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（接）收芯片的差分输入（输出）阻抗。
对于常用的LVDS、PECL输出，要求匹配阻抗Ri=2Z0=100Ω。实际工程中，由于引线电感的存在，Ri应略小于2Z0。
（2）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（输入）端的直流偏置；Vos3为驱动接或收芯片的输入（输出）端直流偏置。
(3)电阻网络的衰减应尽量小，Vppo>Vppi>Vt。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。
（4）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
5.1 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（UTP5、STP5）。也可以采用非平衡方式，如同轴电缆（belden828）。
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，简化了系统两端的供电和共地。
图5 匹配网络与前后级的关系
5.2 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：
（1）采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。
（2）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（microstrip），计算公式为：
Ro=87·ln[5.98h/(0.8W+t)]·[1/(εr+1.41)**(0.5)]
若为微带传输线（stripline），计算公式为：
R0=60·ln[4h/0.67π(0.8W+t)]·(1/εr**0.5)
其中，t为铜厚度，W为微带线宽度，εr为介电常数，一般取4.4～5.0；h为微带线与地层的距离。
（3）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/1.2G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、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（frame mux）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翻转（Conditional invert master transition），从而达到直流平衡的目的。只有详细了解不同芯片的特征和参数，才能构成成本低、效率高、稳定可靠的传输系统。
笔者最近研发的双绞线、同轴、光纤长线传输系统，适合不同频率范围、不同距离的应用，使用情况良好，系统运行稳定。
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