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數(shù)字視頻信號的長線傳輸
摘要：在實時顯示彩色數(shù)字視頻信號時，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，而且要對數(shù)據(jù)的編碼、解碼、并串轉(zhuǎn)換、驅(qū)動、接口等電路進行認真的研究，以達到最佳的配合。介紹的串行傳輸技術(shù)是最近的設(shè)計成果，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會，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)，要求動態(tài)、實時、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)心實時地把圖像數(shù)據(jù)正確地傳輸?shù)斤@示器，將錯誤的信號忽略掉，所以不要求強大的糾錯檢錯能力和錯碼重發(fā)功能。通常為降低成本、減小時間延遲不宜采用壓縮解壓縮的方法進行傳輸。因此這樣的傳輸系統(tǒng)應(yīng)具有實時、單向傳輸?shù)奶攸c，要求建立穩(wěn)定的傳輸通道。
系統(tǒng)的信號來源一般是計算機顯示卡或數(shù)字電視信號。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，其輸出點時鐘達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，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，將使傳輸系統(tǒng)簡化，必要時可以采用幾條高速串行通道來實現(xiàn)。
為構(gòu)建穩(wěn)定的串行傳輸系統(tǒng)，需要對信號進行一些特殊的處理，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、接收端的均衡放大（equlize）、PLL、接收端錯碼檢測等。此外，在工程中還要對碼速率、傳輸速率、傳輸介質(zhì)進行合理的選擇，以滿足不同需要。
圖1 傳輸系統(tǒng)基本組成
1 長線傳輸?shù)幕究驁D
圖1概括了構(gòu)成數(shù)字視頻信號長線傳輸系統(tǒng)的基本組成。按點時鐘（PCLK）輸入的并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼、并轉(zhuǎn)串、加擾以差分信號的形式輸出。其中編碼實現(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)碾姶泡椛洹２⑥D(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)化實現(xiàn)不同邏輯接口間的匹配。驅(qū)動則對傳輸信號的能量進行放大，并根據(jù)物理介質(zhì)的要求進行碼型調(diào)整。均衡是對信道損失進行補償并濾除噪聲。
可以采用不同的傳輸介質(zhì)進行傳輸，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，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、不同長度時的衰耗以及端口的門限估算傳輸距離。
建立一個穩(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、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。
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)計傳輸率時，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)傳輸通道的特點和數(shù)量，把數(shù)字視頻信號重新組合為適合傳輸系統(tǒng)芯片所需的格式。它是一個數(shù)據(jù)重組過程，通常需要ASIC或FPGA來實現(xiàn)。
（4）每個數(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，本地時鐘要與輸入端幀時鐘同步，才有可能正確恢復(fù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始時，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，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，其雙工通路不同于通信，它的兩條通路可以是不對稱的，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，可以采用簡單的單工方式進行傳輸。這種方式更為簡單，系統(tǒng)在初始時建立穩(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)，這時接收
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