数字视频信号的传输

数字视频信号的传输

刘怀林

数字视音频的大潮已经向我们涌来。数字小岛、数字视音频中心、数字转播车已陆续在我国不少电视台出现。甚至数字播出与发射已不再是纸上谈兵。数字化及计算机化将引起电视技术领域的极大变革。本文将从一个非常小的侧面谈一下这个数字大潮。因为数字视频信号的传输在系统设计与安装中是不可缺少的一环。

目前，设备间、系统间的数字视频信号的传输多使用串行信号。其接口为SDI（Serial Digital Interface）。这是因为该方式较简单易行。传送距离较远。因此本文所谈的数字信号的传输实质上就是串行数字视频信号的传输。

数字视频信号的传输在某种意义上讲与模拟信号相似。分为同轴电缆传送，三同轴传送和光纤传送三种。

但由于两者信号有着本质的不同。所以其处理手法上有着很大的区别。

一、同轴电缆传送

在数字环境中，设备间、系统之间的数字视频信号的传送多采用同轴电缆，其接口为SDI。它由三部分组成。如图1所示。

1、串行数据发送：

串行数据发送电路的主要功能是：将数字视频并行信号变成串行信号，通过扰频（scrambler）和NRZI（NonreturntoZeroInverfed）编码，可限制信号的直流成份，前者还有利于接收端回收时钟信号。图2是其示意图：

我们知道，数字分量并行数据率为27MB/秒，10比特。当变成串行数据时，27MHZ10倍频成为270MHZ时钟。在并──串移位寄存器的输出端就变成了270Mb/s的串行数据。

2、电缆和连接器

目前模拟环境下使用的高质量视频电缆可以运行于数字系统。模拟环境下的视频电缆从直流到10MHZ都呈现很低的阻抗。这在数字领域也是需要的。但由于串行数字信号频率很高，这种电缆传输对数字视频信号将有明显的衰减。由于SDI接收端设有自动电缆均衡，另外串行数字信号对这种衰减不敏感。因此现在使用的优质电缆原则上可用于数字环境。为了更好地传输数字视频信号。电缆厂家已生产出专门为串行数字信号设计的新的低耗泡沫介质电缆。比目前电缆更细、更柔软，并且对数字信号有更好的电特性。如Belden1505A。有关连接器，直至目前，视频电缆采用BNC连接器。阻抗为50欧姆。而同轴电缆阻抗为75欧姆。这种看上去不合理的现象为什么能保持至今呢？其主要原因是在视频信号所涉及的频率率上。这种失配并不产生什么问题。但在数字视频信号频率很高的情况下会不会引起脉冲畸变或比特率误差呢？经测试表明，只要接收端输入阻抗看上去为75欧姆。这种50

欧姆连接器所引起的失配是可以忽略的。只要设备输入输出返回损耗（returnloss）好于15DB。使用50欧姆BNC连接器是没有什么问题的。其示意图如图3所示。

3、接收端

经过电缆传送之后，在接收设备的输入端便是SDI接收。它有两种形式，一种是再锁定接收。如图4所示，一种是不要锁定的接收。

不管使用哪种形式，自动均衡是需要的。因为数字信号在电缆传输中不但幅度受到衰减，而且波形也会失真。频率越高，其传输距离会越短。一般来说，发送端数字信号电平为800mvp-p，对于270Mb/s的数字分量串行信号来说，经过220米电缆之后，其幅度已下降到30mv，脉冲波形变成了类似于正弦波的形状。经过自动均衡之后，脉冲幅度与波形得到明显改善。通过PLL（相位锁定环路）之后，使时钟信号获得再生，并且经恢复电路之后，其输出信号又是原来的串行方波信号了。

作为短距离传送，可以不用PLL电路，但对于远距离传送，具有自动均衡和再锁定功能的接收是必要的。

4、数字信号传输中的突变效应

我们很熟悉模拟信号在电缆中的传输，电缆对信号的影响有两个方面：幅度与频响。随着电缆长度的增加，幅度和高频特性随之逐渐下降，它对图像的影响是渐进的。电缆对数字信号的影响与模拟信号不一样。它不是渐进，而是突变。只要接收端可以恢复原来的数据，则信号质量不受任何衰减，即是说，200米的电缆与250米的电缆，其传输数字信号的质量是一样的，但逐渐增加到某个长度时，视频信号重现质量突然恶化，有时电缆长度之差仅几米，其图像可从完好变为完全没有。这种数字视频传送中特有的现象叫突变效应（cliffeffect）。这在设计和使用中要引起注意。

二、三同轴电缆传送

在摄像机头与CCU（摄像机控制单元）之间有视频信号、控制信号、同步信号和电源等。这种多信号传送，一般使用多芯电缆。在模拟信号传输中，摄像机头与CCU间的多信号传送多使用多芯电缆，只有距离远时才考虑三同轴传送。因为前者价格便宜，在数字摄像机两者的传输中，有的使用三同轴，有的使用光纤，几乎没有多芯电缆传送的。下面以日立数字摄像机SK-2600为例，看一看三同轴是怎样传送数字信号的。

我们知道，模拟信号的三同轴传送采用频率调制，使不同信号调制在不同频率上，在数字信号的三同轴传送中，传送距离与传输信号的速率有看密切的关系，由于摄像机与CCU的实际距离一般在300米以内。这样，在目前技术条件下均衡器能适应的最高传输率为360Mb/s，这种300米距离及最高传输率360Mb/s就确定下来了。

在三同轴传送的信号中，不仅有摄像机送到CCU的主视频信号，还有CCU至摄像机的返送信号。刚才讲过，数字分量串行数据率高达270Mb/s，要想同时传送两路无压缩数字视频信号是不可能的（最高传输率360Mb/s），所以这种双向传输只能保证摄像机至CCU的主视频信号的高质量传送，而返送信号采用实时压缩方式（M-JPEG）。图5显示了三同轴双向传输的基本原则，它是采用时基压缩（TimeBaseCompression）方式来解决数字视频信号的双向传输。时基压缩已不是什么新东西，它早在电视中应用。如SONYBetacam的时分复用方式使R-Y、B-Y共用一条磁迹。两者本质上是一样的。表1是三同轴传送的数据率分配表。

表1三同轴传送数据率分配

从中可以看出，主视频信号具有最高的图像质量。但为了减少数据量，采取了两项措施：把R.G.B信号变换成Y、R-Y、B-Y；将行、场消隐期间的数据不予传送。返送视频由于是供寻像器监看的信号，其视频质量可差一些，因而可采用8bit量化（主视频信号为10bit量化），并采用实时数据率压缩和行、场消隐数据不予传送等措施。由于音频和CPU数据量很小，不采用压缩方式。

时基压缩，或者说时分复用是双向传输360Mb/s串行数据的关键，为了保证安全有效地传输，数据以25行的周期进行打包（packet）。图6是数据打包的方式为了在电缆长度1000米最坏情况下不使双向信号传输发生冲突，在包内设置了保险空间（guardspace），其长度为10μs，在包的开头插入15μs长的preamble数据，以保证PLL电路进行锁定，音频和CPU 数据集中在一起，以行频速率插进到视频信号之中。

三、光纤传输

当传送距离远时，数字视频信号的传送也和模拟信号一样采用光纤传输，光纤传输具有非常高的带宽，损耗低，噪波与失真小等优点，作为高数据率数字视频信号，它不受幅度畸变的影响，而且对噪波也极不敏感。

光纤传输的一个突出优点是低损耗。举一个例子：通常光纤传输使用红外波长（1310nm），其光纤的衰减为1公里1/4分贝。换句话说，传送1公里后，其信号仍为原来的94%，这是远距离传送使用光纤的主要原因。目前模拟视频信号的传送仍然使用光纤。其调制方法有两