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传输通道具有很高的带宽和有效的传输距离传输距离。因此在设计和构建这些高速率的数据传输通道时，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，更加推动了这一产业的发展。

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、减少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、传输距离、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(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中加解扰模快可以略去不用。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。

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:

(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。这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。

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。

在数字视频信号传输中，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，使接收端无论是否失锁都强制同步一次。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) 由于定时插入同步帧，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。

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