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數字視頻信號的長(cháng)線(xiàn)傳輸
摘要:在實(shí)時(shí)顯示彩色數字視頻信號時(shí),通常要求數據傳輸通道具有很高的帶寬和有效的傳輸距離。因此在設計和構建這些高速率的數據傳輸通道的,不但要選擇合理的傳輸形式,而且要對數據的編碼、解碼、并串轉換、驅動(dòng)、接口等電路進(jìn)行認真的研究,以達到最佳的配合。介紹的串行傳輸技術(shù)是最近的設計成果,可以廣泛地應用于海量數據的有線(xiàn)傳輸。關(guān)鍵詞:差分接口 并轉串/串轉并 PLL LVDS-PECL
大屏幕平板顯示系統,如LED大屏幕顯示系統,廣泛地應用于信息發(fā)布領(lǐng)域和公用事業(yè)。2008年將在北京舉辦的奧運會(huì ),更加推出了這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
大屏幕平板顯示系統是典型的數字系統,要求動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、清晰穩定地顯示圖像信息。與通信系統相比,這種系統更關(guān)心實(shí)時(shí)地把圖像數據正確地傳輸到顯示器,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(shí)間延遲不宜采用壓縮解壓縮的方法進(jìn)行傳輸。因此這樣的傳輸系統應具有實(shí)時(shí)、單向傳輸的特點(diǎn),要求建立穩定的傳輸通道。
系統的信號來(lái)源一般是計算機顯示卡或數字電視信號。以顯示卡為例,如果輸出640×480、24bit/pixel、60幀/s標準真彩VGA圖像時(shí),其輸出點(diǎn)時(shí)鐘達25.175MHz/s,數據位寬為27bit/pixel(考慮Vs、Hs、de)。這樣的海量數據,采用并行傳輸時(shí),將使傳輸系統十分笨重,需要大量電纜;而采用串行傳輸時(shí),將使傳輸系統簡(jiǎn)化,必要時(shí)可以采用幾條高速串行通道來(lái)實(shí)現。
為構建穩定的串行傳輸系統,需要對信號進(jìn)行一些特殊的處理,常用的電路模塊有:數據的并串轉換(serialize/deserialize)、4B/5B(8B/10B)轉換、加解擾(scramble/descramble)、電平轉換和驅動(dòng)、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(jìn)行合理的選擇,以滿(mǎn)足不同需要。
圖1 傳輸系統基本組成
1 長(cháng)線(xiàn)傳輸的基本框圖
圖1概括了構成數字視頻信號長(cháng)線(xiàn)傳輸系統的基本組成。按點(diǎn)時(shí)鐘(PCLK)輸入的并行數據,經(jīng)過(guò)編碼、并轉串、加擾以差分信號的形式輸出。其中編碼實(shí)現4B/5B、8B/10B等編碼轉換,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能量峰值,減少銅介質(zhì)傳輸的電磁輻射。并轉串把并行碼字轉化為高速串行碼流。直流平衡就是在編碼過(guò)程中保證信道中直流偏移為0,電平轉化實(shí)現不同邏輯接口間的匹配。驅動(dòng)則對傳輸信號的能量進(jìn)行放大,并根據物理介質(zhì)的要求進(jìn)行碼型調整。均衡是對信道損失進(jìn)行補償并濾除噪聲。
可以采用不同的傳輸介質(zhì)進(jìn)行傳輸,銅介質(zhì)(同軸,雙絞線(xiàn)),光介質(zhì)(單模,多模光纖)。在采用光傳輸時(shí),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),所以應按照不同電纜、不同速率、不同長(cháng)度時(shí)的衰耗以及端口的門(mén)限估算傳輸距離。
建立一個(gè)穩定的傳輸系統,一般具有如下的要求:
(1)合理的系統方案設計、選擇;
(2)發(fā)射端、接收端建立穩定的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設計。
2 選擇合理的方案
根據顯示系統的不同要求,選擇合理的技術(shù)措施,是構成傳輸系統的關(guān)鍵。
(1)確定數據傳輸宏觀(guān)參數
根據系統傳輸的總的碼速率以及傳輸長(cháng)度的要求,來(lái)確定并行或串行傳輸通道數量。如果采用串行通道,確定每個(gè)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(mén)限有關(guān),可參閱有關(guān)表格。下面給出一個(gè)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:在設計傳輸率時(shí),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(mén)限
Po、Pi:光收發(fā)器發(fā)射、接收的光功率門(mén)限
(2)確定傳輸通道的工作方式?梢圆捎脝喂、雙工、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)等,它決定了收發(fā)兩端的鏈接形式,對系統的穩定性起著(zhù)重要作用。
(3)數據重組。根據傳輸通道的特點(diǎn)和數量,把數字視頻信號重新組合為適合傳輸系統芯片所需的格式。它是一個(gè)數據重組過(guò)程,通常需要ASIC或FPGA來(lái)實(shí)現。
(4)每個(gè)數據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(xiàn)。
(5)根據通道的傳輸速率,選擇最佳的收發(fā)芯片和接口電路構成系統。
圖3 在數據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
傳輸系統中,每個(gè)通道中高速串行數據都包含有同步信息。在接收端,本地時(shí)鐘要與輸入端幀時(shí)鐘同步,才有可能正確恢復數據。系統初始時(shí),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)送端可以傳輸數據,接收端則提取編碼數據的同步信息維持接收端的鎖定。當發(fā)送端無(wú)數據傳輸時(shí),可以插入空閑幀(具有維持鎖定的跳變沿),維持鎖定。
在數據視頻信號傳輸中,可以采用雙工回路(圖2)。由于數字視頻傳輸的特點(diǎn),其雙工通路不同于通信,它的兩條通路可以是不對稱(chēng)的,一條快速通道用于下傳視頻數據,另一條慢速通道傳回是否鎖定等監控信息。發(fā)送端邏輯一旦得到失鎖信息,則停止視頻數據傳輸,強制發(fā)送同步碼,直到收到鎖定信息。
數字視頻傳輸的特點(diǎn),可以采用簡(jiǎn)單的單工方式進(jìn)行傳輸。這種方式更為簡(jiǎn)單,系統在初始時(shí)建立穩定同步,并提取編碼數據中的邊沿維持鎖定。但是一旦失鎖,發(fā)射端無(wú)法收到反饋信息,系統同步難以恢復,這時(shí)接收
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