廣電系統(tǒng)中高清視頻信號的接口與傳輸

上海市寶山區(qū)廣播電視臺技術(shù)部 吳 濤

1.SDI介紹

SDI是串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface）的簡稱，是指將符合SMPTE（運動圖像和電視工程師協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)的基帶數(shù)字視頻信號通過一條電纜進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。

基帶數(shù)字視頻信號在設(shè)備中通常作為并行信號處理。如果直接傳輸，亮度信號10比特、顏色信號10比特、時鐘信號1比特、再加上1比特的同步信號共計22比特，也就是說需要22個并行傳輸通道。這樣不僅難以操作，還會引起信號數(shù)據(jù)與時鐘間的相位差問題，而無法進(jìn)行長距離的傳輸。

SDI可以通過一條電纜進(jìn)行傳輸全部亮度信號、顏色信號、同步信號與時鐘信息，所以能夠進(jìn)行長距離傳輸。比特率由數(shù)字化數(shù)據(jù)對應(yīng)的時鐘速率決定：NTSC信號對應(yīng)143Mbit/s，PAL信號對應(yīng)177Mbit/s，EBU（歐洲廣播聯(lián)盟）Rec.601信號的分?jǐn)?shù)字信號對應(yīng)270Mbit/s.SMPTE267中定義的寬屏分系統(tǒng)將產(chǎn)生360Mbit/s的比特率。在有合適的接口適配器的情況下，這種串行接口可用于一般的視頻同軸電纜或光纖。

圖1顯示了270Mbit/s和360Mbit/s兩種SDI比特流。EAV和SAV部分是保留字序列，用來指示一個視頻行的開始和結(jié)束。對于270Mbit/s的比特流，每行包含1440個10 bit的4:2:2的視頻樣本。水平附屬數(shù)據(jù)HANC包含有附助數(shù)據(jù)、誤碼檢測和控制、嵌入的音頻等其他信息。

SDI信號的前提是無壓縮的基帶數(shù)字視頻信號。與由基帶數(shù)字視頻信號壓縮后形成的MPEG信號不同，SDI信號不存在因壓縮造成的畫質(zhì)下降或遲延（至少200ms）。它的另一個重要特征是可以很靈活地把不同信道的AES/EBU數(shù)字音頻嵌入視頻碼流。這些都是電視臺選用SDI的原因。

2.HD-SDI規(guī)格

HD-SDI是一個廣播級的高清數(shù)字輸入與輸出端口，是根據(jù)SMPTE 292M，在1.485Gb/s的速率條件下傳輸?shù)慕涌谝?guī)格，單路HD-SDI可以傳輸最高1485Mbps的無損1080p高清數(shù)字視頻信號，它支持多路并列傳輸，最高可以支持到六路并列傳輸，這時候HD-SDI的傳輸帶寬將達(dá)到8.9Gb/s。

3.HD-SDI的傳輸

圖1 基本的SDI碼流

圖2是一個典型的HD-SDI傳輸模塊。它主要包括兩個部分。第一部分是協(xié)處理器，它用來把EAV/SAV、行數(shù)和CRC信息嵌入到輸入數(shù)字視頻信號中。這個器件還能在色度信道的HANC區(qū)域傳輸音頻數(shù)據(jù)和音頻信道狀態(tài)信息。

傳輸系統(tǒng)的第二部分是并串轉(zhuǎn)換器，它把兩個信道的并行數(shù)據(jù)（亮度和色度）轉(zhuǎn)換為一個串行比特流。這個裝置還能執(zhí)行SMPTE 292M/BTA S-004標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的信道編碼技術(shù)，即加擾的非歸零變換編碼操作。

由于HD-SDI的傳輸速率高達(dá)1.485Gb/s，其頻譜一般分布在4GHz以上，所以在HDSDI信號傳輸時必須使用高頻衰減較少的專用電纜（特性阻抗75歐姆），否則將無法正確接收數(shù)字信號。對于短距離電纜，頻率特性幾乎是平坦的；對于長距離電纜，頻率越高衰減量增大。評估電纜所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x為頻率750MHz時，電纜衰減量為20dB的長度，大約為110m。最大長度還和輸出端信號的幅度、抖動量、接收端的均衡能力有關(guān)。為了便于電纜傳輸，HD-SDI信號還需使用電纜驅(qū)動器，由輸出端輸出。

圖2 HD-SDI傳輸系統(tǒng)框圖

圖3 光信號發(fā)送器方框圖

圖4 光信號接收器方框圖

如果需要傳輸更長的距離，就要選擇衰減更低的高發(fā)泡介質(zhì)同軸電纜。而這類電纜的強(qiáng)度相對較低，在電纜捆扎時需要留意電纜的變形，因為電纜變形會引起誤碼。即便使用這類低衰減的同軸電纜，也只能進(jìn)行180米以內(nèi)的高清數(shù)字信號傳輸，有時還需要使用中繼設(shè)備對劣化的信號進(jìn)行恢復(fù)。所以在遠(yuǎn)距離傳輸時可以使用光傳輸，因為采用光傳輸信號損失非常小，在搭建系統(tǒng)時不用考慮因設(shè)備布局而對傳輸距離的影響。還有以下明顯的好處。

（1）不需接地環(huán)路；

（2）不受電磁干擾；

（3）重量輕、線徑小，因此大大減小了線纜鋪設(shè)占用的空間；

（4）利用波分復(fù)用技術(shù)，用一條光纖可進(jìn)行多信道傳輸。

下面介紹一下HD-SDI信號的光傳輸裝置的構(gòu)成：

圖3與圖4是光信號發(fā)送與接收器的簡單示意圖，下面對各個部分進(jìn)行簡單的說明：

1）電纜均衡器

通過同軸電纜傳輸高頻信號的時候，信號與頻率平方根成反比進(jìn)行衰減。所以衰減量根據(jù)所用電纜的長度而變化，為了補償這種衰減量就要用到電纜均衡器。電纜均衡器將電纜中發(fā)生的抖動成分直接輸出。

2）時鐘恢復(fù)器

時鐘恢復(fù)器將輸入的HD-SDI信號使用PLL（鎖相環(huán)路）提取時鐘信號進(jìn)行再生，利用再生的時鐘信號對時間再度進(jìn)行調(diào)整，從而使波形得到整形。

此時PLL的帶寬決定了低頻的抖動成分得以直接輸出，而高頻的抖動成分由于被抑制，結(jié)果是抖動能夠被除去。但是這個高頻抖動的振幅如果超過0.2UI就會引起閉鎖時間錯誤，結(jié)果可能造成數(shù)據(jù)的誤碼。

3）激光二極管與激光驅(qū)動器

激光二極管的作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過注入電流就能夠容易的進(jìn)行光的連續(xù)發(fā)射。另外通過電流的ON/OFF可以實現(xiàn)對光輸出ON/OFF的控制。根據(jù)這樣的特征，將本來是1和0的連續(xù)信號的HD-SDI信號借助激光驅(qū)動器調(diào)制成光的ON/OFF信號。

激光驅(qū)動器不只是把電流注入到激光二極管中，還進(jìn)行APC（自動功率控制）控制，穩(wěn)定光輸出。因為APC反饋時間常數(shù)對傳輸帶寬與響應(yīng)有影響，所以需要具備能夠傳輸SDI信號的特征。

4）光電二極管與轉(zhuǎn)移阻抗放大器

在信號接收一端，把以光的形式傳輸?shù)腍D-SDI信號轉(zhuǎn)換成電信號。作為光接收元件需要使用與信號發(fā)送器一端的發(fā)光元件（激光二極管）相同光波長與波長感度特性的二極管，根據(jù)射入光的水平輸出相應(yīng)的電流。另一方面轉(zhuǎn)移阻抗放大器將從二極管接收的電流轉(zhuǎn)換成電壓并進(jìn)行低阻抗的輸出。因為光接收器發(fā)生的雜音（熱雜音、發(fā)射雜音）會使信噪比發(fā)生劣化，對光的接收靈敏度造成重大影響，所以要求具備低噪聲特性。

通常光電二極管與轉(zhuǎn)移阻抗放大器集成在一個模組里面，根據(jù)規(guī)格的不同可能有的低頻濾波不能滿足前述檢測過濾信號的帶寬要求，而無法傳輸，這是需要注意的。

5）限制放大器（后級放大器）

對在轉(zhuǎn)移阻抗放大器轉(zhuǎn)換成電壓的信號增幅到規(guī)定的水平。此增幅的信號要在后段的時鐘恢復(fù)器進(jìn)行波形的整形。

6）電纜驅(qū)動器

電纜驅(qū)動器按照SPMT292的規(guī)定對信號的振幅、上升下降時間進(jìn)行調(diào)整，以75歐姆的阻抗輸出HD-SDI信號。

以上對高清SDI信號的傳輸特別是遠(yuǎn)距離傳輸進(jìn)行了簡單的介紹。隨著視頻技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，對于信號傳輸帶寬和色彩深度都提出了越來越高的要求。對于我們區(qū)縣臺來說，也不能固步自封，各種設(shè)備的更新，也需要設(shè)備的使用人員不斷地學(xué)習(xí)和探索各種新興的知識。

[1]畢厚杰,王建.新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)[M].人民郵電出版社,2009.

[2]張飛碧,項玨.數(shù)字音視頻及其網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3](美)J.C.惠特克,(美)K.B本森.數(shù)字電視技術(shù)工程手冊[M].北京:科學(xué)出版社,2005.