數(shù)字視頻信號(hào)的線纜均衡與時(shí)基重建

應(yīng)用廣泛的高速串行總線

不管我們愿不愿意，高速串行總線架構(gòu)已經(jīng)成為高性能的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)。與我們?nèi)粘Ｗ罹o密的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、單反相機(jī)、影音娛樂等設(shè)備，串行總線標(biāo)準(zhǔn)為我們提供了許多的便利和性能優(yōu)勢。

在模擬年代，我們可以很簡潔地用一句話概括某個(gè)接口的作用，比如“VGA”接口，我們可以說“用于顯示輸出的接口”。但在數(shù)字年代，好像所有接口的作用都變得很強(qiáng)大，它們的功能已經(jīng)不是那么單一，比如“Thunderbolt”接口，比如“HDBaseT”接口，我們就很難用一句話可以完全解釋清楚。

由此聯(lián)想到我們這個(gè)行業(yè)，很多鄰居或朋友家要購買影音設(shè)備或系統(tǒng)出問題，第一時(shí)間會(huì)想到要我?guī)兔?，但這么多年，他們依然沒有弄明白我到底從事什么行業(yè)，只知道跟投影機(jī)有關(guān)。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展和融合，我想以后會(huì)越來越難解釋清楚我們所從事的行業(yè)，這是大勢所趨，不管我們愿不愿意。

串行總線關(guān)鍵目標(biāo)是通過多種標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，在大量的產(chǎn)品之間實(shí)現(xiàn)互連互通。每種標(biāo)準(zhǔn)都由一個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)管理，確定設(shè)計(jì)和測試要求，表1例舉出了部分主流的串行標(biāo)準(zhǔn)。

不論哪種格式和標(biāo)準(zhǔn)，不斷的更新和發(fā)展目的只有三個(gè)：更高的傳輸速率（高帶寬），更長的傳輸距離以及更小的延時(shí)。

高速串行總線的傳輸困擾

在本刊2015年07刊《PoE及網(wǎng)絡(luò)在HDBaseT技術(shù)的應(yīng)用》一文中，筆者就數(shù)字視頻傳輸?shù)恼`區(qū)和困惑做過一些基礎(chǔ)的介紹，并就目前數(shù)字視頻主流的幾種傳輸技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

數(shù)字視頻的集成技術(shù)明顯優(yōu)于模擬視頻技術(shù)，這是我們的共識(shí)。由于目前幾乎所有的信號(hào)源（顯卡、藍(lán)光播放機(jī)、DVD、攝像機(jī)、高清機(jī)頂盒、視頻會(huì)議等）和顯示終端（數(shù)字電影機(jī)、投影機(jī)、液晶顯示器、LED顯示屏、數(shù)字錄播系統(tǒng)等）的內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)，已經(jīng)可以完全設(shè)計(jì)成全數(shù)字化的處理和傳輸，為此可以省略內(nèi)部大量的D/A及A/D轉(zhuǎn)換，在源頭上數(shù)字技術(shù)已經(jīng)減少了數(shù)模轉(zhuǎn)換或模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的失真。

如圖1：在有效距離內(nèi)，數(shù)字傳輸可以完美地還原每個(gè)像素。

在模擬年代，我們追求信號(hào)傳輸?shù)耐昝溃苊庖曨l質(zhì)量的劣化。但在數(shù)字視頻中，我們應(yīng)更多觀察信號(hào)本身的缺陷。數(shù)字信號(hào)雖然具備很好的穩(wěn)定性，但很多信號(hào)格式在當(dāng)初制訂標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，并不考慮工程應(yīng)用，所以它們的傳輸距離非常有限。而且，同樣的信號(hào)格式，在不同的器材上能夠支持的傳輸距離也未必相同。比如，藍(lán)光播放機(jī)、手提電腦、臺(tái)式電腦都可以是HDMI輸出，但三者的有效傳輸距離可能就有很大的區(qū)別，這種差異我們可以稱為發(fā)射器（信號(hào)源）的信號(hào)完整性。

同一臺(tái)發(fā)射器，與不同的顯示器材（接收器）連接，所支持的傳輸距離也不一致，比如一臺(tái)手提電腦，以HDMI的方式與投影機(jī)、液晶顯示器等連接，能夠穩(wěn)定傳輸?shù)木嚯x可能也有區(qū)別，甚至跟不同品牌的發(fā)射器、接收器都存在很大的關(guān)系。這種差異我們稱為接收器（顯示端）的靈敏度，很遺憾的是，多數(shù)接收器都不會(huì)告訴我們它的靈敏度有多高。

保持?jǐn)?shù)字視頻信號(hào)的完整性

長距離傳輸或設(shè)備級(jí)聯(lián)是數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生時(shí)鐘錯(cuò)誤的主要原因，時(shí)鐘錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致周期的變化，即信號(hào)抖動(dòng)。

將重復(fù)的數(shù)字信號(hào)取樣再疊加，在示波器上可以生成“眼圖”（如“圖2”）。每種標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了怎樣為眼圖測量捕獲數(shù)據(jù)，包括時(shí)鐘恢復(fù)方法以及確定一致還是不一致的模板。除眼圖測量顯示外，示波器分析工具可以執(zhí)行統(tǒng)計(jì)分析，確定模板邊界和其它關(guān)鍵參數(shù)是否違規(guī)。

眼圖的閉合度是衡量數(shù)字信號(hào)完整性的標(biāo)準(zhǔn)，眼圖最低標(biāo)準(zhǔn)值稱為“模塊”（如圖3的亮色區(qū)域），眼圖張開越小，信號(hào)的精確度越差，當(dāng)扭曲的信號(hào)波形侵占到“模塊”區(qū)域時(shí)，這個(gè)信號(hào)會(huì)存在很多的不穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致圖像的消失。

在工程應(yīng)用中，線纜質(zhì)量、長度是影響傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，線纜長度將導(dǎo)致信號(hào)幅度衰減和頻率下跌，從而使信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間延長。隨著電纜長度的增加，眼開度接近閉合，HDMI模塊已經(jīng)不再清晰可見，圖4是一條60米的HDMI高清連接（24AWG），信號(hào)到達(dá)顯示器之前，眼圖已經(jīng)完全閉合，基本上沒有接收器可以正確恢復(fù)原始信號(hào)：

借助現(xiàn)代數(shù)字視頻的強(qiáng)大技術(shù)，仍然能夠通過外接均衡器正確地解碼這種有缺陷的信號(hào)，因?yàn)榫馄髂軌蚧謴?fù)數(shù)據(jù)流。比如Lightware的自動(dòng)線纜均衡技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多數(shù)不同系列的產(chǎn)品：

·M X混合矩陣的D V I輸入板卡：6 0米，1920×1080@60Hz

·MX8×4DVI-Pro，MX8×8DVI-Pro固化式矩陣：50米，1920×1080@60Hz

·MX8×8DVI-HDCP-Pro，MX8×8HDMI-Pro固化式矩陣：60米，1920×1080@60Hz

·EDID Manager V4 EDID管理及仿真器：60米，1920×1080@60Hz

·DVISL-EQ，DVIDL-EQ， HDMI-EQ自動(dòng)線纜均衡器：60米，1920×1080@60Hz

·D A 2 D V I - H D C P - P r o分配器：6 0米，1920×1080@60Hz

·DA4-3GSDI分配器：140米，3G-SDI

自動(dòng)線纜均衡能夠有效克服長距離傳輸產(chǎn)生的信號(hào)衰減、串?dāng)_和噪音，恢復(fù)信號(hào)到一個(gè)可以正常使用的幅度范圍，但并不代表均衡后的信號(hào)就已經(jīng)完美無缺。

數(shù)字視頻更高的速率和嵌入式時(shí)鐘，意味著更容易發(fā)生抖動(dòng)，劣化誤碼率（BER）性能。抖動(dòng)包括確定性抖動(dòng)和隨機(jī)性抖動(dòng)。為保證良好的系統(tǒng)互通性，發(fā)射機(jī)不能產(chǎn)生太多的信號(hào)抖動(dòng)，接收機(jī)必須能夠容錯(cuò)一定范圍的信號(hào)抖動(dòng)，同時(shí)仍能恢復(fù)時(shí)鐘和解串行化數(shù)據(jù)流。而遺憾的是，這些容錯(cuò)范圍就像接收器的靈敏度一樣，我們依然無從得知。

精確像素時(shí)基重建

如前所述，我們無從得知所有接收器的靈敏度和容錯(cuò)能力，而且大部分接收器都希望接收一個(gè)完美的、無缺陷的數(shù)字信號(hào)。所以，僅僅通過線纜均衡技術(shù)恢復(fù)信號(hào)的幅度可能還不夠，因?yàn)榫夂蟮男盘?hào)依然存在延時(shí)差和抖動(dòng)，這兩個(gè)存留的事件不一定會(huì)造成接收器無法顯示，但可能存在隱患。

2006年，Lightware在全球第一臺(tái)DVI矩陣（MX8×8DVI-Pro）上成功應(yīng)用了“精確像素時(shí)基重建”技術(shù)，發(fā)揮了超常的信號(hào)再生功能?！熬_像素時(shí)基重建”技術(shù)清除了由于劣質(zhì)線纜長距離傳輸以及電磁兼容導(dǎo)致的圖像噪點(diǎn)、偏斜以及抖動(dòng)等存留問題。自動(dòng)消除和補(bǔ)償在DVI 線纜、HDMI線纜以及雙絞線中存在的對(duì)內(nèi)和對(duì)間延時(shí)差。

“精確像素時(shí)基重建”技術(shù)至今已經(jīng)廣泛應(yīng)用在Lightware的很多產(chǎn)品，包括矩陣、輸出板卡、信號(hào)延長器以及數(shù)字視頻接口，從而確保Lightware的產(chǎn)品可以搭建一個(gè)完美無缺的數(shù)字視頻系統(tǒng)。

Lightware精確像素時(shí)基重建技術(shù)，通過解碼視頻內(nèi)容的像素信息，并通過雙重的PLL電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。再生的像素信息被重新編碼成完整的DVI或HDMI信號(hào)，從而確保數(shù)字傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和精確的時(shí)鐘信息。