構(gòu)建高性能的同步鎖相系統(tǒng)改善廣播視頻定時(shí)

　　一個(gè)新的信號(hào)進(jìn)入到演播室，首先需要做的事情就是通過(guò)使用同步鎖相電路將其與演播室中的其他信號(hào)同步。同步鎖相系統(tǒng)由均衡器、解串行化器、同步分離器、串行化器、幀傳沖器以及定時(shí)控制六個(gè)功能模塊組成。本文將分析從這六個(gè)模塊來(lái)改善視頻系統(tǒng)定時(shí)性能的方法。   
　　稍微注意一下就可以發(fā)現(xiàn)，在世界上有很多種不同的廣播視頻演播室工作在不同的格式，一些是數(shù)字信號(hào)，一些是模擬格式的信號(hào)。今天，美國(guó)在使用的就有多種高清電視光柵格式。如果你試圖計(jì)算SMPTE292M HD標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的不同光柵格式的數(shù)量，恐怕有數(shù)十個(gè)之多。


圖1 同步鎖相系統(tǒng)的主要組成部分


圖2  Belden 1694A的頻率響應(yīng)

　　在任何演播室內(nèi)都有很多不同的信號(hào)，它們之間相互同步。用視頻術(shù)語(yǔ)的說(shuō)法就是它們是同步鎖相的。同步鎖相允許在一個(gè)信號(hào)和另外一個(gè)信號(hào)之間簡(jiǎn)單地切換，不需要中斷接收設(shè)備中的同步電路。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，需要將任何外部源信號(hào)同步鎖相到演播室中的其他信號(hào)。大多數(shù)演播室使用模擬信號(hào)作為他們的定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)，定時(shí)信息需要從這個(gè)信號(hào)中截取，以允許用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行同步鎖相。

　　當(dāng)一個(gè)新的信號(hào)進(jìn)入到演播室，無(wú)論這個(gè)信號(hào)是來(lái)自衛(wèi)星電視接收器、攝像機(jī)或者任何其它來(lái)源，首先需要做的事情就是通過(guò)使用同步鎖相電路將其與演播室中的其他信號(hào)同步。圖1所示為同步鎖相系統(tǒng)的功能框圖，在這個(gè)框圖中獲得一個(gè)SDI(串行數(shù)字接口)輸入信號(hào)，并將其與一個(gè)提供的模擬基準(zhǔn)信號(hào)同步。在本文中，我們將詳細(xì)地了解這種應(yīng)用，以及這六個(gè)模塊的設(shè)計(jì)考量。

　　電纜均衡器

　　在視頻廣播設(shè)備上的SDI輸入通常支持很長(zhǎng)的電纜傳輸：對(duì)于高清晰度視頻信號(hào)可以達(dá)到140米以上，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)清晰度信號(hào)可以超過(guò)300米。為支持更長(zhǎng)的電纜，需要增加電纜均衡器。

　　長(zhǎng)的電纜具有低通的特性，在這個(gè)電纜中輸入信號(hào)的衰減與電纜的長(zhǎng)度成正比，以及與頻率的平方根成正比。圖2顯示了一個(gè)長(zhǎng)100米的普通電纜(Belden 1694A)的頻率響應(yīng)。

　　盡管了解到隨頻率改變衰減的變化對(duì)于設(shè)計(jì)用于恢復(fù)信號(hào)的濾波器很有用，但是你真正想看到的是眼圖。眼圖能告訴直觀地讓你從信號(hào)眼圖的張開程度判斷是不是足以能恢復(fù)數(shù)據(jù)。圖3顯示了1.5Gbps信號(hào)(HD-SDI信號(hào))通過(guò)多種不同長(zhǎng)度電纜后的眼圖，隨著電纜的長(zhǎng)度增加，眼圖的張開度出現(xiàn)非常明顯的變化。就本文的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，趨膚效應(yīng)的主要結(jié)果是隨著頻率的增加，電纜中用于承載信號(hào)的導(dǎo)體橫斷面部分越來(lái)越小，因此越高頻率的信號(hào)衰減越高。這種損耗的響應(yīng)曲線將正比于，這使得對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)類型的濾波器來(lái)說(shuō)，進(jìn)行補(bǔ)償更加困難。

　　為匹配電纜的頻率響應(yīng)，設(shè)計(jì)師必須很小心地在他/她的濾波器中配置零點(diǎn)，以使最終的響應(yīng)更接近電纜的響應(yīng)。

　　為滿足同時(shí)要求高增益和高帶寬的需求，在外部實(shí)現(xiàn)均衡器電路，采用像美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的0.25微米BiCMOS SiGe工藝。這些均衡器的一種實(shí)例如LMH0044電纜均衡器，該器件具有從143 Mbps到1.485 Gbps的很寬數(shù)據(jù)速率范圍，可以實(shí)現(xiàn)直流恢復(fù)以正確處理失真數(shù)據(jù)條件(對(duì)于低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，直流恢復(fù)可以被旁路)，該均衡器可以以單端終結(jié)或差分配置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。它具有的其他功能包括分離的載波檢測(cè)和輸出靜噪(mute)管腳，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí)將兩個(gè)管腳連接，使輸出處于靜噪狀態(tài)。采用該器件，你可以在200米的Belden 1694A電纜上恢復(fù)高達(dá)1.5Gbps的數(shù)據(jù)率信號(hào)。

　　解串行器

　　在你完成使輸入信號(hào)的“眼圖”展開的艱難工作之后，你必須使輸入的數(shù)據(jù)位有意義，這個(gè)工作需要使用到解串行化器。視頻圖像具有一個(gè)非常有規(guī)則的重復(fù)格式，它們是獨(dú)立的數(shù)據(jù)位組成，這些數(shù)據(jù)位在下一個(gè)最高級(jí)組織中被劃分成10位的字，然后依次劃分成像素。一串像素組成一條線，一系列的線又組成一個(gè)場(chǎng)，一個(gè)或更多的場(chǎng)組成一個(gè)完整的視頻幀。


圖3  HD-SDI信號(hào)通過(guò)同軸電纜后眼圖變化


圖4  經(jīng)過(guò)均衡處理后的輸出信號(hào)


圖5  電纜均衡器LMH0044的典型應(yīng)用電路圖

　　為整理出這個(gè)組織，SMPTE數(shù)據(jù)在每一條線的起始與結(jié)束時(shí)發(fā)送一個(gè)稱為定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)(TRS)的特殊序列。通過(guò)檢測(cè)這個(gè)TRS，它允許接收器計(jì)算出每個(gè)信號(hào)的字和線的排列。在每條線的末尾插入一些額外的字，這些字用于告訴接收器這條線的序號(hào)。同時(shí)還包括了CRC，這樣接收器就能判斷它是否正確地接收到這條線中的所有數(shù)據(jù)。

　　下面幾種情況會(huì)對(duì)收器的正確接收造成很大影響：直流內(nèi)容和長(zhǎng)段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有轉(zhuǎn)換(0與1之間的轉(zhuǎn)換)。大多數(shù)通信系統(tǒng)具有控制這個(gè)問(wèn)題的方法，就SMPTE 292串行標(biāo)準(zhǔn)(HD-SDI)而言，它同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采用了擾碼和編碼處理。


圖6  同步鎖相系統(tǒng)中的主要組件


圖7  LMH1981同步分離器與PLL產(chǎn)生像素時(shí)鐘的框圖

　　一個(gè)好的解串行化器將能截取所有這些信息，為你提供你的系統(tǒng)所需要的信息。對(duì)于本應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它由圖像數(shù)據(jù)和定時(shí)數(shù)據(jù)組成。像LMH0031這樣的解串行化器將能實(shí)現(xiàn)這樣的工作，在10位的數(shù)據(jù)總線上輸出圖像數(shù)據(jù)。定時(shí)數(shù)據(jù)以三種數(shù)字信號(hào)的形式呈現(xiàn)，分別代表H(水平線開始)、V(場(chǎng)間隙起始)和F(幀起始)。如果光柵格式不是隔行的，則你可以只使用H和V，因?yàn)樗鼈兪窍嗤摹?/p>

　　串行數(shù)據(jù)進(jìn)入到解串行化器，在這里這些數(shù)據(jù)被解碼并被解擾。然后進(jìn)行分析以發(fā)現(xiàn)TRS，TRS可以讓解串行化器知道如何將這些位數(shù)據(jù)分成字。進(jìn)一步對(duì)TRS進(jìn)行分析來(lái)獲得被編碼的定時(shí)信息，對(duì)定時(shí)信息進(jìn)行解碼并解擾數(shù)據(jù)，然后確定組幀，這樣解串行化數(shù)據(jù)可以正確地進(jìn)行字排列。所有這些活動(dòng)通常都在解串行化器中完成。

　　分離器與PLL的同步

　　盡管視頻領(lǐng)域大多數(shù)時(shí)候都是數(shù)字的，但其中有個(gè)領(lǐng)域依然常見(jiàn)為模擬的，那就是同步基準(zhǔn)信號(hào)，演播室用這個(gè)信號(hào)來(lái)同步所有的設(shè)備。最常用的基準(zhǔn)信號(hào)是一種不包含圖像信息的視頻信號(hào)。這是由一串脈沖信號(hào)組成，用于標(biāo)志每個(gè)視頻線的起始，一種特定的模式用于標(biāo)志每個(gè)場(chǎng)或幀的結(jié)束。在我們的同步鎖相電路的這個(gè)模塊中，一個(gè)同步分離電路從基準(zhǔn)信號(hào)中獲取H、V和F(水平線起始、場(chǎng)起始和新幀的起始)，PLL電路產(chǎn)生一個(gè)像素時(shí)鐘，該時(shí)鐘與基準(zhǔn)信號(hào)同步。

　　標(biāo)準(zhǔn)模擬標(biāo)清或高清視頻信號(hào)，輸出以CMOS邏輯電平提供所有的關(guān)鍵定時(shí)信號(hào)，包括復(fù)合同步信號(hào)、水平同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)。其水平同步信號(hào)輸出具有低抖動(dòng)的特點(diǎn)，不需要采用外部電路來(lái)消除抖動(dòng)。LMH1981能自動(dòng)地檢測(cè)輸入視頻格式，因而不需要采用微控制器或外部RSET電阻進(jìn)行編程設(shè)定，并應(yīng)用50%的同步限幅以確保準(zhǔn)確的同步提取，即使是輸入具有不規(guī)律的幅度、偏移或噪聲條件。

　　為產(chǎn)生像素時(shí)鐘，PLL應(yīng)該設(shè)置以鎖定到LMH1981的行同步信號(hào)(Hsync)輸出，并產(chǎn)生期望的時(shí)鐘頻率，對(duì)于標(biāo)清視頻信號(hào)來(lái)說(shuō)這個(gè)頻率為27MHz，對(duì)于高清視頻信號(hào)來(lái)說(shuō)為74MHz。當(dāng)使用PLL來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘時(shí)需要考慮的事情是分頻比可以非常大并減少環(huán)路帶寬，這可能使得PLL對(duì)行同步信號(hào)上的抖動(dòng)非常敏感。因此，選擇一個(gè)具有非常低抖動(dòng)行同步輸出的同步分離器非常重要。

　　幀緩沖器

幀緩沖器是一個(gè)簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器模塊，具有足夠大的容量來(lái)至少保存一個(gè)完整的圖像幀。這個(gè)緩沖器需要有兩個(gè)端口，這樣一來(lái)，從解串行化器中來(lái)的數(shù)據(jù)可以被寫入到緩沖器的一端，同時(shí)數(shù)據(jù)可以從緩沖器的另一端獨(dú)處，以饋入到串行化器中。緩沖器的組織與視頻圖像一樣，連續(xù)的像素組成完整的線，連續(xù)的線組成一個(gè)完整的幀。

　　定時(shí)控制

　　定時(shí)控制是整個(gè)同步鎖相系統(tǒng)的核心，定時(shí)控制的基本功能是對(duì)幀緩沖器寫入以及從幀緩沖器中讀取的控制。定時(shí)控制需要跟蹤兩個(gè)不同的定時(shí)域。在輸入端，它接收來(lái)自解串行化器的數(shù)據(jù)、定時(shí)信息和時(shí)鐘，數(shù)據(jù)被寫入到幀緩沖器中，利用一連串的計(jì)數(shù)器來(lái)跟蹤像素和線信息。這個(gè)數(shù)據(jù)的寫入與從解串行化器中恢復(fù)的時(shí)鐘同步。同時(shí)，定時(shí)控制從同步分離器和像素時(shí)鐘中獲得定時(shí)信息。
這些與第二組計(jì)時(shí)器一起用來(lái)從幀緩沖器器中讀取數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)同步信號(hào)同步讀出，這樣一來(lái)，解串行化器接收到的圖像就可以與基準(zhǔn)信號(hào)同步讀取。

　　數(shù)據(jù)隨同像素時(shí)鐘一起被饋入到串行化器中以輸出。盡管視頻信號(hào)具有非常嚴(yán)格的定時(shí)規(guī)范，在輸入和輸出數(shù)據(jù)速率之間存在一些差異，這種差異意味著最終幀緩沖器將要么騰空，或者要么溢出。定時(shí)控制電路必須識(shí)別出這種情況，并周期性地重復(fù)一個(gè)幀，或者丟棄一個(gè)幀以保持輸入和輸出之間的定時(shí)差異小于幀緩沖器的大小。

　　串行化器

　　一旦數(shù)據(jù)從幀緩沖器中讀出，這些數(shù)據(jù)將是并行的格式。在它被發(fā)送到下一個(gè)設(shè)備之前需要進(jìn)行串行化和格式化以滿足SMPTE 292M HD-SDI入新的TRS參數(shù)，計(jì)算并插入新的行號(hào)以及CRC，數(shù)據(jù)通過(guò)SMPTE擾碼算法進(jìn)行擾碼處理，并在從并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到串行移位寄存器之前轉(zhuǎn)換成NRZI格式。

　　正確實(shí)現(xiàn)這些的關(guān)鍵是使用一個(gè)足夠干凈的時(shí)鐘，以滿足嚴(yán)格的視頻定時(shí)規(guī)范以將數(shù)據(jù)移出。SMPTE 292M允許在串行化輸出上不超過(guò)0.2UI的抖動(dòng)峰峰值，這意味著時(shí)鐘抖動(dòng)應(yīng)該低于大約100 ps p-p。大多數(shù)串行化器采用并行數(shù)據(jù)速率的時(shí)鐘作為它們的輸入時(shí)鐘(對(duì)于高清，這個(gè)時(shí)鐘接近74MHz)，然后進(jìn)行倍頻以達(dá)到1.5GHz的串行速率。

　　大多數(shù)好的串行化器都會(huì)使用PLL用于這種倍頻，這樣可以抑制掉最初的并行時(shí)鐘上的抖動(dòng)。然而，為獲得最佳的性能，最好采用干凈的時(shí)鐘。在示例的同步分離器/時(shí)鐘發(fā)生電路中，將采用一個(gè)具有非常低抖動(dòng)的VCXO來(lái)產(chǎn)生像素時(shí)鐘，這樣加上串行化器非常低的抖動(dòng)抑制特性，將可以獲得非常低的抖動(dòng)輸出。采用LMH0030串行化器以及VCXO時(shí)鐘源，你可以得到的串行抖動(dòng)接近75ps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.2UI。

　　這里采用的串行化器LMH0030具有輔助的數(shù)據(jù)先入先出(FIFO)緩沖器和集成的電纜驅(qū)動(dòng)器，具有編碼、串行化處理和發(fā)送SMPTE125M和267M標(biāo)準(zhǔn)清晰度的10位分量視頻(component video)位并行數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，以及SMPTE 260M、274M、295M和296M高清晰度20位寬的分量視頻標(biāo)準(zhǔn)。

　　LMH0030可以實(shí)現(xiàn)的功能包括并行到串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、SMPTE標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)編碼、NRZ到NRZI數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘發(fā)生以及串行數(shù)據(jù)編碼、自動(dòng)視頻速度和格式檢測(cè)、輔助數(shù)據(jù)包管理和插入以及串行數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)等。

　　LMH0030還具有獨(dú)特的多功能I/O端口用于直接訪問(wèn)控制和配置設(shè)置。該端口可以進(jìn)行編程以提供對(duì)控制功能的外部訪問(wèn)。因此，設(shè)計(jì)工程師可以進(jìn)行定制來(lái)滿足期望應(yīng)用需求。在上電或重新復(fù)位后，LMH0030將自動(dòng)配置成缺省工作條件，用以輸出驅(qū)動(dòng)器、PLL和串行化器的分離電源管腳可以改善電源抑制、輸出抖動(dòng)和噪聲性能。