Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 20 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Основы обработки звука во встраиваемых системах. Часть 1

В статье рассматривается алгоритм цифровой обработки аудиосигналов в процессорах, которые используются во встраиваемых системах.

 

11 марта

ЧИПСЕТЫ NATIONAL SEMICONDUCTOR ДЛЯ SD/HD/3G SDI-ИНТЕРФЕЙСОВ. Часть 1

Разработкой нового семейства чипсетов для поддержки стандарта 3G SDI компания National Semiconductor расширила портфолио продукции «лучший в своем классе», предназначенной для применения в профессиональной и телевещательной видеоаппаратуре. Семейство чипсетов обеспечивает функции передачи и приема цифровых видеосигналов со скоростями передачи до 3Гбит/с по стандартному телевизионному 75-Ом кабелю на расстояния от 100 до 350 м. Новое семейство чипсетов SD/HD/3G SDI предназначено для замещения линейки CLCxxx.



Введение

Коаксиальный кабель в качестве среды для передачи видеосигналов применяется уже более 70 лет. Первоначально он использовался только для передачи аналоговых видеосигналов. С переходом на цифровое видео в качестве среды для транспортировки видеоданных между различными видами оборудования телестудий наряду с оптикой и витой парой продолжает применяться и традиционный 75-Ом телевизионный кабель.
Цифровые телевизионные данные между различными типами студийного оборудования передаются как в параллельном, так и в последовательном коде. Несмотря на то, что в стандарте BT-656 регламентирована передача в параллельном коде на расстояния до 50 м, этот интерфейс обычно используется для внутриблочных связей на расстояния не более нескольких метров.
 Передача в последовательном коде более предпочтительна при передаче видеосигналов на расстояния до 400 м. Оборудование телевизионных студий может находиться в различных помещениях и на различных этажах здания, а также в разных зданиях. Длина кабельных соединений между различными единицами оборудования может достигать нескольких сот метров.

 

Интерфейс SDI

В профессиональном студийном оборудовании для телевизионного вещания, а также для цифрового кинематографа в качестве интерфейса применяется цифровой последовательный интерфейс SDI (Serial Digital Interface). Физическая среда передачи SDI — оптика или коаксиальный 75-Ом кабель. Интерфейс SDI используется исключительно в профессиональной телевизионной аппаратуре. В первую очередь это связано с наличием лицензионных ограничений при использовании SMPTE-стандартов. Структура и физический уровень цифрового последовательного интерфейса для передачи телевизионных сигналов были впервые определены в стандарте BT.656, который был разработан международным комитетом по электросвязи ITU-R (International Telecommunication Union, R — отдел стандартизации для радиосвязи) в 1986 г. В качестве среды для передачи предполагалось использовать стандартный 75-Ом коаксиальный кабель или оптическое волокно. Однако название SDI для данного интерфейса появилось значительно позднее — в 1993 г. в стандарте SMTE-259М.
В интерфейсе SDI используется передача телевизионных цветоразностных сигналов и сигналов яркости YCbCr в формате 4 : 2 : 2. Полоса последовательного канала при передаче 8-разрядных цифровых видеосигналов составит 27 МГц · 8 = 216 МГц, а для 10-разрядного 27 МГц × 10 = 270 МГц. Перед трансляцией сигнала в линию производится преобразование параллельного кода в последовательный, а затем скремблирование, что позволяет оптимизировать спектр передаваемого сигнала и обеспечить лучшие условия для восстановления сигнала несущей частоты на стороне приемника. В скремблере используется псевдослучайное кодирование, которое обеспечивает при любых комбинациях исходного цифрового сигнала равномерное распределение нулей и единиц, тем самым обеспечивая отсутствие смещения электрического сигнала при передаче. Передача производится в коде NRZI, нечувствительном к полярности сигналов. В потоке передаются данные со встроенной синхронизацией. Амплитуда сигнала SDI интерфейса при передаче через 75-Ом коаксиальный кабель: 800 мВ (±10%) от пика до пика. В канале передачи SDI используется емкостная развязка.
 Данные SDI имеют кадровую (фреймовую) структуру, период следования кадров соответствует частоте кадровой развертки телевизионного сигнала. В структуре фреймов передаются также встроенные каналы цифрового аудио и дополнительный канал данных, например для титров.

 

Стандарты SMPTE

Международное общество инженеров кино и телевидения SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) было образовано в 1916 г. в США для разработки стандартов аппаратуры регистрации изображения в киноиндустрии. SMPTE является независимой организацией и вместе с ITU-R в настоящее время разрабатывает стандарты для сектора обработки и передачи видеоизображений. За долгие годы организацией были разработаны различные стандарты, в частности, ряд стандартов, регламентирующих физический уровень и структуру цифровых телевизионных последовательных интерфейсов.
Разработкой своих стандартов SMPTE расширила спецификации стандарта BT-656, разработанного ранее ITU-R.
Стандарт SMPTE 259M — первая версия появилась в 1993 г. В нем регламентировался физический уровень и структура последовательного цифрового интерфейса для передачи телевизионных сигналов с разложением 525 (NTSC) и 625 (PAL/SECAM) строк. Для передачи телевизионных сигналов различных форматов были определены несколько уровней стандарта (см. табл. 1).

 

Таблица 1. Спецификации различных уровней (вариантов) стандарта SMPTE-259M

Вариант стандарта

Скорость передачи SDI, Мбит/с

Формат кадра

Общее число строк в кадре

Число активных пикселовв кадре

Число активных строк в кадре

Частота кадровой развертки, Гц

SMPTE 259M-A

143

4:3

525

768

486

60

SMPTE 259M-B

177

4:3

625

948

576

50

SMPTE 259M-C

270

4:3 или 16:9

525

720

486

60

SMPTE 259M-C

270

4:3 или 16:9

625

720

576

50

SMPTE 259M-D

360

16:9

525

960

486

60


Стандарт уровня С получил наибольшее распространение во всем мире. Он называется «270 Mбит/с SDI» или Standard-Definition SDI (SD-SDI), поскольку предназначен для передачи телевизионных сигналов стандартного разрешения. Стандарт широко поддержан всеми производителями цифрового студийного оборудования.
Для передачи телевизионных сигналов высокого разрешения HDTV позднее был разработан стандарт SMPTE 292M.
SMPTE 292M: описывает формат передачи HDTV со скоростью 1,458 Гбит/с. Именно такая скорость необходима для передачи потоков цифрового видеосигнала HDTV для изображений формата 1080 × 720 (прогрессивная развертка) с кадровой частотой 50/60 Гц и глубиной кодирования цвета 10 разрядов. Стандарт известен под названием HD-SDI.
SMPTE 424M: был утвержден в июне 2006 г. В нем регламентирован физический уровень передачи сигналов SDI интерфейса со скоростью 2,976 Мбит/с по коаксиальному кабелю 75 Ом. Стандарт известен под названием 3G-SDI (канал со скоростью передачи 3 Гбит/с). Такая скорость требуется для трансляции потоков цифрового видео­сигнала для изображений формата
1920 × 1080 (прогрессивная развертка) с кадровой частотой 50/60 Гц и глубиной кодирования цвета 10 разрядов. Этот формат сейчас широко используется в цифровом кинематографе. В ITU-R ему соответствует стандарт ITU-R — BT 1120-3 part 4 , выпущенный в 2005 г.
Аппаратура цифровой обработки телевизионных сигналов с использованием интерфейса SDI как в Европе, так и в Северной Америке должна соответствовать положениям стандартов, разработанных этой организацией (см. табл. 2).

 

Таблица 2. Основные характеристики стандартов SDI

Характеристики
Стандарт SMPTE
SMPTE-259M

SMPTE-292M
SMPTE-424M
Тип SDI-интерфейса
SD-SDI
HD-SDI
3G-SDI
Скорость передачи, Гбит/с
0,270
1,458
2,916
Формат изображения, пикселы × строки
720 × 525/625
1080 × 720
1080 × 1080, 1920 × 1080
Стандарт телевизионного сигнала
NTSC/PAL
HDTV1
HDTV2
Область применения
Телевизионное студийное оборудование
Цифровой кинематограф
Макс. длина линии без повторителей, м
350
200
100


Все рассмотренные стандарты предполагают в качестве среды передачи использование стандартного аналогового коаксиального кабеля. Поскольку стоимость внедрения новых систем передачи в основном определяется стоимостью кабельной структуры, то такой выбор является разумным. То есть сохраняется возможность применять уже имеющиеся кабельные 75-Ом сети с байонетными разъемами и ускорить внедрение новых стандартов интерфейсов SDI.

Трансляция трафика DVB-ASI через интерфейс SD-SDI

DVB-ASI (Digital Video Broadcast-Asyn­chronous Serial Interface) — асинхронный последовательный интерфейс для цифрового телевещания. Цифровой ресивер, принимающий телевизионные сигналы со спутника, обычно имеет цифровой интерфейс DVB ASI, сами телепрограммы передаются в MPEG2. Для транспортировки нескольких файлов формата MPEG-2 в едином потоке со скоростью 270 Mбит/с используется интерфейс SDI-SD. Интерфейсы HD/3G для передачи потоков DVB-ASI не применяются.

 

Рис. 1. Схема транспортировки потока DVB-ASI через шину SDI

 

На рисунке 1 показана схема транспортировки потока DVB-ASI через шину интерфейса SD-SDI.

 

Состав чипсетов SD/HD/3G SDI National Semiconductor

(см. табл. 3):

– кабельный драйвер-передатчик;
– приемник-эквалайзер;
– фазовый регенератор сигнала (подавитель джиттера) с входным коммутатором и без него;
– сериалайзер (передатчик сигнала, формирователь сигнала, преобразователь нескольких потоков параллельного кода в один последовательный);
– десериалайзер (приемник, преобразователь из последовательно в параллельный поток).

 

Таблица 3. Состав чипсетов SD/HD/3G SDI National Semiconductor

Функция микросхемы
3G-SDI
HD/SD-SDI
SD-SDI
Корпус
Питание, В
Эквалайзер
LMH0344
LMH0044
LMH0074
LLP-16
3,3
Регенератор (reclocker)
LMH0346
LMH0046
В разработке
e-TSSOP-20
Регенератор (reclocker) с входным коммутатором
LMH0356
LMH0056
В разработке
LLP-48
Кабельный драйвер
LMH0302
LMH0025
LMH001
LLP-16
Сериалайзер
LMH0340
LMH0040
LMH0070
LLP-48
3,3 и 2,5
Десериалайзер
LMH0341
LMH0041
LMH0071
LLP-48
3,3


Архитектура каждого семейства поддерживает передачу в стандартах SD, HD и 3G. Старший представитель семейства поддерживает скорости всех стандартов, а младший — только SD. Соответственно, и цена у них разная. Корпус и цоколевка у членов семейства одинаковые. Такой подход позволяет строить более гибкую ценовую политику продвижения продукта на рынок. Все микросхемы чипсетов выполнены в микрокорпусах LLP или e-TSSOP. Корпуса серии LLP имеют такое же расположение выводов, как и у микрокорпусов QFN других производителей.

 

Рис. 2. Пример использования чипсетов SDI для организации кабельного канала передачи видеоконтента между двумя удаленными устройствами


Чипсеты SD/HD/3G — SDI не содержат формирователей кадров в формате SDI (фреймеров), а также дефреймеров. Предполагается, что упаковка и распаковка телевизионного сигнала производится до и после тракта передачи в ПЛИС или других микросхемах видеопроцессоров. Чипсеты сериалайзеров могут работать с входными и выходными сигналами ПЛИС Xilinx Spartan-3E или Altera Stratix. На рисунке 2 показан пример использования чипсетов SDI для организации кабельного канала передачи видеоконтента между двумя удаленными устройствами.

 

Особенности передачи высокочастотных сигналов по коаксиальному кабелю

Современный телевизионный коаксиальный кабель имеет внутренний проводник из омедненной стали, внутренний диэлектрик из вспенненного полиэтилена и экранирование фольгой и стальной оплеткой. Некоторые кабели (например, кабель фирмы COMMSCOPE) имеет два слоя фольги, между которыми находится стальная оплетка.
Эталоном 75-Ом коаксиального кабеля для передачи цифровых сигналов считается кабель 1694A фирмы Belden Inc. Его отличают низкий уровень потерь сигнала на высоких частотах. Затухание сигнала на частоте 3 ГГц составляет 10,67 дБ/100 футов.
В зависимости от длины кабеля происходит различное затухание сигнала, которое определяется уровнем поглощения в диэлектрике, уровнем излучения, нагрузочной емкостью и скин-эффектом.
Главным фактором, ограничивающим передачу высокоскоростных сигналов в коаксиальном кабеле, является скин-эффект — ослабление прямо пропорционально частоте сигнала. Частотная зависимость затухания сигнала в кабеле — причина искажения формы сигналов и межсимвольной интерференции.

 

Рис. 3. Сравнительные АЧХ кабельной линии, эквалайзера и АЧХ выходного сигнала после эквалайзера


Следовательно, для того чтобы полностью восстановить форму сигнала, нужно скомпенсировать все потери, обусловленные различными эффектами. Эту функцию обеспечивает кабельный приемник — эквалайзер. В эквалайзере используется усилитель, АЧХ которого имеет обратную зависимость от затухания сигнала в кабеле (см. рис. 3). Специальные фильтры в структуре эквалайзера обеспечивают измерение двух компонент степени затухания и синтез управляющего сигнала для усилителя с частотно-зависимым и управляемым коэффициентом усиления.

 

LMH0344 — 3 Гбит/с HD/SD SDI адаптивный кабельный эквалайзер

Микросхема приемника-эк­ва­лай­зе­ра LMH0344 (см. рис. 4) автоматически адаптируется к кабелям разной длины, выравнивая АЧХ сигнала и компенсируя затухание в линии c различными скоростями передачи SD/HD/3G без использования внешнего программирования. Адаптивный кабельный эквалайзер способен компенсировать затухание дифференциальных или одинарных сигналов на скоростях до 3,2 Гбит/с. ИС автоматически компенсирует потери сигнала, вызванные скин-эффектом, до 30 дБ при скоростях 1,6 Гбит/с. Эквалайзер может использоваться в трактах передачи любых скоростных цифровых потоков, а не только SDI.

 

Рис. 4. Структурная схема кабельного эквалайзера LMH0344


Эквалайзер состоит из двух усилителей с управляемыми коэффициентами усиления и заданными АЧХ. Первый усилитель имеет равномерную АЧХ, а усиление второго пропорционально корню квадратному из частоты. Применение адаптивных эквалайзеров позволяет передавать импульсные сигналы по кабелю с длиной несколько сот метров. На входах приемника используется емкостная развязка дифференциальных сигналов.
Основные характеристики кабельного эквалайзера LMH0344:
– поддержка канала DVB-ASI на 270 Mбит/с;
– скорости передачи: от 143 Mбит/с до 2,97 Гбит/с;
– результаты тестирования эквалайзера (использовался кабель Belden 1694A): до 120 м при скорости 2,97 Гбит/с; 140 м на скорости 1,485 Гбит/с или 350 м на 270 Mбит/с;
– уровень джиттера выходного сигнала (кабель Belden 1694A 100 м, скорость 2,97 Гбит/с — 0,3 UI;
– ручной режим управления байпасом и блокировка выходного сигнала с программируемым порогом;
– асимметричный или дифференциальный вход;
– 50-Ом дифференциальный выход;
– потребление 280 мВт DS16EV5110;
– совместимость по вводам с LMH0044 и с микросхемами фирмы Gennum GS2974 или GS2974A.

LMH0346 — 3 Гбит/с  HD/SD SDI-фазовый регенератор сигнала с двумя дифференциальными выходами

При передаче данных по длинному кабелю происходят не только затухание, но и фазовые искажения сигнала. Вследствие того, что передача идет с емкостной развязкой, происходят контекстные локальные смещения уровня сигнала. В итоге при приеме и восстановлении данных возникают фазовые флуктуации частоты и фазы сигнала (джиттер). При приеме последовательного потока информации обычно считывание информации происходит в середине тактового битового интервала. Присутствие джиттера приводит к смещению фронта тактирующего сигнала относительно середины принимаемого бита данных. При многократной регенерации цифрового потока джиттер обычно возрастает, что может привести либо к возникновению битовых ошибок (BER), либо к полной неисправности из-за нарушения системы синхронизации.
Метод подавления джиттера основан на использовании восстановителей (reclocker) или регенераторов сигнала, в которых производится тактирование входного цифрового потока частотой, полученной из входной частоты с помощью ФАПЧ и имеющей существенно меньшее значение джиттера. Вторая тактовая частота получается при помощи фазовой автоподстройки частоты. В других источниках для обозначения данной функции используется термин data retimer.

 

Рис. 5. Структурная схема регенератора LMH00346


Структура регенератора (см. рис. 5) обеспечивает прием сигнала, выделение тактовой частоты, синтез ФАПЧ второй тактовой частоты из входной частоты, перетактирование данных и подачу на выход. Второй выход используется для тактового сигнала. Можно отключить подавитель джиттера. Восстановитель сигнала (reclocker) LMH0346 3 Гбит/с HD/SD SDI обеспечивает работу с цифровыми последовательными видеоинтерфейсами в соответствии со стандартами SMPTE 424M, SMPTE 292M и SMPTE 259M (C).
LMH0346 автоматически определяет тип входного потока данных (SD/HD/3G) и, соответственно, подстраивает частоту тактирования для подавления аккумулированного джиттера. LMH0346 восстанавливает частоту тактирования из входного сигнала c помощью ФАПЧ. Входные сигналы управления режимами имеют уровни LVCMOS. Выходы данных и тактового сигнала имеют CML-уровни и могут работать на 100-Ом дифференциальную линию. Мощность потребления 370 мВт. Микросхема регенератора имеет два выходных сигнала. Выход SDO — восстановленный сигнал данных SDI с подавленным джиттером. Выход SCO/SDO2 может использоваться для вывода сигнала синхронизации с выхода ФАПЧ или в качестве второго выхода восстановленного сигнала SDI с подавленным джиттером.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Александр Самарин, технический консультант, ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2017 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты