数字演播室高清晰度电视及其测试(中)－襄樊电视台戴延龄--广电加油站

数字演播室高清晰度电视及其测试(中)－襄樊电视台戴延龄

数字高清的并行和串行接口

　　与数字标清一样，数字高清的传送方式也分为并行传输和串行传输两种，各自适用于不同的场合。

比特并行接口

　　并行传输是视频数据字中每一量化比特位分别用固定的一条通道来传输。也就是说，每个数据字的同位比特均在同一通道上传输，如果数据字长为10b，就要占用10个通道。
　　亮度信号与色差信号的时分复用
　　数字分量系统有一路亮度信号和两路色差信号，其样值数据字长均为10b。如果分别采用比特并行传输，就须要使用3条多芯电缆，这不仅给传输带来了不便，而且带来了3路信号之间的时延问题。因此，可利用时分复用的方法将3路信号复用为一路信号，再用一条多芯电缆并行传送，这样可以简化系统的传输设备，提高传输速率。4∶2∶2分量时分复用并行输出的电路原理如图5所示。

　　图中，时钟发生器输出两种时钟信号：37.125MHz是色差信号C_B或C_R的取样频率，经A/D转换后的字速率均为37.125MW/s，时分复用后色差字C_B/C_R的速率提高到74.25MW/s，字长为10b；74.25MHz是亮度信号Y的取样频率，字速率为74.25MW/s，字长也为10b。Y与C_B/C_R复用后，如果把亮度／色差样值看成一个字，则字长为20b，字速率仍为74.25MW/s，图中输出端正是这样表示的；如果把亮度字与色差字分别对待，则字长各为10b，字速率为148.5MW/s。由此可见，复用后的传输速率明显提高了。
　　数据信号的定时
　　由于发送端采用了时分复用，接收端须要解复用并进行数字解码才能恢复原始信号。因此，收发两端的数据定时非常重要。由图5可见，在并行传输方式中，除了传送数据比特外，还要传送74.25MHz的同步时钟信号。时钟信号与数据信号之间应有明确的定时关系。
　　在并行传输中，数据信号以不归零码(NRZ)的形式传送。所谓不归零，是指在码元时间(码元宽度)内，数据脉冲信号的电平值不回到零，即数据信号脉冲的持续时间等于码元的持续时间。
　　时钟发生器的输出时钟为方波信号，它与数据信号的定时关系如图6所示。

　　图中，将时钟信号上升沿50%处作为定时基准，时钟周期T_ck等于亮度取样频率的倒数，即亮度取样周期，其值为1/74.25MHz=13.468ns；t为时钟信号的脉冲宽度(在50%处测量)，应为T_ck的一半；T_d为数据信号跳变沿50%处距定时基准点的宽度，也应为T_ck的一半。为保证接收端能够正确地读出数据，在高清数字标准中对时钟宽度、时钟的抖动、数据的定时误差和数据信号的幅度均作出了规定。
　　时分复用后的并行传输
　　经过时分复用，每一C_B/C_R色差数据字与每一亮度数据字组合为20比特字(图5)，因此传输并行视频数据流就须要使用20对线。如果要附加一个辅助通道以传输其它数据，或者改为传送R、G、B分量数据流，则需要30对线。此外，还需要一对线传送时钟信号，这样总共为31对线。为了避免各线对之间相互串扰，各线对均应采用双绞线形式，每一对线的外围均应有接地的屏蔽线，最后还需要一个总的屏蔽。因此，为传输时分复用后的并行信号，就要使用一根93芯的多芯电缆。每对双绞线的标称特性阻抗为110Ω，在发送端输出信号符合要求及最长传输距离20m的情况下，电缆的特性应能保证数据信号的正确读出。
　　在发送端，时分复用后的并行流必须经过线路驱动器才能与多芯电缆相连接；在接收端，也要有相应的线路接收器。这样，每一线对均要使用一个线路驱动器和一个线路接收器。线路驱动器是平衡输出，输出阻抗最大为110Ω；线路接收器是平衡输入,输入阻抗为110Ω，它们均应与双绞线的特性阻抗有良好的匹配。

　　发送端的线路驱动器为差动输出，共模电压为-1.29V±15%(对地),发送信号幅度的峰值在110Ω负载的情况下应为0.6~2.0Vp-p。线路接收器为差动输入，最大共模电压为±0.3V，输入信号电压为185Vp-p至2.0Vp-p,各线对之间的延时差不得超出±0.18T_ck 。 

比特串行接口

　　由于并行传输占用的通道数量很多，因而只适于短距离点到点数字信号传输，不适于大、中型演播室应用。为实现单一通道的单芯同轴电缆传输，须要对并行数据流进行并／串转换和加扰编码，形成串行数据流(即SDI流)。
　　并行／串行转换
　　经过如图5所示的比特并行流的时分复用，Y数据流和C_B/C_R数据流被复用为一路Y/C并行数据流。图7是并行数据流复用过程的时序图，复用后并行数据流中的亮度取样字和色差取样字序列应当按照图7下方的排列方式。

　　复用后的Y/C_B/C_R并行数据流仍须采用多芯电缆进行并行传输，并且还要单独传送一路时钟信号。为实现单芯同轴电缆传输，必须对并行数据流进行串行化处理。
　　图8是并/串转换电路的方框图。这里有两个时钟信号：148.5MHz的时钟和10倍频后的1485MHz时钟。移位寄存器将10位的已复用的并行数据流按148.5MHz的时钟频率写入，再以1485MHz的时钟频率读出，形成串行数据流。读出顺序是每字的低位在先，高位在后。转换前，并行数据流的单位通常用“字”表示，数据传输率的单位为字/秒(W/s)，其值为148.5MW/s，字长为10b；转换为串行数据流后，通常以比特作为数据单位，传输率用比特/秒(b/s)表示，因此串行数据流的传输速率为148.5MW/s×10b/W = 1.485Gb/s，每个比特的时间宽度则为1/(1.485×10⁹)=673.4ps。

　　在接收端，则要把串行数据流用串/并转换电路恢复为并行数据流，以便接收端进行数/模转换，还原为模拟信号。如图9所示。由于高清数字串行流的速率为1.485Gb/s，其1/2时钟频率点高达742.5MHz，这就要求传送电缆有良好的宽带频谱特性。但是，随着电缆长度的增加，高频衰减也加大。图9中电缆均衡器就是用来补偿传送电缆所引起的高频损耗。

　　随机化处理
　　时分复用的并行视频数据流经过图8的并/串转换后输出的就是串行数据流，但这样的串行流并不适于传输，必须先进行扰码和NRZ/NRZI编码处理。
　　时钟信号对于数字电视传送至关重要。无论是模/数转换、时分复用，还是解复用、数/模转换等环节，都需要正确的时钟信号。在并行数据流中，时钟信号是单独传送的；但在串行传输时，使用的是单芯同轴电缆，无法提供专用的时钟传送通道。由图6可知，在时钟信号与数据信号的跳变沿之间存在严格的定时关系，这就意味着数据信号跳变沿中含有时钟信息。串行传输正是利用这一特性，即接收端可以从输入串行数据流的跳变沿中恢复时钟信号，图7中锁相环路(PLL)的作用即在于此。它利用输入比特序列高低电平的跳变沿，通过相位比较来锁定压控振荡器(VCO)，使之产生的时钟信号与发送端的时钟保持同步。但原始数据流中难免有一长串连续的“0”或“1”，这样，接收端的时钟就会因无跳变沿而在较长时间内失去基准，不能与发送端的时钟保持同步，这不利于数据的正确恢复。而且，长串的“0”或“1”会使数据流的能量频谱集中到低频，这也不适合于信道传输特别是采用交流耦合的电路传输。为此，必须对原始数据进行随机化处理(或称加扰处理)。
　　在讨论加扰处理之前，先对“模2加”和“伪随机二进制序列”做简要说明。模2加是二进制中的一种运算方法，常用符号○表示，其运算规则是：
　　0○1=1○0=1
　　0○0=1○1=0
　　伪随机二进制序列(PRBS)也称m序列，通常由多级(m级)线性反馈移位寄存器产生，序列周期的长度为2^m-1个比特。这种序列具有类似于随机噪声的统计特性，因此也称之为伪随机序列。正如一组比特序列可以用一个数学多项式表示一样，一组反馈移位寄存器也可以用多项式来表示。能够产生m序列的反馈移位寄存器，其对应的多项式称为本原多项式或生成多项式。m序列具有如下特性：
　　(1)在m序列的一个周期中，“1”的个数比“0”的个数多一个，即“1”与“0”的数目基本相等；
　　(2)连续出现的相同码称之为游程。在m序列中，短游程多，长游程少。具体而言，长度为1的游程占游程总数的1/2，长度为2的游程占1/4，如此类推。
　　基于模2加的运算规则和m序列的性质，可以得出结论：将视频原始数据序列与m序列进行模2加，在不增加比特个数的前提下原始序列的统计特性会显著改变，即连续的“0”或“1”的长度变短、长游程的个数变少，从而增加电平的跳变次数，改善数据流能量频谱的分布。这正是我们所需要的。此过程被称为扰码或称随机化处理。而在接收端，只须将输入序列与同一个m序列再进行一次模2加，即可恢复原始数据流。
　　在高清数字电视中，扰码处理的具体实现方法参见图10。图中左边第一个虚线框即为扰码器框图。标准规定，扰码器采用9级反馈移位寄存器，它的生成多项式为G1(X)=X⁹+X⁴+1，因此所产生的PRBS周期序列的长度为511b。图中D₁～D₉由低位至高位依次代表9个移位寄存器，由于数据流的传送次序是低位在先、高位在后，可以把最靠近输出端的寄存器定为D₁。D₁～D₃和D₅～D₈的输入端无反馈，因此在多项式中对应的系数均为零。如果断开G1(X)的输入端，即不接入串行原码，虚线框内就是一个m序列发生器；如果接入串行原始数据流，这时输入的原码序列与m序列模2相加，输出的就是加扰后的串行数据流。

　　接收端是发送端的逆变换，如图11所示，左边第二个虚线框为解扰框图。解扰器与扰码器一样，也是采用9级移位寄存器，生成多项式仍为G1(X)= X⁹+X⁴+1，产生的PRBS序列也相同，但电路的形式不同：扰码器采用的是反馈式，解扰器采用的是前馈式。

　　在接收端，经过解扰器处理即可恢复原始串行数据流。设原始数据流二进制序列为A_j，加扰和解扰的PRBS序列均为Pk，根据前述模2加运算规则，任何二进制序列自身模2相加后，其值为零，即Pk○Pk =0，因此：
　　Aj○Pk○Pk=Aj○0=Aj
　　NRZ/NRZI编码
　　前面已提及，视频数据并行比特流的码型是NRZ码。经过并／串变换及加扰后，码型没有变化。NRZ码是以本位的低电平为“0”、高电平为“1”，码电平的取值与其相邻位的电平无关，因此属于绝对码。在图10左边第二个虚线框图中，代表的是一个单级的反馈移位寄存器，其生成多项式为G₂(X)=X+1；加扰后输出的NRZ码经其变换后，成为倒相的不归零码(NRZI)，它以相邻位的电平是否跳变来表示“1”或“0”，而与本位的电平高低无关，也与本位脉冲的极性无关。因此，NRZI是一种相对码或差分码，如图12。由于它是用前后码元电平的相对变化来传送信息，即使接收端收到的码元极性与发送端的极性完全相反，它也能作出正确的判决。与NRZ码相比较，它有利于时钟信息的提取和正确解码。
　　无论是NRZ码、还是NRZI码，从图12可以看出，在码元宽度内高电平不回到零位，即它们都具有电平不归零的特征。另外，比较图12中NRZ码和NRZI码的波形，前者跳变9次，后者仅8次，这说明NRZ/NRZI变换并不能增加跳变次数，而且频谱分布也无改善。要达到这两个目的，必须进行随机化处理。

　　与加扰／解扰处理过程一样，在接收端要将NRZI码还原为NRZ码，只需把发送端的反馈式移位寄存器改为前馈式即可，如图11左边第一个虚线框所示。
　　串行传输的接口特性
　　加扰和NRZ/NRZI转换后的串行数据流还必须经线路驱动器放大处理才能馈入同轴电缆(图8)。对同轴电缆的要求是：特性阻抗为75Ω；反射损耗在5～742.5MHz频率范围内不小于15dB，在742.5～1485MHz内不小于10dB；在1/2时钟频率点(742.5MHz)以内的传输损耗不应大于20dB。
　　为与同轴电缆相匹配，对线路驱动器的要求是：不平衡输出，输出阻抗为75Ω；在75Ω电阻负载上，经1m长同轴电缆测得的发送信号幅度应为800mVp-p ±10%；反射损耗在5～742.5MHz频率范围内不小于15dB，在742.5～1485MHz内不小于10dB；当负载电阻为75Ω时，在信号幅度20%～80%处测量，上升沿和下降沿的过冲应小于标称幅度的10%。