数字视频信号的长线传输

条通路可以是不对称的，一条快速通道用于下传视频数据，另一条慢速通道传回是否锁定等监控信息。发送端逻辑一旦得到失锁信息，则停止视频数据传输，强制发送同步码，直到收到锁定信息。

数字视频传输的特点，可以采用简单的单工方式进行传输。这种方式更为简单，系统在初始时建立稳定同步，并提取编码数据中的边沿维持锁定。但是一旦失锁，发射端无法收到反馈信息，系统同步难以恢复，这时接收端不能正确地恢复数据，表现为无规则的乱码。为防止这种现象，要周期性地在发送端强行加入定长时间的同步帧，使接收端无论是否发锁都强制同步一次。可见，系统的稳定性依赖于周围良好的电磁环境和硬件的可靠性。其缺点是：（1）由于定时插入同步帖，占用了数据传输时间，需要缓冲数据，并把数据重新组合，增加了电路复杂性；（2）在有效数据量不变的情况下，提高了传输速率的要求。

图3表示单工传输方式时两种插入同步帧的时序。

4 不同逻辑电平的转换

在现行的高速逻辑电平接口中，适合数字视频传输的有ECL、PECL、LVPECL、LVDS、TMDS等形式，具有高速率、低功耗的特点，在告诉数据的传输中，经常遇到不同逻辑电平的转换，在表1中列出常用的高速逻辑接口的典型参 数，图4表示它们之间的直观比较。

表1 不同接口逻辑电平的典型参数

SYMBOL	ECL(LVECL)	PECL	LVPECL	LVDS(general)	LVDS(lowpower)	TMDS	Unit
Vcc	0	5.0	+3.3	+3.3	+3.3	3.3	V
Vee	-5.2(-3.3)	0	0	0	0	0	V
oh	-0.955	4.045	2.345	1.4	1.325	3.3	V
Vol	-1.705	3.295	1.595	1.0	1.075	2.8	V
Vpp		750	750	400	250	500	mV
Vos		3.67	1.970	1.2	1.2	3.05	V

目前常用的逻辑接口有PECL、LVPECL、LVDS等。其中LVDS有更好的aspx">电磁兼容性、较小的功耗，因而得到广泛的应用。LVDS、TMDS电气特性相似，主要区别是LVDS由发送端和负载独立构成电流回路；而TMDS是由发送端的恒流源和接收端的电源与负载共同构成电流回路，所以只能直流耦合。

在构成长线传输系统时，不同功能、不同逻辑电平的芯片互联时要保证电平与阻抗的匹配。这些匹配功能可以用一些专用芯片构成，如Philip的PTN3310、PTN3311实现了PECL与LVDS之间的转换。还可以使用简单的电阻网络来实现转换功能及阻抗匹配，但是引入了衰减。要求匹配网络具有：

（1）阻抗匹配，发送时：Ril=2Z0，接收时Ri2=2Z0；Z0为差分传输线的单端阻抗；Ri为驱动（接）收芯片的差分输入（输出）阻抗。

对于常用的LVDS、PECL输出，要求匹配阻抗Ri=2Z0=100Ω。实际工程中，由于引线电感的存在，Ri应略小于2Z0。
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    （2）直流偏置平衡Vos=Vos1、Vos2=Vos3；Vos1、Vos2为匹配网络两端的直流偏置；Vos为编解码芯片输出（输入）端的直流偏置；Vos3为驱动接或收芯片的输入（输出）端直流偏置。

(3)电阻网络的衰减应尽量小，Vppo>Vppi>Vt。Vppi为匹配网络输入信号的差值；Vppo为匹配网络衰减后输出信号的差值；Vt为芯片差分输入的门限。

（4）发送时，匹配网络与驱动尽量靠近；接收时，匹配网络与解码尽量靠近。

匹配网络与前后级的关系如图5所示。

5 正确的传输方式和耦合方式

5.1 正确的传输方式

数字视频的传输接口通常是差分接口，它具有较强的抗共模干扰能力。差分信号可以采用平均方式传输，如双绞线（UTP5、STP5）。也可以采用非平衡方式，如同轴电缆（belden828）。

采用双端形式时，信号传输线与地是隔离时，所以效地避免了地线引入的串扰。而采用单端形式时，其有效信号幅度只有双端输出的1/2，特别是当进行长距离传输时，地线作为信号传输线的一问好，由于受收发两端电流、接收电阻等参数的影响，容易引入地线的串扰。故此，可以使用双同轴构成平衡传输，既减小了地线干扰，又保证了较好的传输特性。同轴电缆的频率特性干扰于双绞线，在端口电参数一致的情况下，具有更远的传输距离。

在远距离户外传输时，外部瞬间的强电磁干扰，对传输系统会造成严重的影响，甚至使芯片损坏，所以应具有完善的过压保护措施和隔防措施。如果采用传输变压器的隔离耦合或光耦合，可以极大地提高系统抗外界干扰的能力。特别是光传输，不但极大地提高系统抗外界干扰的能力。特别是光传输，不但有极大的传输和抗干扰能力，而且实现了隔离收发两端的电系统，简化了系统两端的供电和共地。

图5 匹配网络与前后级的关系

    5.2 差分信号耦合形式

差分信号无论是双端还是单端传输，都可以采用直流耦合。相同电平的逻辑接口之间均可直接耦合；不同电平的逻辑接口之间要通过匹配网络进行直流耦合；只有那些具有完善加解扰功能的芯片，才可使用交流耦合方式。在远距离传输时，为使收发两端直流隔离，避免外部可能引入的直流漂移，宜采用交流耦合方式。实际构成系统时，要具体分析芯片的不同功能和特性，来确定采用何种耦合方式。图6为两种典型 的交流传输方式。

6 合理的PCB设计

上面提到的高速逻辑接口，在PCB板上传输频率可以达1GHz以上，要求严格遵守高频PCB制作的布线规则，并对高速传输线进行信号完整性分析。

合理的PCB设计主要是指：

（1）采用高频性能好的四层或四层以上的多层PCB板，PCB板材质至少应为高频玻璃环氧树脂板。并把高频信号线与地层相邻，较好的作法是：地层、微带层、电源层、信号层。通常的做法是：微带层、地层、电源层、信号层。

（2）发送端及接收端高速差分信号线应视作微带线，要优先布线，每对之间宽度一致，分散走线，长度相同，尽量短直，转弯时采用圆弧连接。这样做是为了减少线间干扰以及反射和振铃。

每条微带线的特征阻抗Ro应等于接收端的单端阻抗。

若为微带线（microstrip），计算公式为：

Ro=87·ln[5.98h/(0.8W+t)]·[1/(εr+1.41)**(0.5)]

若为微带传输线（stripline），计算公式为：

R0=60·ln[4h/0.67π(0.8W+t)]·(1/εr**0.5)

其中，t为铜厚度，W为微带线宽度，εr为介电常数，一般取4.4～5.0；h为微带线与地层的距离。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

（3）差分信号本质上属于模拟信号，与PCB板上其他数字信号应区别开，遵循模拟和数字混合电路的布线原则：模拟地单独设，电源单独提供，模拟地与数字地只有一些会合，位于总电源入口的地上，可以加入高频磁珠滤除地线杂波。

以上总结讨论了长线传输的几个主要问题。需要说明地是，并不是每一个具体的系统都与图1完全一致。在实际中，由于使用目的不同、传输数据的频率不同、距离不同、使用的技术不同、传输系统有很大差异。一般组成系统时，可以采用155M/622M/1.2G以太网物理层芯片，可以采用STMPE规范的数字视频芯片，还可以采用光通信的传输芯片。许多厂家提供这样的芯片，如National、Ti、Agilent、Maxim、Cypress等。

这些芯片的功能、频率适用范围、输出逻辑电平、适用协议及其他具体参数都各有差异，应用时应仔细区分。例如有些芯片本身集成了电缆驱动电路，如CLC020、CLC030。有些传输芯片没有加扰功能，如DS90CR583/584、DS92LV1023/1024。此外不同芯片的编码解码、加扰解扰的方式也各有差异。例如CLC020采用补位进行8B/10B编码，多项式运算完成加扰，直流平衡采用常用的NRZ/NRZI码的转换方式；而如HDMP1022/1024，其编码是通过D域编码，再叠加复用C域编码（frame mux）完成16B/20B，20B/24B编码则是通过计算每个字的码重来确定符号，累计每个字的符号来决定当前字是否翻转（Conditional invert master transition），从而达到直流平衡的目的。只有详细了解不同芯片的特征和参数，才能构成成本低、效率高、稳定可靠的传输系统。

笔者最近研发的双绞线、同轴、光纤长线传输系统，适合不同频率范围、不同距离的应用，使用情况良好，系统运行稳定。

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