广电系统中高清视频信号的接口与传输

上海市宝山区广播电视台技术部 吴 涛

1.SDI介绍

SDI是串行数字接口（Serial Digital Interface）的简称，是指将符合SMPTE（运动图像和电视工程师协会）标准的基带数字视频信号通过一条电缆进行传输的技术。

基带数字视频信号在设备中通常作为并行信号处理。如果直接传输，亮度信号10比特、颜色信号10比特、时钟信号1比特、再加上1比特的同步信号共计22比特，也就是说需要22个并行传输通道。这样不仅难以操作，还会引起信号数据与时钟间的相位差问题，而无法进行长距离的传输。

SDI可以通过一条电缆进行传输全部亮度信号、颜色信号、同步信号与时钟信息，所以能够进行长距离传输。比特率由数字化数据对应的时钟速率决定：NTSC信号对应143Mbit/s，PAL信号对应177Mbit/s，EBU（欧洲广播联盟）Rec.601信号的分数字信号对应270Mbit/s.SMPTE267中定义的宽屏分系统将产生360Mbit/s的比特率。在有合适的接口适配器的情况下，这种串行接口可用于一般的视频同轴电缆或光纤。

图1显示了270Mbit/s和360Mbit/s两种SDI比特流。EAV和SAV部分是保留字序列，用来指示一个视频行的开始和结束。对于270Mbit/s的比特流，每行包含1440个10 bit的4:2:2的视频样本。水平附属数据HANC包含有附助数据、误码检测和控制、嵌入的音频等其他信息。

SDI信号的前提是无压缩的基带数字视频信号。与由基带数字视频信号压缩后形成的MPEG信号不同，SDI信号不存在因压缩造成的画质下降或迟延（至少200ms）。它的另一个重要特征是可以很灵活地把不同信道的AES/EBU数字音频嵌入视频码流。这些都是电视台选用SDI的原因。

2.HD-SDI规格

HD-SDI是一个广播级的高清数字输入与输出端口，是根据SMPTE 292M，在1.485Gb/s的速率条件下传输的接口规格，单路HD-SDI可以传输最高1485Mbps的无损1080p高清数字视频信号，它支持多路并列传输，最高可以支持到六路并列传输，这时候HD-SDI的传输带宽将达到8.9Gb/s。

3.HD-SDI的传输

图1 基本的SDI码流

图2是一个典型的HD-SDI传输模块。它主要包括两个部分。第一部分是协处理器，它用来把EAV/SAV、行数和CRC信息嵌入到输入数字视频信号中。这个器件还能在色度信道的HANC区域传输音频数据和音频信道状态信息。

传输系统的第二部分是并串转换器，它把两个信道的并行数据（亮度和色度）转换为一个串行比特流。这个装置还能执行SMPTE 292M/BTA S-004标准中规定的信道编码技术，即加扰的非归零变换编码操作。

由于HD-SDI的传输速率高达1.485Gb/s，其频谱一般分布在4GHz以上，所以在HDSDI信号传输时必须使用高频衰减较少的专用电缆（特性阻抗75欧姆），否则将无法正确接收数字信号。对于短距离电缆，频率特性几乎是平坦的；对于长距离电缆，频率越高衰减量增大。评估电缆所能传输的最大距离为频率750MHz时，电缆衰减量为20dB的长度，大约为110m。最大长度还和输出端信号的幅度、抖动量、接收端的均衡能力有关。为了便于电缆传输，HD-SDI信号还需使用电缆驱动器，由输出端输出。

图2 HD-SDI传输系统框图

图3 光信号发送器方框图

图4 光信号接收器方框图

如果需要传输更长的距离，就要选择衰减更低的高发泡介质同轴电缆。而这类电缆的强度相对较低，在电缆捆扎时需要留意电缆的变形，因为电缆变形会引起误码。即便使用这类低衰减的同轴电缆，也只能进行180米以内的高清数字信号传输，有时还需要使用中继设备对劣化的信号进行恢复。所以在远距离传输时可以使用光传输，因为采用光传输信号损失非常小，在搭建系统时不用考虑因设备布局而对传输距离的影响。还有以下明显的好处。

（1）不需接地环路；

（2）不受电磁干扰；

（3）重量轻、线径小，因此大大减小了线缆铺设占用的空间；

（4）利用波分复用技术，用一条光纤可进行多信道传输。

下面介绍一下HD-SDI信号的光传输装置的构成：

图3与图4是光信号发送与接收器的简单示意图，下面对各个部分进行简单的说明：

1）电缆均衡器

通过同轴电缆传输高频信号的时候，信号与频率平方根成反比进行衰减。所以衰减量根据所用电缆的长度而变化，为了补偿这种衰减量就要用到电缆均衡器。电缆均衡器将电缆中发生的抖动成分直接输出。

2）时钟恢复器

时钟恢复器将输入的HD-SDI信号使用PLL（锁相环路）提取时钟信号进行再生，利用再生的时钟信号对时间再度进行调整，从而使波形得到整形。

此时PLL的带宽决定了低频的抖动成分得以直接输出，而高频的抖动成分由于被抑制，结果是抖动能够被除去。但是这个高频抖动的振幅如果超过0.2UI就会引起闭锁时间错误，结果可能造成数据的误码。

3）激光二极管与激光驱动器

激光二极管的作用是将电信号转换成光信号，通过注入电流就能够容易的进行光的连续发射。另外通过电流的ON/OFF可以实现对光输出ON/OFF的控制。根据这样的特征，将本来是1和0的连续信号的HD-SDI信号借助激光驱动器调制成光的ON/OFF信号。

激光驱动器不只是把电流注入到激光二极管中，还进行APC（自动功率控制）控制，稳定光输出。因为APC反馈时间常数对传输带宽与响应有影响，所以需要具备能够传输SDI信号的特征。

4）光电二极管与转移阻抗放大器

在信号接收一端，把以光的形式传输的HD-SDI信号转换成电信号。作为光接收元件需要使用与信号发送器一端的发光元件（激光二极管）相同光波长与波长感度特性的二极管，根据射入光的水平输出相应的电流。另一方面转移阻抗放大器将从二极管接收的电流转换成电压并进行低阻抗的输出。因为光接收器发生的杂音（热杂音、发射杂音）会使信噪比发生劣化，对光的接收灵敏度造成重大影响，所以要求具备低噪声特性。

通常光电二极管与转移阻抗放大器集成在一个模组里面，根据规格的不同可能有的低频滤波不能满足前述检测过滤信号的带宽要求，而无法传输，这是需要注意的。

5）限制放大器（后级放大器）

对在转移阻抗放大器转换成电压的信号增幅到规定的水平。此增幅的信号要在后段的时钟恢复器进行波形的整形。

6）电缆驱动器

电缆驱动器按照SPMT292的规定对信号的振幅、上升下降时间进行调整，以75欧姆的阻抗输出HD-SDI信号。

以上对高清SDI信号的传输特别是远距离传输进行了简单的介绍。随着视频技术的不断进步与发展，对于信号传输带宽和色彩深度都提出了越来越高的要求。对于我们区县台来说，也不能固步自封，各种设备的更新，也需要设备的使用人员不断地学习和探索各种新兴的知识。

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