我們考察了各種幀頻下的1080p,包括我們知道使用ATSC DTV廣播系統當前無法傳輸的1080p/60(59.94)fps。雖然支持它的設備很少,但對1080p/60作為未來的一種掃描格式的興趣還是非常高,以至于制定了一個適應它的SMPTE接口標準。這是一個高速的世界,挑戰當前技術的極限。
使之工作
我們知道,10比特的1920×1080i/29.97 fps、4:2:2分量視頻產生約1.243Gb/s的數據率。此信號在對1/1.001變體有約1.4835Gb/s的額定數據率的SMPTE 292M HD-SDI內傳輸。1920×1080p/59.94 fps具有與1080i/29.97一樣的水平像素數和垂直行,而幀頻加倍,因此它產生的數據率是1080i/29.97的2倍,或約2.5Gb/s。此424M接口工作頻率是292M接口的2倍。424M接口的接口頻率約2.94GHz。
傳輸1080p/59.94信號的一種方式是并行使用兩個292M接口。424M接口實際上是一種“虛擬的”雙292M接口。10比特視頻數據字首先被安排進兩個并行數據流。兩個虛擬碼流的數據字然后通過時分復用被轉換為一個攜帶一個來自第一數據流的字,接著是一個來自第二數據流的字,周而復始。
同軸和光纖接口都被指定用于424M接口。由于涉及的頻率,某一適用于這種接口的電纜的有效長度約為292M接口的一半。實際長度取決于電纜的質量和尺碼,但為了工作于3Gb/s需要仔細規劃,較小的電纜用于較短的距離,而較大的電纜用于較長的距離,以便使總電纜捆盡量小。最長的距離需要光纖接口,這具有性能和成本的含義。
抖動性能
3Gb/s接口產生抖動性能問題。抖動被定義為一個定時信號的有效瞬間與其理想位置在時間上的差距。它實際上相當于信號的相位調制,因此上升沿和下降沿之間的時間間隔隨時間變化。這意味著上升和下降沿并不始終在我們希望的理想位置。如果我們可以實際看到這些信號并隨時跟蹤它們的活動,我們會發現它們的上升沿和下降沿在時間軸上來回移動。
我們用眼圖觀察抖動,眼圖顯示數據信號的先后順序,數據信號由一個同步時鐘信號或一個分級同步時鐘信號觸發,互相疊加。如下圖所示,隨著相位變化,前沿和后沿在時間軸上來回移動,如同箭頭指示。數據信號健康時,表現為有圓角及有點傾斜的上升和下降沿的方波形式,而整體顯示外觀則有點像眼睛。
眼圖為我們顯示數據信號的許多方面,包括上升和下降時間、過沖、頻率響應等,但我們注意對抖動顯示感興趣。如果無抖動,重疊的上升(和下降)沿會全部整齊地落到彼此的上邊,在顯示器上形成一條細線。因為它們沒有整齊地落在彼此的上邊,上升(或下降)沿邊線在時間軸上水平模糊,令它們在顯示器上描繪的線條變粗。抖動程度越厲害,由邊沿界定的線條越粗。線條越粗,眼圖閉合越多,解碼器決定某一比特是為1還是為0就越來越困難,因此成功解碼信號也越來越困難。
某種程度的抖動的影響取決于信號頻率,因此抖動通常以單位間隔表示。一個單位間隔為一個比特時間或一個比特的持續時間,為頻率的倒數。對于SMPTE 259M SDI,額定接口頻率為270Mb/s(270×106b/s)。一個單位間隔是270Mb/s的倒數,或3.7ns,或為了比較,表示為3700ps。對于SMPTE 292M,HD-SDI接口(1/1.001變體),額定接口頻率為1.4835Gb/s(1.4835×109b/s)。一個單位間隔為此頻率的倒數,即0.67ns或670ps。對于424M接口,額定頻率為2.97Gb/s(2.97×109b/s)。一個單位間隔為此頻率的倒數,即0.34ns或340ps。
抖動分類
抖動有一種以上,抖動分類取決于抖動頻率。對于SMPTE標準,定時抖動有10Hz的下限。10Hz以下頻率的抖動分量稱為漂移,而由于視頻設備一般能跟蹤這些緩慢的變化,SMPTE標準中不提漂移。
校準抖動是頻率高于一個與時鐘恢復過程的典型帶寬有關的頻率閾值的抖動,此閾值取決于接口頻率。對于259M SDI信號,校準抖動的下閾值為1kHz的抖動頻率:在10Hz和1kHz之間頻率的抖動為定時抖動,而在高于1kHz頻率的抖動為校準抖動。
對于292M和424M信號,校準抖動的下閾值為100kHz。對于SMPTE 259M SDI信號,定時和校準抖動的最大規格都是0.2UI,或約740ps。對于SMPTE 292M HD-SDI信號,定時抖動的最大規格為1UI,或約670ps。而校準抖動的最大規格為0.2UI,或約134ps。
對于SMPTE 424M 3Gb/s接口,定時抖動最大規格為2UI,或約680ps,與292M接口的定時抖動有大約相同的絕對時間間隔。而校準抖動的最大規格為0.3UI,或約68ps。全部這些規格的測試信號都是一種彩條信號。這些時間間隔到底有多長?光傳播1mm大約需3.3ps,可供參照。
可以看到,當我們預期工作于3Gb/s接口時,我們進入一種精妙深奧的環境。事事都變得非常臨界且非常昂貴。電纜長度變得如此臨界,以至于需要光纖接口。時鐘信號必須盡量無抖動。電纜連接器和電纜本身必須沒有任何損壞或質量下降。設計和實現3Gb/s系統的所有方面都必須慎之又慎。