【摘要】 隨著廣播電視技術的不斷革新與發展，電視節目內容也正在經歷從標清到高清再到超高清的迭代推進。隨著從上游超高清節目制作以及下游超高清電視在用戶端的普及，超高清電視的“生態環境”與標準體系已趨于完善。本文主要闡述超高清數字12G-SDI視頻信號傳播中的衰減常數、回波損耗等重要參數及其測量方法，同時對均衡電路和線纜驅動器等功能器件的工作原理進行了闡述。本文還闡述了部分12G-SDI信號傳輸測試情況，最后本文對數字電纜未來的發展方向，以及相關的8K超高清數字電視信號傳輸進行了展望。
【關鍵詞】超高清視頻 SDI 數字視頻電纜 回波損耗 衰減常數 均衡電路 JPEG-XS
2015年10月國際電信聯盟無線電通信部門(ITU-R)頒布了面向新一代超高清UHD(Ultra-high definition)視頻制播的BT.2020標準（Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange，超高清電視系統節目制的參數數值），重新定義了電視廣播與消費電子領域關于超高清視頻顯示的各項參數指標，促進4K超高清顯示設備進一步走向規范化。
全球范圍之內的電視制播現在已經全面邁向4K超高清電視時代。中央廣播電視總臺2018年開播了4K頻道，北京廣播電視臺、廣東廣播電視也陸續正式開播了4K播出頻道，陸續在4K超高清電視頻道的制作、播出、傳輸等領域進行大量技術業務探索與實踐。亞洲其它國家和歐美等地的主流電視臺也已全面開播4K頻道。2022北京冬奧會前，中央廣播電視總臺和北京廣播電視臺分別開播了8K超高清頻道。
原《GY/T 224-2007數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》標準工作組主要成員近年也在對4K超高清電視信號的12G-SDI數字視頻傳輸等進行技術跟蹤與研究。計劃在《GY/T 224-2007 數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》標準內增加支持用于傳輸4K超高清電視信號的12G-SDI(SMPTE ST-2082)、6G-SDI(SMPTE ST-2081)數字視頻電纜的技術要求和測量方法等內容。進一步規范超高清電視(UHDTV)等數字視頻電纜的技術參數，規定相關技術要求和測量方法，以適用于超高清電視等數字視頻電纜的生產、使用和運行維護。同時探索8K超高清電視基帶信號的可靠傳輸解決方案。
一．SDI標準規范的發展歷程
SDI（Serial Digital Interface 串行數字接口）是一種數字視頻接口，于1989年由SMPTE（Society of Motion Picture and Television Engineers電影和電視工程師協會）首次標準化發布。串行數字接口系列由8個標準組成，從最初的SD-SDI到最新的12G-SDI標準。其中SD-SDI(SMPTE 259M)、HD-SDI(SMPTE 292M)、 3G-SDI(SMPTE 424M)、12G-SDI(SMPTE ST-2082)標準是我們經常使用的SDI標準。270Mbit/s的SD-SDI是該標準的第一個版本。12G-SDI(SMPTE 2082)標準于2015年與6G-SDI標準同時推出,于2018年進行了修訂。由于標準中允許更高的比特率，12G-SDI支持單個鏈路的4K 60P視頻信號。
前幾年的4K超高清信號基帶傳輸采用4x3G-SDI模式，其主要缺點為線纜太多、設備太多，需要更多的空間且部署成本高昂。同時4根線傳輸信號，長期運行會遇到同步漂移等的問題。如果作為正式安全播出頻道，一定會成為一個負擔。4 x 3G系統先進性不高，沒有技術上的創新，系統也過于復雜，尤其在總控環節基本不可接受。
12G SDI技術在演播室、轉播車等現場制作環節，尤其是在輕量化4K現場制作場景中發展很快。12G SDI信號架構可完全回到了目前大家熟悉的單線SDI同軸模式。SDI信號的傳輸不經過壓縮環節，沒有處理時延；不經過IP網絡，不受網絡時延等問題的影響。12G SDI的成熟產品已經有大量供貨，包括切換開關、切換臺、畫面分割器，矩陣也可以到144x144以上規模。
隨著4K超高清電視制播系統的不斷發展，12G-SDI作為一種使用簡單、連接方便的傳輸方式得到了越來越多認可。布線和安裝方式，與目前廣泛使用的HD-SDI線纜相同，可以遵循和延續已經習慣的布線與安裝方式。信號連接數量減少4倍，電纜連接和布線系統設計大為簡化。由于消除了布線的復雜性，線纜的總重量減輕，信號連接可能出現的故障點也減少了。目前傳輸數據量巨大的8K非壓縮信號(48G)，可采用4 x 12G SDI電纜方式來傳輸。
二．數字視頻電纜的結構、技術指標
1.數字視頻電纜的結構
數字視頻電纜是指傳輸系列SDI串行數字視頻信號的實芯銅導體同軸電纜，其結構如圖1所示：
圖1 數字視頻同軸電纜的結構
中心內導體主要為實心裸銅線。采用實心導體具有更穩定的特性阻抗和回波損耗。信號傳輸包括沿著導體中心進行的低頻傳輸和由于集膚效應而沿導體外表面進行的高頻傳輸。之所以用銅做導線是由于銅有很強的導電性。它同時具有良好的物理特性,如強度、柔性和抗撓壽命等。絕緣(介電材料)由實心或高密度發泡聚乙烯制成。絕緣是將電纜中的內、外導體從物理和電氣角度進行隔離。獨特設計的發泡聚乙烯增強了耐沖擊性能，可以防止導體移動。沖擊和導體移動都會引起特性阻抗的改變，從而造成回波損耗的增加。外導體有雙重作用，它既作為傳輸回路的一根導線，又具有電磁場屏蔽作用。電纜屏蔽層的功用就像一個法拉第護罩。數字視頻電纜采用雙層網狀屏蔽（箔層加網狀的屏蔽設計）。網狀屏蔽對于低于10MHz的頻率非常理想，而箔層屏蔽在高于此頻率的情況下效果好。絕緣護套是電纜線最外面的保護層。
2.數字視頻電纜的技術指標
GY/T 224-2007《數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》對數字視頻同軸電纜的規格進行了劃分，分為RG11、RG6、RG59、MiniRG59、RG179等。其中應用廣泛的RG6數字視頻同軸電纜的技術指標要求如表１所示。
針對4K超高清電視信號的12G-S DI、6G-S DI、 3G-SDI數字視頻傳輸，在衰減常數中將增加6GHz、3GHz的要求；在回波損耗中將增加到12GHz的要求。
在GY/T 224-2007《數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》附錄中列出了數字視頻傳輸參考距離。
表2中的數值是在1/2時鐘頻率下信號衰減不超過下面所列數值的情況下得出的距離：
● 衰減=30dB(270Mb/s）；● 衰減=20dB(1.485Gb/s）。
不同精度接收設備的實際傳輸距離會有所不同。對于高精度的接收設備，實際傳輸距離可能遠遠超出表2中所列距離，應以接收時不發生誤碼為準。
針對4K超高清電視信號的12G-S DI、6G-S DI、 3G-SDI數字視頻傳輸，將增加相應的傳輸參考距離。
三．有關數字視頻電纜的重要參數指標
對于數字視頻電纜的測量，重點要關注的是回波損耗、特性阻抗、衰減常數等，特別是回波損耗。電纜的回波損耗與電纜的損耗、衰耗有著不同的含義，易被混淆和誤解。
1.回波損耗
（1）定義
“回波損耗”（Return Loss）又稱“反射損耗”，是衡量設備間阻抗匹配程度的一項重要指標。當通道兩端設備阻抗匹配良好時，反射波能量很小，或者說對反射波的能量損耗很大。在終端匹配的情況下，都能得到最大的能量傳輸；否則，必有部分能量以反射波形式出現。為了衡量因不匹配造成的反射波對傳輸信號的影響，可用反射損耗ρ來描述，即：
ρ=20㏒ A1/A2 dB
式中，ρ為反射損耗；A1為入射信號幅度的峰峰值；A2為反射信號幅度的峰峰值。反射損耗為以分貝為單位表示的輸入電壓與反射電壓之比。此外，駐波比是反射系數的函數，反射系數描述了從系統末端反射的功率，也是回波損耗的另一種表示。
在頻域中，任一頻率f處的阻抗Z(f)，相對于特性阻抗Z0的反射損耗
ρ=20㏒10 | (Z0 + Z(f))/(Z0 - Z(f))|dB
電視設備或視頻通道作為一個單元，在相互連接的輸入、輸出點上對地不平衡阻抗的標稱值應為75Ω。此時
ρ= 20㏒10 | (75 + Z(f)）/（75 - Z(f)）|
當終接Z(f)=75(即匹配)時，ρ=∞；當終接Z(f)= 0(即
短路)或Z(f)=∞(即開路)時產生全反射，ρ=0dB。
由此可見，回波損耗(反射損耗)絕對值越大越好。回波損耗的值在0dB到無窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。
現實中，由于端口間阻抗的不匹配，任何輸入輸出信號都會被輸入或者輸出端反射一部分，反射波會與正向波疊加而惡化正向波形，因此必須設計好整個鏈路的阻抗匹配以降低反射，在12G SDI高速信號傳輸時尤為重要。為保證傳輸鏈路可靠性，優質的數字視頻電纜在工作頻率要有回波損耗的余量，來彌補連接器、線纜、轉換設備、接插板，以及線纜安裝或鋪設方法不正確等導致的回波損耗指標的劣化。
（2）回波損耗的指標要求
從電纜的各項質量參數來看，回波損耗的高低是最能反映電纜整體質量的。對“反射能量”損耗的大小，數值越大說明匹配越好。回波損耗是由電纜或相關連接部件(如BNC連接器)的結構阻抗變化引起的信號衰減。這些變化導致信號的某些部分反射(返回)到源。在較低的頻率，回波損耗是一個小的影響;在超過50兆赫的頻率下，可以對信號性能和傳輸距離產生重大影響。對于高帶寬(如超高清)的信號和由此產生的高頻率，它可能是一個關鍵因素。
4K和8K信號具有較高的數據速率和時鐘頻率，電纜、 BNC連接器的阻抗偏差都對回波損耗的較明顯影響。在視頻信號傳輸時，因為不良電纜、不良連接器或不正確的安裝方式都會使線纜產生變形，引起回波損耗問題的發生。
模擬系統（6MHz帶寬）情況下的回波損耗一般要大于34dB。
在270Mb/s SDI情況下，SMTPE 259M中規定:回波損耗要大于15dB（5MHz—270MHz）。
在1.5Gb/s SDI情況下，SMTPE 292M中規定:在5MH z—742.5M Hz區間，回波損耗要大于15dB；在742.5MHz—1.485GHz區間，回波損耗要大于10dB。
在3Gb/s SDI情況下，SMT P E 424M中規定:在5MH z—1.485GHz區間，回波損耗要大于15d B；在1.485GHz—2.97GHz區間，回波損耗要大于10dB。
在6Gb/s SDI情況下，SMPTE ST 2081-1中規定:
在5MHz—1.485GHz區間，回波損耗要大于15dB；
在1.485GHz—3GHz區間，回波損耗要大于10dB；
在3GHz—6GHz區間，回波損耗要大于7dB。
在12Gb/s SDI情況下，SMPTE ST 2082-1中規定:
在5MHz—1.485GHz區間，回波損耗要大于15dB；
圖2 回波損耗（12G）
在1.485GHz—3GHz區間，回波損耗要大于10dB；
在3GHz—6GHz區間，回波損耗要大于7dB；
在6GHz—12GHz區間，回波損耗要大于4dB。
SMPTE ST 2082-1標準中要求發生器和接收器電路應按照表3中所列舉的參數與符合圖2圖形的回波損耗。
在24 Gb/s SDI情況下，SMPTE規定:
在5MHz—1.485GHz區間，回波損耗要大于15dB；
在1.485GHz—3GHz區間，回波損耗要大于10dB；
在3GHz—6GHz區間，回波損耗要大于7dB；
在6GHz—12GHz區間，回波損耗要大于4dB;
在12GHz—24GHz區間，回波損耗要大于2dB。
圖3 回波損耗（24G）
24G SDI接口要求發生器和接收器電路應按照表3中所列舉的參數與符合圖3圖形的回波損耗。
（3）回波損耗的指標測量
測量數字視電纜的回波損耗、特性阻抗等指標可使用網絡分析儀來測量。回波損耗的測量步驟如下：
a.設置網絡分析儀的相應參數，對網絡分析儀進行校準；
b.將被測電纜的一端連接至網絡分析儀上，另外一端接75Ω標準匹配電阻；
c.在網絡分析儀上選取所需頻率范圍5MHz至850MHz及850MHz至2250MHz，記錄在該兩個頻率范圍內產生最大反射的值，取絕對值作為回波損耗的測量結果。
2.衰減常數
同軸電纜的衰減特性用衰減常數來表示，即：單位長度（如100m）電纜對信號衰減的分貝數。信號頻率越高衰減越大，衰減常數越大,反之亦然。
在GY/T 224-2007《數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》標準中衰減常數根據不同的電纜規格以及I類和II類劃分。其中135MHz和750MHz對于數字視頻電纜是關鍵頻點。如：RG11的I類在135MHz的100米衰減要小于等于5.3dB，在750MHz的100米衰減要小于等于12.5dB。
測量衰減常數這一關鍵指標可使用網絡分析儀來測量。回波損耗的測量步驟如下：設置網絡分析儀的相應參數，對網絡分析儀進行校準；在被測電纜上隨機截取100m測量樣品，連接至網絡分析儀上；用頻標選擇頻率，記錄各頻率下100m電纜衰減常數的數值。
系列SDI標準中，分別提出在半時鐘頻率下接收器的輸入電纜損耗的典型值(設計用于更大或更小信號衰減的接收器是可以接受的)。各標準的典型值如下：
● 衰減=30dB （270Mb/s SMPTE ST 259）
● 衰減=20dB （1.485Gb/s SMPTE ST 292）
● 衰減=20dB （3Gb/s SMPTE ST 424）;衰減=40dB（3Gb/s SMPTE ST 425）
● 衰減=40dB （6GGb/s SMPTE ST 2081）
● 衰減=40dB （12Gb/s SMPTE ST 2082）
表4 串行數字視頻信號通過百通數字視頻同軸電纜的傳輸參考距離
不同精度接收設備的實際傳輸距離會有所不同。對于高精度的接收設備，實際傳輸距離可能遠超出表4中所列距離，應以接收時不發生誤碼為準。B&P