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四．數字視頻電纜“兩端”

盡管SDI視頻信號被編碼為數字數據流，在傳輸過程中它與模擬信號有著同類型的失真（如高頻損耗）。典型的SDI 傳輸方案是由均衡器、線纜驅動器、重定時器、交叉開關矩陣等組成，其中均衡器、線纜驅動器是基礎的SDI 傳輸輸入與輸出環節(如圖4）。

圖4 基礎SDI傳輸輸入與輸出環節

SDI信號的高頻成分經過 PCB 走線或者電纜傳輸后相對于信號的低頻成分會被衰減得更多，它會破壞高速信號的信號完整性，使其眼圖關閉并增加信號抖動。均衡器、預加重器、去加重器可補償傳輸線頻率響應的不平坦性。通常預加重器和去加重器用在高速數字信號傳輸的發射端，均衡器用在接收端，但在SDI鏈路中只在接收端采用均衡器，且一般是自適應均衡器，而在發射端不采用預加重或去加重，因為SDI設備間可能通過用戶定義的任意長度的同軸電纜來連接，任意一個固定的均衡或者預/去加重值都無法靈活地滿足各種電纜長度，且業內還沒有自適應的預加重器和去加重器。另外，SDI設備必須即插即用，不允許在應用現場手動設置合適的均衡值來得到最佳的電纜傳輸特性。因此只有自適應均衡器是理想方案，自適應均衡器可以自動檢測信號質量而相應的設置最佳的均衡值而得到最佳的傳輸通道頻率響應。電纜自適應均衡器能夠補償因信號沿電纜長度的幅度衰減和頻響變差而造成的信號損耗和相移。

SD線纜驅動器用來加強對線纜的驅動能力，提供標準的800mV峰峰值輸出電壓，沒有預加重和去加重功能。 SDI重定時器是用來自動檢測輸入信號類型，調整自身的PLL和CDR電路而恢復和整形出低抖動的時鐘，再重新定時發送出接收到的SDI信號，以降低SDI信號的抖動。雖然均衡器也可以降低SDI信號的抖動，但它和重定時器是兩種完全不同的器件，兩者不可相互替代。均衡器的作用是通過增加高頻增益使傳輸通道頻率響應趨于平坦來改善眼圖和信號抖動，而重定時器則是通過PLL和CDR來抑制和降低累加噪聲。如果SDI傳輸通道很長或者傳輸過程中被其他噪聲和干擾惡化，僅有均衡器還不足以改善信號的質量，此時在均衡器輸出端再串接一個重定時器是一個理想的提高SDI信號質量的方案。

1.均衡電路

均衡器可補償因電纜長度造成的信號損耗，并可重建信號幅度。均衡量一般可在電纜長度0—400m范圍自動調整。在135MHz補償量達到30dB（270Mb/s）。在實際中，均衡量大多都以能夠均衡多少米電纜（要標定電纜型號和適用標準）為準。

通常標定電纜為BELDEN 1694A。同等條件下，長度越大均衡性能越好。例如：某切換開關，輸入特性標明的是：可均衡100m 的BELDEN 1694A（在1.5Gb/s條件下）的電纜衰耗 ；而另一型號的切換開關標注的是可均衡120m的BELDEN 1694A（在1.5Gb/s條件下）的電纜衰耗。

圖6 均衡頻響圖

以Gennum的GS9024均衡器為例，功能框圖如圖5所示、均衡頻響圖如圖6所示。其均衡量可在電纜長度0—400m范圍自動調整，在200MHz高達40dB。

GS9024的主要特點如下：

· 遵從SMPTE259M標準協議，可對270Mb//s的信號進行自動電纜均衡；

圖 7功能框圖

· 可均衡400m Belden 1694高質同軸電纜，具有電纜長度指示功能；

GS12341是一種多速率重鎖電纜均衡器，支持速率高達12G-SDI。該設備支持12G-SDI、6G-SDI、3G-SDI、 HD-SDI和SD-SDI信號。除了標準的SMPTE速率，該設備還支持重新定時DVB-ASI的270Mb/s和125Mb/s的MADI(功能框圖如圖7所示)。因為SDI經過cable長距離傳輸后,造成訊號衰減或反射所導致數位串列訊號的眼圖無法張開,GS12241有Adaptive Cable EQ功能可以補償訊號,讓眼圖能夠打開。在經過Re-clocker后,重新對訊號做取樣以將Jitter經過濾除,Re-clocker后會同時輸出到兩個Trace Driver。

–    EQ模式電纜傳輸距離（Belden 1694A）：
–    11.88Gb/s 時為80m
–    2.97Gb/s  時為190m
–    1.485Gb/s 時為260m

2.線纜驅動器

SDI線纜驅動器用來加強對線纜的驅動能力，提供符合SDI系列標準的800mV峰峰值輸出電壓擺幅，沒有預加重和去加重功能。串行信號的測量主要采用定性測量的眼圖分析方法。眼圖是示波器上累積的一系列數字信號的圖形，如圖8。從眼圖中可以觀察到碼間串擾和噪聲的影響，反映數字信號的整體特征，并可直接觀察眼圖的形狀來判斷信號的質量。

圖 8眼圖

表5 對HD信號的線路驅動器特性有詳細描述和規定

在GY/T 157-2000《演播室高清晰度電視數字視頻信號接口》對HD信號的線路驅動器特性有詳細描述和規定。如表5所示:

注
1 在信號的半幅度點測量。
2 在75Ω負載電阻上，通過1米長同軸電纜測量信號幅度。 3 在頻率范圍5MHz-742.5MHz。
4 在頻率范圍742.5MHz-1.485GHz。
5 此參數是在75Ω負載電阻上，測量20%-80%幅度點之值，上升沿和下降沿的過沖必須小于標稱幅度的10%。
6 1UI=673ps，0.2UI=135ps。

在ITU-R  BT.2077-2建議書中對6G、12G、24GSDI的線路驅動器特性有詳細描述和規定。這些規定用于測量源自并行域信號的一個信號源的串行輸出。發生器的輸出應通過一個75歐姆電阻負載進行測量，該負載通過一米同軸電纜和75歐姆BNC連接器連接，滿足相應規定的要求。圖8描述了振幅、上升時間和過沖的測量尺寸。發生器應具有不平衡輸出電路，源阻抗為75歐姆，并應符合相應的回波損耗要求。

峰值對峰值信號幅度應為800mV±10％。由信號的中間振幅點定義的直流偏移應標稱為0.0V±0.5V。

對6G接口，在20％振幅點和80％振幅點之間確定的上升時間和下降時間應不大于80ps，且相差不應超過30ps。

對12G接口，在20％振幅點和80％振幅點之間確定的上升時間和下降時間應不大于45ps，且相差不應超過18ps。

對24G接口，在20％振幅點和80％振幅點之間確定的上升時間和下降時間應不大于28ps，且相差不應超過8ps。

表6 抖動規范

波形的上升和下降邊沿的過沖不應超過10%幅度。

由于信號在水平行存在大的直流分量（病理應激信號）引起的輸出幅度偏擺，不應超出平均峰值對峰值信號包絡之上或之下50mV。

SDI信號傳輸時需特別關注抖動這一問題。周期信號波形的時序偏差稱為抖動。對于SDI等串行數據信號，由于參考時鐘信號的偏差、同軸電纜或設備之間的連接引起的反射、直流和高頻分量的損耗、設備本身或外部噪聲的影響，會產生抖動。在最壞的情況下，這種抖動會導致時鐘數據恢復出現錯誤，導致SDI信號出現噪聲或信號傳輸失敗。在符合ITU-R  BT.2077-2建議書第3部分的情況下，數據信號轉換定時的抖動應具有表6中所示的值。1 UI對應于1/fc。抖動規范和抖動測量方法應遵從ITU-R BT.1363建議書—符合ITU-R BT.656、ITU-R BT.799和ITU-R BT.1120建議書的位串行信號的抖動規范和抖動測量方法。

五．12G-SDI等信號傳輸實驗  

工程師們通常使用眼圖來分析串行數字信號，從中可以發現信號傳輸中的各種問題。超高清、高清波形監視器中的眼圖測試功能可分析串行數據信號并檢查傳輸系統中的故障。眼圖是傳送數據的模擬信號的示波器顯示。為形成眼圖，要利用參考時鐘信號將儀器調整到等效的時間取樣段。參考時鐘是波形監視器從數據信號中提取的。測量儀器以相等的時間間隔對數據流取樣，當這種取樣段的數量足夠多時，它們疊加在一起就形成了眼圖圖形。利用眼圖顯示可測量的基本參數有：信號幅度、過沖、上升時間和下落時間。

表7 L-3.3UCHD、L-5.5UCHD線纜的推薦衰減特性(dB/100m)

北京廣播電視臺的技術人員對部分4K電纜進行了12G-SDI信號傳輸初步測試。測試選用L-3.3UCHD、 L-5.5UCHD兩款電纜進行了12G-S DI信號（SMP TE 2082）的傳輸實驗。主要試驗設備為波形監視器(帶12G-SD信號發生模塊) Leader LV5490、SONY超高清監視器、ROSS SRA-8901-10超高清數字視分。采用12G-SDI信號點對點測試的方法，在線纜一端使用Leader LV5490輸出12Gb/s-S DI標準超高清測試信號，另外一端連接ROSS SRA-8901-10超高清數字視分輸入。使用LEADER LV5490測試儀器連接ROSS SRA-8901-10超高清數字視分輸出進行測試，對常用參數進行讀取，如圖9所示。參數為幅度、定時/校正抖動、上升/下降時間。最長可用電纜長度測試按照整卷200M進行測試，然后逐步縮短測試線纜進行測試，并且對廠商推薦的最長可用長度進行重點測試。 L-3.3UCHD、L-5.5UCHD線纜的推薦衰減特(dB/100m)如表7。

圖9 測試框圖

根據初步測試（表8），ROSS SRA-8901-10超高清數字視分板卡在使用L-5.5UCHD電纜的情況下，可均衡傳輸 12G-SDI信號的距離為92米。對于不同精度的超高清數字視分板卡，傳輸距離會超出或者低于這一距離。在傳輸信號時，可適當留些衰減余量，如2-3dB。

表8 L-5.5UCHD線纜測試參數

六.實際應用中需關注的事項

為確保工程的安裝質量，對于12G SDI 信號這樣有著很高的數據傳輸速率的數字信號而言，要認真注意數字視頻同軸電纜的工程安裝工藝。在安裝電纜的過程中，應避免不正確地打褶、扭曲、彎曲電纜或者對電纜施加不適當的應力，這樣才能使信號沿著電纜順利地傳輸。在安裝期間，為了確保每一鏈路的傳輸性能以及確保每一設備均符合其技術規范，必須進行簡單的測試和測量，最好的方式當然是使用一款帶有眼圖和抖動測量功能的波形監視器。

安裝數字電纜時一定要格外小心。不恰當的操作、拖拉和安裝技術都可能導致電纜變形，進而引起回波損耗問題。如線纜敷設密度過大，線纜在管線內、特別是彎角部位相互擠壓，造成線纜變形從而造成線纜的傳輸性能特別是回波損耗性能下降。一般填充率在30%左右、線槽填充率50%左右。

在鏈路設計與實施時，工程師需重視BNC 連接器、跳線盤、BNC端子板的性能與品質，特別是針對12G SDI信號的傳輸。12G SDI信號的傳輸時，每個優質BNC 連接器的衰減量約為0.1dB，每個優質跳線盤的衰減量約為2dB。針對12G SDI信號的傳輸,需要更加注意SDI接頭(連接器）。

圖10  BNC、MicroBNC

目前，12G-SDI接頭(連接器）主要有兩種：BNC、 MicroBNC（見圖10）。BNC的相關國際標準包括：國際電工委員會標準IEC 61169-8,日本工業標準JIS C 5412等。MicroBNC還沒有統一的國際標準。隨著芯片技術的不斷發展，4K SDI基帶信號傳輸距

離也在不斷提高。百通近期推出基于4K信號傳輸解決方案的全新同軸纜——4794R，采用高密度氮氣發泡絕緣材料，和自主研發的鍍銀導體，成功使得衰減性能提高，在12GHz帶寬下傳輸距離達到98米，同時亦保證了回損符合標準，與SMPTE標準相比還擁有8-11dB的冗余性能（如圖11所示）。4794R使用專利Bonded Foil技術制作三層屏蔽，達到目前為止最高的屏蔽效率。其外護套外徑僅有8.13mm，展現了在單根同軸電纜上實現了4K信號傳輸距離的最大化，同時降低了重量和空間占用。

圖11 4794R冗余性能

七.8K SDI傳輸

2021年除夕，中央廣播電視總臺對央視春晚進行直播，全球首次將8K超高清電視信號傳送到北京、上海、深圳、成都、杭州、青島等9個城市的30多個超高清大屏及8K電視機。2022年1月24日CCTV-8K超高清頻道正式開播，“百城千屏”公共大屏項目同時啟動。北京冬奧會期間，首次采用8K視頻技術直播開幕式和重要的體育賽事轉播。2021年12月31日，全國首個向廣大觀眾提供 8K 服務的頻道——北京廣播電視臺冬奧紀實8k超高清試驗頻道正式開播。

8K HDR信號的視頻信號格式為 7680×4320/50p,HL G/1000nit,10bit, BT.2020 色域。目前，未壓縮的8K基帶信號傳輸主要有如下兩種方式：

A.傳輸數據量巨大的8K非壓縮信號(48G)，采用4 x 12G SDI方式來傳輸。

B.按照SMPTE-2110-20標準，采用4個12Gb/s的視頻IP組播信號流方式實現8K超高清信號傳輸。

1.4*12G模式

早期8K攝像機拍攝輸出的8K信號有通過CCU輸出16個3G-SDI信號的做法。目前，處理未壓縮的8K視頻數據的主要方法是將其分成4個12G SDI信號，原因是8K視頻帶寬遠遠超出了一根電纜上的傳輸能力。優質的12G SDI電纜可有效傳輸約100米距離，因此處理未壓縮的8K基帶信號可有效傳輸約100米?；究梢詽M足機房內的8K設備之間的信號傳輸。

正如前幾年廠家的4K超高清處理設備采用4x3G方式， 4x12G方式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。

2.JPEG XS與SDI技術結合模式

JPEG XS標準于2019年9月在IBC 2019上正式確定。JPEG XS核心編碼系統采用離散小波變換(DWT)，然后對4個連續系數組的幅值水平進行熵編碼，實際系數值采用原始編碼。JPEG XS通常提供10:1的壓縮，但延遲非常低（~1毫秒，而JPEG2000為~60毫秒）。JPEG XS是8K信號高效傳輸的可靠保證。

目前JPEG XS標準的主要專利持有者是 Fraunhofer （德國）和IntoPix（比利時）兩家公司。在JPEG-XS 官網上給出了三種標準的專利授權模式，分別為：

模式1：按編解碼實例/設備授權。價格為每路4K/5美元，8K/9美元。模式2：按時間訂閱付費。價格為每年每路4K/2.5美元，8K/4.5美元。

模式3：按使用時長付費。價格為每小時每路4K/8美分，8K/32美分。

附加條款：當前價格固定到2025年，每5年增加不超過20%。單個公司基于研究測試使用有免授額，總價100美元以下免費授權，超過100美元則需要繳 納專利授權費用。

如圖12所示，將12G SDI或者6G SDI技術與JPEG XS技術相結合，實現高效、高質量的8K超高清電視基帶信號的傳輸。

圖12 超高清傳輸方案

八．結語

隨著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越來越多認可。 隨著電纜制造工藝、芯片技術的不斷發展，12G SDI傳輸距離也在提高。12G SDI工作流程像HD SDI一樣簡單，提供一個非常強大和靈活的基礎設施，12G SDI完全支持當前4K乃至未來的流程(SMPTE 24G SDI標準)。同時，SDI傳輸與IP傳輸可充分發揮各自的優勢而形成互補模式，構建SDI/IP解決方案，更好地服務于超高清等各類清晰度的視頻制播系統。

筆者將對《數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》標準進行修訂，增加支持用于傳輸4K超高清電視信號的12G-SDI、6G-SDI、3G-SDI數字視頻電纜的技術要求和測量方法等內容，同時探索8K超高清電視信號的可靠傳輸解決方案。以期為相關產品的研發、生產和應用提供統一的規范，填補了國內相關領域的空白，進一步在融媒制播網絡、廣播電視中心建設等中發揮重要的指導作用。B&P

（全文完）

參考文獻

[1] 《數字視頻測量應用技術》 陳善栘 主編

[2] GY/T 224-2007《數字視頻、數字音頻電纜技術要求和測量方法》

[3]ITU-R BT.2077-2建議書 《UHDTV信號的實時串行數字接口》