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数字视频信号的长线传输
摘要：在实时显示彩色数字视频信号时，通常要求数据传输通道具有很高的带宽和有效的传输距离。因此在设计和构建这些高速率的数据传输通道的，不但要选择合理的传输形式，而且要对数据的编码、解码、并串转换、驱动、接口等电路进行认真的研究，以达到最佳的配合。介绍的串行传输技术是最近的设计成果，可以广泛地应用于海量数据的有线传输。关键词：差分接口 并转串/串转并 PLL LVDS-PECL
大屏幕平板显示系统，如LED大屏幕显示系统，广泛地应用于信息发布领域和公用事业。2008年将在北京举办的奥运会，更加推出了这一产业的发展。
大屏幕平板显示系统是典型的数字系统，要求动态、实时、清晰稳定地显示图像信息。与通信系统相比，这种系统更关心实时地把图像数据正确地传输到显示器，将错误的信号忽略掉，所以不要求强大的纠错检错能力和错码重发功能。通常为降低成本、减小时间延迟不宜采用压缩解压缩的方法进行传输。因此这样的传输系统应具有实时、单向传输的特点，要求建立稳定的传输通道。
系统的信号来源一般是计算机显示卡或数字电视信号。以显示卡为例，如果输出640×480、24bit/pixel、60帧/s标准真彩VGA图像时，其输出点时钟达25.175MHz/s，数据位宽为27bit/pixel（考虑Vs、Hs、de）。这样的海量数据，采用并行传输时，将使传输系统十分笨重，需要大量电缆；而采用串行传输时，将使传输系统简化，必要时可以采用几条高速串行通道来实现。
为构建稳定的串行传输系统，需要对信号进行一些特殊的处理，常用的电路模块有：数据的并串转换（serialize/deserialize）、4B/5B（8B/10B）转换、加解扰（scramble/descramble）、电平转换和驱动、接收端的均衡放大（equlize）、PLL、接收端错码检测等。此外，在工程中还要对码速率、传输速率、传输介质进行合理的选择，以满足不同需要。
图1 传输系统基本组成
1 长线传输的基本框图
图1概括了构成数字视频信号长线传输系统的基本组成。按点时钟（PCLK）输入的并行数据，经过编码、并转串、加扰以差分信号的形式输出。其中编码实现4B/5B、8B/10B等编码转换，消除弱码，有助于直流平衡。加扰（scramble）使能量谱均匀分布，避免在某一频段出现能量峰值，减少铜介质传输的电磁辐射。并转串把并行码字转化为高速串行码流。直流平衡就是在编码过程中保证信道中直流偏移为0，电平转化实现不同逻辑接口间的匹配。驱动则对传输信号的能量进行放大，并根据物理介质的要求进行码型调整。均衡是对信道损失进行补偿并滤除噪声。
可以采用不同的传输介质进行传输，铜介质（同轴，双绞线），光介质（单模，多模光纤）。在采用光传输时，图1中加解扰模块可以略去不用。有效传输距离与码速率、介质、接口、环境有关，所以应按照不同电缆、不同速率、不同长度时的衰耗以及端口的门限估算传输距离。
建立一个稳定的传输系统，一般具有如下的要求：
（1）合理的系统方案设计、选择；
（2）发射端、接收端建立稳定的PLL同步链路；
（3）不同高速逻辑电平的相互配合；
（4）正确的传输方式和耦合方式；
（5）合理的PCB设计。
2 选择合理的方案
根据显示系统的不同要求，选择合理的技术措施，是构成传输系统的关键。
（1）确定数据传输宏观参数
根据系统传输的总的码速率以及传输长度的要求，来确定并行或串行传输通道数量。如果采用串行通道，确定每个通道的码速率和有效传输距离。传输通道的传输距离与介质、码速率、接口电平门限有关，可参阅有关表格。下面给出一个估算公式：
S≤[10lg(Po/Pi)]/Ap(光传输)
S≤[G 20lg(Uot/Uit)]/Au（铜介质）
S：传输距离（m）
G:接收端增益（dB）
Au:在设计传输率时，每米电缆的电压衰耗（dB）
Ap：每公里的功率衰耗
Uot、Uit：分别为差分输出端，与输入端的电压门限
Po、Pi：光收发器发射、接收的光功率门限
（2）确定传输通道的工作方式。可以采用单工、双工、开环、闭环等，它决定了收发两端的链接形式，对系统的稳定性起着重要作用。
（3）数据重组。根据传输通道的特点和数量，把数字视频信号重新组合为适合传输系统芯片所需的格式。它是一个数据重组过程，通常需要ASIC或FPGA来实现。
（4）每个数据通道的传输率和接口要求，确定传输介质。通常采用的传输介质包括多模、单模光纤、同轴电缆、双绞线。
（5）根据通道的传输速率，选择最佳的收发芯片和接口电路构成系统。
图3 在数据中加入同步码字的基本方法
3 可靠的PLL同步环路的建立
传输系统中，每个通道中高速串行数据都包含有同步信息。在接收端，本地时钟要与输入端帧时钟同步，才有可能正确恢复数据。系统初始时，发送端发出的一串特殊同步码字（Sync pattern），保证在每一串行码字中存在固定、唯一的跳变沿，使接收端的PLL锁定。在锁定建立后，发送端可以传输数据，接收端则提取编码数据的同步信息维持接收端的锁定。当发送端无数据传输时，可以插入空闲帧（具有维持锁定的跳变沿），维持锁定。
在数据视频信号传输中，可以采用双工回路（图2）。由于数字视频传输的特点，其双工通路不同于通信，它的两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
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