SDI的传输技术, 从原本传输480i/60f的SD-SDI, 一直进步到现在, 使用相同的75 Ohm同轴电缆, 最高能传输4K/60f 4:2:2即时非压缩影音的12G UHD-SDI, 搭配Belden 1694A的同轴电缆, 可以传输80M的距离, 保持着SDI传输技术能传输长距离的特性.
此方案为使用Semtech在12G UHD-SDI应用所推出的GS12241 12G UHD-SDI Re-clocker Equalizer及GS12281 12G UHD-SDI Re-clocker Cable Driver所搭配出的方案, 使用GS12241及GS12281, 其实可以简单的变化出12G UHD-SDI repeater, 2通道12G UHD-SDI分配器及4通道12G UHD-SDI分配器, 今天要提供的方案就是将GS12241及GS12281功能最大化的4通道12G UHD-SDI分配器.
什么是SDI分配器呢? 因为通常SDI的讯号来源只会有一个输出, 但有几个不同的SDI TV或SDI monitor会需要同时查看这一个讯号源时, 就会需要SDI分配器, 举个例子, 在演唱会时, 总会有几个电视墙或大型看板需要同时显示歌手的表演, 因为演唱会的场地太大, 坐在比较远的位置看舞台根本就像在看蚂蚁一样, 所以就会需要大型电视墙来显示, 但如果电视墙的画面跟实际歌手的动作有明显的延迟, 跟现场声音就会对不起来, 这样看起来也很不舒服吧, 所以能传输高画质即时非压缩的SDI界面就很适合这样的应用, 利用12G UHD-SDI分配器便能让画面以低延迟的方式, 让不同的几个电视墙或大型看板同时显示.
Equalizer, Re-clocker(Re-timer)及Cable Driver在SDI 应用里, 其实占了很大的比例, 因为这些功能都是让SDI讯号传输距离可以拉远的功臣, 因为SDI是高速串列的数位讯号, 采用NRZI的编码方式, 所以在传输讯号时只有0跟1的变化, 但因为经过长距离的传输过后, 高频的讯号会因为距离而比低频讯号更快衰减, 同时也会受到反射的干扰, 造成原本的高速串列数位讯号变差, 可以参考下图最左边的示意图, EQ(Equalizer)的主要功能, 就是将这杂乱的讯号, 还原成能判断为0或1的数位讯号, 也就是把眼图给打开来, 如下图左二的示意图, 但这个讯号能正确判断为0或1的区域很窄, 取样点只要有一些偏差, 就会取错值, 而在能正确判断为0或1的区域之外的部分, 就是所谓的jitter抖动, 为了将这些jitter抖动滤除, 就会需要使用Re-clocker(Re-timer), 对讯号重新整理以产生很低jitter抖动的高速串列数位讯号, 如下图右二的示意图, 最后因为SMPTE在SDI讯号的输出是有规定rising time, falling time, overshoot, undershoot及振幅需为800mVpp, 所以Cable Driver就是使用De-Emphasis或Pre-Emphasis技术, 让SDI的输出可以符合SMPTE的规范, 可以参考下图最右边的示意图, 以上就是简单的介绍Equalizer, Re-clocker(Re-timer)及Cable Driver在SDI 应用里的功能.
从GS12241的功能方块图可以知道, GS12241有Adaptive Cable EQ(Equalizer), 因为SDI经过cable长距离传输后, 造成讯号衰减或反射所导致数位串列讯号的眼图无法张开, GS12241有Adaptive Cable EQ可以补偿讯号, 让眼图能够打开, 在经过Re-clocker后, 重新对讯号做取样以将Jitter经过滤除, Re-clocker后会同时输出到到两个Trace Driver, 也就是说GS12241可以同时输出两个相同的讯号, 如果是推动两颗GS12281 12G UHD-SDI Re-clocker Cable Driver, 这样可以将12G UHD-SDI输出组数做最大化, 最多能做到到8通道12G UHD-SDI分配器.
GS12241功能方块图:
从GS12281的功能方块图中可以看到输入端为Trace Equalizer, 这个Trace Equalizer跟GS12241的Adaptive Cable Equalizer有什么差异呢? 主要是Trace Equalizer只能补偿经过PCB板走线所造成的衰减, 无法补偿经过长距离Cable所造成的衰减, 两者的补偿能力是有所差异的, 因为12G UHD-SDI这种高速讯号在PCB板上的走线所造成的衰减比以往3G-SDI所造成的衰减还大, 因此在12G的Equalizer或Cable Driver产品上都尽量加上Reclocker, 对讯号重新取样以滤除jitter抖动, 这样输出讯号的品质才会比较好, 而经过Reclocker后, GS12281一样会推动两组Cable Driver, 这个Cable Driver跟GS12241的Trace Driver又有什么不同呢, 聪明的你应该可以举一反三的推论出, Trace Driver只能驱动PCB板走线, 这个PCB板走线是使用100 Ohm的差动讯号, 而Cable Driver则是可以驱动75 Ohm的单端讯号.
GS12281功能方块图:
看完前面这些有点冗长的各别介绍后, 紧接着看到的就是我们这次方案的主角GS12241/GS12281 EVB, U23是GS12241, U20是GS12281, 因为G12241跟双输入的GS12142是pin to pin的, 且GS12281跟双输入的GS12182也是pin to pin的, 所以在这个EVB上就同时可以使用GS12241 + GS12281或是GS12142 + GS12182两种版本, 使用GS12142 + GS12182是可以搭配12G UHD-SDI的SFP+光纤模组, 做到12G UHD-SDI电讯号及光讯号双输入输出功能, 但这次介绍的方案主要是以电讯号的4通道12G UHD-SDI分配器为主, 所以不会用到GS12142及GS12182.
GS12241/GS12281 EVB:
从GS12241/GS12281 EVB的系统方块图中可以看到, 在这个EVB中, GS12241的输入为75 Ohm BNC J1, GS12241的输出为两个50 Ohm SMA J6及J12, 此为100 Ohm差动讯号输出, 而GS12281的输入为两个50 Ohm SMA J3及J4, 此为100 Ohm差动讯号输入, GS12281的输出为75 Ohm BNC J5, 在EVB的系统方块图中的红线及绿线部分则是GS12142 + GS12182才会支援的功能, 使用GS12241 + GS12281并不会用到.
若红线及绿线部分拿掉, 这样GS12241跟GS12281两颗根本就是两颗完全独立的IC, 八竿子打不着, 其实EVB这样的设计是有好处的, 像是使用FPGA来设计SDI界面, 在还没将12G EQ/CD做成测试板前, 就可以使用两条50 Ohm SMA Cable来连接此EVB及FPGA EVB, 这样就可以很快的做初期验证, 不必等测试板都完成后才能进行功能设计及验证, 若是要验证GS12241 + GS12281的输出品质, 也可以用两条50 Ohm SMA Cable来连接GS12241的输出及GS12281的输入, 直接测试GS12281的12G UHD-SDI输出品质.
GS12241/GS12281 EVB的系统方块图:
使用EVB可以做到的功能, 就是12G UHD-SDI repeater的功能, 因为目前EVB上的GS12281只有用到一个SDI输出的其中一个单端输出, 基本上GS12281有两组SDI输出, 而每一组的输出都可以设计成两个单端输出, 这要归功于SDI的NRZI编码格式, 因为GS12281的任一组SDI输出, 基本上是一对有P/N极性的差动讯号, 但因为NRZI的编码格式, 使得这一对有P/N极性的差动讯号可以独立的当两个单端输出, 这样两组SDI输出有各两个单端输出的总和, 就是有四个单端输出, 因此GS12241 + GS12281最多就以做到4通道的12G UHD-SDI分配器, 您可以参考下面的方案方块图.
在4通道12G UHD-SDI分配器实际应用部分, 已经有几个客户做成了成品, 12G UHD-SDI的讯号已经是非常高速的讯号, 但还是可以使用FR4 PCB板材, BNC到GS12241及GS12281到BNC的这些SDI single-end trace, trace长度越短越好, 也就是IC不要离BNC太远, 基本上需要注意PCB板的叠构以确认75 Ohm的SDI trace阻抗是否有做好匹配, 且SDI trace的宽度最好在10 ~ 12 mil, 因为在SDI的应用在input/output return loss部分需要符合SMPTE规范, 而SDI trace的宽度太细是会比较难通过规范的, 在GS12241到GS12281的differential pair部分, 是用100 Ohm的阻抗匹配, 这一段讯号相对是比较抗杂讯干扰的.
基本上使用GS12241 + GS12281在4通道12G UHD-SDI分配器的应用上, 是可以完全不用去调整IC内部的暂存器, 完全使用预设值即可正常动作, 但还是建议保留MCU透过GSPI界面, 因为不同的PCB layout在特性上还是会有些许不同, 保留MCU及GSPI控制界面可以增加一些弹性; PCB layout的好坏是最直接影响实际performance的关键, 单纯只是跟随电路的连线, 将GS12241及GS12281的PIN脚及周边元件连接起来, 是无法得到最佳performance的, 您需要特别注意power pin及ground pin的连接, 以及周边元件的摆放, 可以参考下图, 在主要的电源部分, 最好加粗trace的寛度, 并增加至2个VIA给power及ground, 以增加连结的性能, 且ground pin不要连接到中心的ground PAD.
在12G 高速讯号的trace上, 不论是75 Ohm与BNC连接的单端讯号, 通常会有AC coupling电容, 而在这些电容的下方, 则需要加入Anti-PAD来降低寄生电容所造成的损失, 这个Anti-PAD最简单的做法, 就是在PCBA的内层, 挖开一个跟AC coupling电容相同大小的keep out, 在所有内层都需要摆放, 主要是让SDI trace上的AC coupling电容的参考层, 从第二层改到底层, 利用这个方法来降低寄生电容所造成的损失.
PCBA设计完成后, 只要确认功能都正常后, 可以透过我们, 请Semtech帮忙量测实际测试的performance, 因为这些量测设备的价格都非常贵, 使用Omnitek Ultra 4K Analyzer的量测设备, 可以当12G UHD-SDI的讯号源, 同时也能做12G UHD-SDI的输出讯号品质分析, 下图为实际量测的输出结果, 可以测试各个SDI输出讯号的眼图状态, jitter抖动的大小, 及监测输出画面是否有异常; 另外在输入的部分, 会测试经过多长距离的Belden 1694A cable后, 还能正确的将12G UHD-SDI讯号收下来, 这样就能知道设计出来的PCBA跟datasheet上使用EVB所测试出来的极限能力是否接近.
另外会提供input/output的return loss量测结果, 看是否能符合SMPTE的规范.
最后还可以量测12G UHD-SDI input及output的TDR量测结果, 透过量测出来的阻抗变化, 可以大致知道BNC connector的品质好坏, 以及在PCB layout及PCB叠构上, 是否有做好75 Ohm SDI trace的阻抗匹配, 从以上测试的结果就可以知道所设计出成品的品质好坏, 是否有需要做进一步的修改.