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SDI设备在传输过程中图像闪烁、抖动,黑场,图像消失等原因探究

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发表时间:2017-12-20 15:48

由于SDI为接口标准,所以要求采用SDI标准和技术的视频链路上所有设备的接口标准必须符合相关标准!检测SDI设备是否合规、合格,除了用人眼对图像质量进行观察的主观评价外,必须采用用专用仪器检测的客观评价方式;SDI系统中任何设备、线缆、接头不满足SDI接口技术规范要求,都可能造成系统出现问题。常见问题包括:图像闪烁、抖动,黑场,图像消失等。

相关SDI国际、国内标准如下:

1SMPTE259M1983年,CCIR成为国际电信联盟无线电通信部(ITU-R)。1994年,ITU-R发布了BT.656-2建议书,吸纳了EBU Tech.3267SMPTE 259M中定义的新型串行数字接口,该接口采用10比特传输与非归零反向(NRZI)编码。在传送ITU-R BT.601A部分)422级别信号时,其时钟还率为270 Mb/s,这就是标准清晰度SD-SDI。我国也参照上述标准制订了相应的国家标准BG/T 17953

2SMPTE292M 1990年,ITU-R BT.709建议书发布,高清晰度电视技术加速发展,采用串行数字接口传输高清信号已在行业内达成共识,为此,SMPTE292M标准中定义了时钟频率达1. 5 Gb/s级别的串行数字接口,相应国际标准为ITU-R BT .1120GY/T 157-2000为我国根据ITU建议书制订的行业标准,这就是高清标准HD-SDI

3SMPTE424M 2005年,ITU-RBT.1120-6建议书中给出了2.97 Gb/s串行接口的规范,物理介质仍然沿用了75欧姆同轴电缆和IEC 60169-8标准连接器。此外,SMPTE 424M也给出了类似的3 Gb/s级别接口的定义。这就是3G-SDI


什么是SDI信号完整性?

为什么SDI设备和系统保持信号完整性是第一重要技术指标?

信号完整性(Signal Integrity):就是指电路系统中信号的质量,如果在要求的时间内,信号能不失真地从源端传送到接收端,我们就称该信号是完整的。

信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候,具有所必需达到的电压电平数值。

差的信号完整性不是由某一单一因素导致的,而是板级设计中多种因素共同引起的。

主要的影响信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。影响、考量信号完整性的一些基本因素、概念、技术参数见后附延伸阅读

SDI信号完整性指SDI信号从产生经过传输、交换、处理直至被最后利用(例如显示和记录)没有失真,我们就称此SDI信号完整性是合格的。

与模拟视频信号的随着传输距离的增加而逐渐劣化不同,SDI是数字信号接口,经SDI传输的数字信号质量的劣化不是随着线缆长度增加而简单线性过程,SDI信号在没有到达“数字悬崖”之前,人眼主观评价和观察是无法判定的(数字系统可以在系统崩溃之前一直无故障地工作即在图像消失之前一直是清晰的)。到目前为止,我们还没有在不中断信号传输的情况下来测试SDI 信号的传输余量(富裕量)的方法,而必须在中断信号传输时采用增强测试来评估系统的运行状况(即用专用测试仪器检测信号质量)。任何SDI链路上的设备的接口参数都必须以保证SDI信号完整性为最高目标,任设备、线缆接口参数的偏离,都可能使系统不能保证信号完整性,最后体现在图像(信号)出现消失、闪烁、黑场等现象。

因此,如果用户建立了一套SDI视频监控系统,检查每个设备是否符合SDI技术规范是保证系统正常工作的前提。相对于设备厂家大肆宣传的五花八本的“功能”,设备是否能保证SDI信号的完整性(符合技术规范。相关技术规范见延伸阅读二)才是用户设备选型的首要依据。

所以SDI设备及施工必须符合标准的技术标准和规范。

延伸阅读

信号完整性的一些基本概念

传输线(Transmission Line):由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线我们称之为传输线有时也被称为延迟线。

集总电路(Lumped circuit):在一般的电路分析中,电路的所有参,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上各个元件上各点之间的信号是瞬间传递的这种理想化的电路模型称为集总电路。

分布式系统(Distributed System):实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处当这种分散性造成的信号延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时侯整个信号通道是带有电阻、电容、电感的复杂网络这就是一个典型的分布参数系统。

上升/下降时间(Rise/Fall Time):信号从低电平跳变为高电平所需要的时间通常是量度上升/下降沿在10%-90%电压幅值之间的持续时间记为Tr

截止频率(Knee Frequency):这是表征数字电路中集中了大部分能量的频率范围(0.5/Tr记为Fknee一般认为超过这个频率的能量对数字信号的传输没有任何影响。

特征阻抗(Characteristic Impedance):交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗也称为浪涌阻抗记为Z0。可以通过传输线上输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。

传输延迟(Propagation delay):指信号在传输线上的传播延时与线长和信号传播速度有关记为tPD

微带线(Micro-Strip):指只有一边存在参考平面的传输线。

带状线(Strip-Line):指两边都有参考平面的传输线。

趋肤效应(Skin effect):指当信号频率提高时流动电荷会渐渐向传输线的边缘靠近甚至中间将没有电流通过。与此类似的还有集束效应现象是电流密集区域集中在导体的内侧。

反射(Reflection):指由于阻抗不匹配而造成的信号能量的不完全吸收发射的程度可以有反射系数ρ表示。

过冲/下冲(Over shoot/under shoot):过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压而下冲就是指第二个谷值或峰值。

振荡:在一个时钟周期中反复的出现过冲和下冲我们就称之为振荡。振荡根据表现形式可分为振铃(Ringing)和环绕振荡振铃为欠阻尼振荡而环绕振荡为过阻尼振荡。

匹配(Termination):指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采用在源端或终端所以也称为端接。

串扰:串扰是指当信号在传输线上传播时因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰这种干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。

信号回流(Return current):指伴随信号传播的返回电流。

自屏蔽(Self-shielding):信号在传输线上传播时靠大电容耦合抑制电场靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。

前向串扰(Forward Crosstalk):指干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰也称为远端干扰(Far-end crosstalk)

后向串扰(Forward Crosstalk):指干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰也称为近端干扰(Near-end crosstalk)

屏蔽效率(SE):是对屏蔽的适用性进行评估的一个参数单位为分贝。

吸收损耗:吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩的时候能量损耗的数量。

反射损耗:反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化。

校正因子:表示屏蔽效率下降的情况的参数由于屏蔽物吸收效率不高其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加所以校正因子是个负数而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。

差模EMI:传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的EMI,叫做差模EMI

共模EMI:当两条或者多条传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候就会产生共模辐射既共模EMI

发射带宽:即最高频率发射带宽当数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦谐波分量这些正弦谐波分量是工程师所关心的EMI频率成分而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。

电磁环境:存在于给定场所的所有电磁现象的总和。

电磁骚扰:任何能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。

电磁干扰:电磁骚扰引起设备、传输通道和系统性能的下降。

电磁兼容性:设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

系统内干扰:系统中出现由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。

系统间干扰:有其他系统产生的电磁干扰对一个系统造成的电磁干扰。

静电放电:具有不同静电电位的物体相互接近或者接触时候而引起的电荷转移。

建立时间(Setup Time):建立时间就是接收器件需要数据提前于时钟沿稳定存在于输入端的时间。

保持时间(Hold Time):为了成功的锁存一个信号到接收端器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继续保持一段时间以确保数据被正确的操作。这个最小的时间就是我们说的保持时间。

飞行时间(Flight Time):指信号从驱动端传输到接收端并达到一定的电平之间的延时和传输延迟和上升时间有关。

Tco:是指器件的输入时钟边缘触发有效到输出信号有效的时间差这是信号在器件内部的所有延迟总和一般包括逻辑延迟和缓冲延迟。

缓冲延迟(buffer delay):指信号经过缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间

时钟抖动(Jitter):时钟抖动是指时钟触发沿的随机误差通常可以用两个或多个时钟周期之间的差值来量度这个误差是由时钟发生器内部产生的和后期布线没有关系。

时钟偏移(Skew):是指由同样的时钟产生的多个子时钟信号之间的延时差异。

假时钟: 假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VILVIH之间)。通常由于过分的下冲(undershoot)或串扰(crosstalk)引起。

电源完整性(Power Integrity):指电路系统中的电源和地的质量。

同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise):指当器件处于开关状态产生瞬间变化的电流(di/dt在经过回流途径上存在的电感时形成交流压降从而引起噪声简称SSN。也称为Δi噪声。

地弹(Ground Bounce):指由于封装电感而引起地平面的波动造成芯片地和系统地不一致的现象。同样如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异就称为电源反弹(Power Bounce)。

延伸阅读二:

附表一、SDI关键技术标准和参数表


 
SD
HD
3 Gb/s
幅度
幅度800mv +/- 10%
800mv +/- 10%
800mv +/- 10%
过冲
小于10% 幅度
小于10% 幅度
小于10% 幅度
上升/ 下落时间
应当不小于0.4 ns,不大于 1.50 ns,且其差异不得超出 0.5 ns
不得大于270ps,且其差异不得超出100ps
不得大于135ps,且其差异不得超出50ps
定时抖动(10Hz)
0.2UI (740ps
1.0UI
(673.4ps,@1.485 Gb/s )    
(674ps@ 1.4835 Gb/s )
2.0UI
(673.4ps,@ 2.97Gb/s)              
(674ps @ 2.967Gb/s)
校准抖动
(100kHz)
0.2UI (740ps,@1 kHz)
0.2UI (135ps,@100kHz)
0.3UI
(101ps,@100kHz )
理想最大值为 0.2UI (67.3ps,@100kHz )


SDI关键技术标准和参数标准眼图

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