多路SDI信號單波長無損光傳輸

摘要：針對目前市場上越來越多針對SDI信號的應用需求，提出了多路SDI電信號單波長光纖傳輸的實現方案，就方案中出現的由于FIFO“寫滿”或“讀空”引起的SDI信號傳輸誤碼，提出了一種基于FPCJA內部PLL的可控時鐘，利用該時鐘作為FIFO的讀時鐘，實現SDI信號無損傳輸。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269823.htm

關鍵詞：SDI；碼速調整；數據還原；PLL；無損傳輸

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.016

謝艷（1978-），女，工程師，研究方向：光通信與技術研究。

引言

串行數字接口（Serial DigitalInterface，簡寫為SDI）是針對演播室環境提出的用單根電纜來傳輸數字視音頻信號的方式。在SMTPE-259M標準中，定義了A、B、C、D四種SDI信號接口，其中C類在實際應用中最為廣泛，其定義的SDI信號速率是270Mbps，足夠滿足標清視頻的傳輸要求，其傳輸距離最長可達350米。目前SDI接口是演播室數字電視節目制作系統中應用最廣泛的接口，主要用在非線性編輯系統、視頻服務器、虛擬演播室以及數字切換距陣和數字光端機等領域。 近年來，隨著計算機、數字網絡和電視技術的飛速發展，我國廣播電視事業日新月異、迅猛發展，大眾對于高質量電視圖像的需求不斷提高。數字電視、數字廣播也形成了相當的規模。數字攝錄、數字特技、非線性編輯系統、虛擬演播室、數字轉播車以及各種數字播放設備越來越多地被中央電視臺及各省市級電視臺采用。

與此同時，隨著監控廠家的推廣以及用戶對監控圖像視頻清晰度要求的提高，高清視頻監控以其實時高清、圖像未壓縮以及信號傳輸距離遠等方面的優勢，在當前對圖像清晰度與實時性要求比較高的場合，如城市交通監控、大型標志場館、銀行、機場等方面得到越來越廣泛的應用。相比于模擬的視頻監控，高清視頻以無壓縮的基帶數字視頻信號在同軸電纜上高速傳輸，圖像具有高清晰度、高分辨率、更豐富的色彩等優點，畫質更加接近自然本色：加上前端攝像機采用高端CCD成像芯片，全天24小時都能完美呈現出高清晰、實時的視頻畫面。

1 多路SDI信號電復接光傳輸的必要性

高清視頻系統以及高清監控市場發展，帶動了高清視頻傳輸的發展。高清視頻信號傳輸介質主要有兩種：電纜和光纜。由于電纜本身的特性導致其傳輸距離有限，無法滿足越來越多的遠距離高清信號的傳輸；與電纜傳輸相比，光纖的低傳輸損耗使遠距離傳輸中繼之間距離大為增加。除此以外，光纜還具有不輻射能量、不導電、沒有電感、不怕雷擊、抗腐蝕、保密性好、通信可靠性高、運行維護成本低等特點，且光纜不存在串擾以及光信號相互干擾。隨著光纖通信技術的發展，光纖局域網已深入到軍事、工業實時控制、辦公自動化以及大眾生活等應用領域，為人們提供了現代數據通信的先進手段。與光纖媒介的結合可以擴展高清視頻的應用領域。

目前市場上傳輸SDI信號的光傳輸設備都是一個波長的光信號傳輸一路SDI信號，其光纖信道容量的利用率比較低，而且當需要傳輸多路SDI信號時需要用到多芯光纖或者采用波分復用器。是現在城市的光纜布線基本上已經固定，這樣當需要傳輸的信號路數比較多時，就會由于光纖數量的限制而無法實現。

本文提出的多路SDI信號的單波長光纖傳輸方式為：把多路（最大可達8路）270 Mbps的SDI信號采用電復接的方式復用成一路高速信號，然后通過一根光纖進行傳輸。極大地降低了系統成本、提高了光纖通道帶寬的利用率。用它取代現有的SDI信號電纜傳輸以及使用一個波長光信號傳輸一路SDI信號的傳輸方式。從而成功地解決了通過電纜傳輸時受距離限制以及光纖傳輸時受光纖數量限制的問題。

2 多路SDI信號電復接實現原理、技術難點及解決方案

2.1 多路SDI信號電復接的實現原理

由圖1所示，原始SDI信號每路經過均衡、時鐘提取，恢復出270MHz的時鐘和數據，然后經過信號解碼把1路270MHz串行信號轉換成10路27MHz的低速并行信號和1路與之同步的27MHz時鐘；兩路SDI信號通過時鐘恢復電路出來的時鐘之間并不同步，為了實現這些信號的電復接，需要對這些信號進行碼速調整、同步處理；將這些并行信號在FPGA內部經過碼速變換把N×10路的異步信號轉換成同步信號，同步后的數據再通過FPGA進行復接、編碼，形成1路高速串行信號；該信號經過電/光轉換后變成1310nm/1550nm波長的光信號，最后通過一根光纖傳輸到接收端。

接收端先對收到的光信號進行光/電轉換，把光信號轉換成電信號，然后輸入到FPGA，通過FPGA對該高速串行信號進行解碼、時鐘恢復、解復用恢復出N×10路同步并行信號，然后經過FPGA進行碼速變換后恢復出N×10路異步并行信號：最后經并/串轉換，SDI編碼、整形恢復出N路原始的SDI信號輸出。

2.2 多路SDI信號電復接的技術難點

在上述的原理圖中，SDI信號的編解碼、時鐘提取、多路同步并行信號的FPGA復用、光/電轉換、電/光轉換等都是比較成熟的技術，實現起來基本沒有難度。主要的技術難點是多路異步數據的碼速調整、同步處理及數據還原。

以太網或者其他異步數據，在兩幀之間會有空閑，在對這種類型的信號進行碼速調整時我們可以通過控制、調整空閑數據的持續時間，實現對多路異步數據的碼速調整、同步處理。SDI信號數據格式見SDI碼速調整信號波形圖（圖3）中的DATA1，其數據為一幀緊接著一幀連續發送，并沒有空隙，其每位數據都是有用的，這就造成如果我們對SDI的數據長度進行增加或者減少勢必會破壞其幀結構，從而引起SDI信號傳輸出現誤碼。

2.3 多路SDI信號異步數據碼速調整、同步處理及數據還原的實現

為了實現多路異步數據的碼速調整、同步處理及數據還原，最開始擬采用簡單的FIFO緩存方式進行，其具體實現框圖如圖2。

圖2所示，左邊為發送端的數據碼速調整過程，SDI_27m_1、SDI_27m_N分別為每個SDI信號的FIFO的寫時鐘，TSDIDATA_27M為10位并行27MHz數據，Rdclk_30m為可編程產生的30M讀時鐘，TSDIDATA數據同與之相應的SDI_27m_N時鐘同步，各個FIFO的寫時鐘不同步的，但是讀時鐘是同一個，這樣就過經過FIFO后所有的數據都與Rdclk_30m同步，從而實現了多路異步數據的碼速調整、同步處理。由于FIFO的讀時鐘與寫時鐘不一致，為了保證FIFO不被讀空，需要對TFIFO的讀寫進行如下控制：數據寫使能恒為“1”，讀使能根據TFIFO內部的數據深度來決定，當檢測到TFIFO的Aampty為“l”時，此時控制TFIFO的讀使能關閉并保持一段時間，以確保TFIFO不被讀空，在TFIFO的讀使能被禁止時TFIFO的輸出保持，同時DATA_valid標志置“O”。通過上述控制，所有的N×10路并行信號都與Rdclk 30m讀時鐘同步，此時就可以通過FPGA多路復用成一路高速串行數據通過光纖傳輸到接收端。

接收端RFIFO的功能是從經過碼速調整到30M的數據中還原出27M的數據。其主要實現流程為：采用與發端讀時鐘同步的時鐘為RFIFO的寫時鐘Wrclk，讀時鐘采用本地分出來的符合后端SDI編碼要求的27MHz的時鐘Rclk_ 27m，由發端傳輸過來的DATAvalid來控制RFIFO的寫使能，從而保證寫入RFIFO的數據都是有效數據.RFIFO的讀使能持續為“l”以保證數據的連續性。整個碼速調整和恢復的信號波形如圖3所示（DATA1為發端輸入的原始數據，DATA2為碼速調整后的同步數據，DATA3為恢復出來的數據。

采用這種方法實現起來比較簡單，但是在實際測試時發現：由于SDI_27M_n這個時鐘與Rdclk 30M不同步，從而造成收端進入到RFIFO的數據與RFIFO的讀時鐘Rclk 27M不同步，即RFIFO的讀時鐘與寫時鐘不是同步的，最后必能會造成RFIFO的“寫滿”或者“讀空”，引起SDI信號的誤碼。

為了解決這個問題，考慮到Rclk 27M與發端的Wrck_27M_N這兩個時鐘雖然是異步的，但是其具體的頻僮偏差大約在10PPM左右，將整個系統的碼速調整、數據還原修改成如圖4方案。

如圖4所示，發送端的碼速調整、同步處理方法不變，修改接收端的數據還原部分：原方案中多個RFIFO的讀時鐘是由可編程分出來的同一個27MHz的時鐘，更改后的方案中每個RFIFO的都由FPGA內口BPLL分出，該時鐘頻率可以通過FPGA控制在小范圍內動態地變化，具體變化形式由RFIFO的A full、A_empty的狀態來進行控制：A full、A_empty分別為RFIFO的快滿或快空標志，在系統啟動時，Rclk_ 27M_N設置成一個初始僮27MHz，隨著設備工作時間的增加，由于讀、寫時鐘的不同步，就會造成RFIFO的快滿會快空，從而引起A_full（快滿）、A_empty（快空）標志置位。當FPGA監測到A_full時，從而判斷當前FIFO的讀時鐘比寫時鐘要慢，FIFO將空，此時通過FPGA控制內部PLL，提高其輸出的Rck_27m_N時鐘的頻率；當FPGA

監測到A_empty時，從而判斷當前FIFO的讀時鐘比寫時鐘要快，FIFO將滿，此時通過FPGA控制內部PLL，降低其輸出的Rck 27m N時鐘的頻率。通過控制RFIFO永遠不會“寫滿”或者“讀空”狀態，確保SDI信號持續有效輸出且不出現誤碼。

3 結論

通過FIFO的“快滿”和“快空”標志控制來控制FPGA內部鎖相環（PLL）的頻率輸幽，從而使系統接收端RFIFO的讀時鐘隨FIFO數據深度的變化而實時改變，確保RFIFO不會出現“寫滿”或“讀空”的狀態，解決了原來系統中由于FIFO的問題造成SDI信號誤碼的現象，完成了多路SDI信號的無損光纖傳輸。

目前通過本方案設計的多路SDI單波長光傳輸設備已完成研制，提供給廣電系統多家單位使用，反應效果良好。