數字視頻信號的線纜均衡與時基重建

應用廣泛的高速串行總線

不管我們愿不愿意，高速串行總線架構已經成為高性能的數字標準。與我們日常最緊密的計算機、手機、單反相機、影音娛樂等設備，串行總線標準為我們提供了許多的便利和性能優勢。

在模擬年代，我們可以很簡潔地用一句話概括某個接口的作用，比如“VGA”接口，我們可以說“用于顯示輸出的接口”。但在數字年代，好像所有接口的作用都變得很強大，它們的功能已經不是那么單一，比如“Thunderbolt”接口，比如“HDBaseT”接口，我們就很難用一句話可以完全解釋清楚。

由此聯想到我們這個行業，很多鄰居或朋友家要購買影音設備或系統出問題，第一時間會想到要我幫忙，但這么多年，他們依然沒有弄明白我到底從事什么行業，只知道跟投影機有關。隨著數字技術的不斷發展和融合，我想以后會越來越難解釋清楚我們所從事的行業，這是大勢所趨，不管我們愿不愿意。

串行總線關鍵目標是通過多種標準架構，在大量的產品之間實現互連互通。每種標準都由一個監管機構管理，確定設計和測試要求，表1例舉出了部分主流的串行標準。

不論哪種格式和標準，不斷的更新和發展目的只有三個：更高的傳輸速率（高帶寬），更長的傳輸距離以及更小的延時。

高速串行總線的傳輸困擾

在本刊2015年07刊《PoE及網絡在HDBaseT技術的應用》一文中，筆者就數字視頻傳輸的誤區和困惑做過一些基礎的介紹，并就目前數字視頻主流的幾種傳輸技術進行了對比。

數字視頻的集成技術明顯優于模擬視頻技術，這是我們的共識。由于目前幾乎所有的信號源（顯卡、藍光播放機、DVD、攝像機、高清機頂盒、視頻會議等）和顯示終端（數字電影機、投影機、液晶顯示器、LED顯示屏、數字錄播系統等）的內部電子結構，已經可以完全設計成全數字化的處理和傳輸，為此可以省略內部大量的D/A及A/D轉換，在源頭上數字技術已經減少了數模轉換或模數轉換產生的失真。

如圖1：在有效距離內，數字傳輸可以完美地還原每個像素。

在模擬年代，我們追求信號傳輸的完美，避免視頻質量的劣化。但在數字視頻中，我們應更多觀察信號本身的缺陷。數字信號雖然具備很好的穩定性，但很多信號格式在當初制訂標準的時候，并不考慮工程應用，所以它們的傳輸距離非常有限。而且，同樣的信號格式，在不同的器材上能夠支持的傳輸距離也未必相同。比如，藍光播放機、手提電腦、臺式電腦都可以是HDMI輸出，但三者的有效傳輸距離可能就有很大的區別，這種差異我們可以稱為發射器（信號源）的信號完整性。

同一臺發射器，與不同的顯示器材（接收器）連接，所支持的傳輸距離也不一致，比如一臺手提電腦，以HDMI的方式與投影機、液晶顯示器等連接，能夠穩定傳輸的距離可能也有區別，甚至跟不同品牌的發射器、接收器都存在很大的關系。這種差異我們稱為接收器（顯示端）的靈敏度，很遺憾的是，多數接收器都不會告訴我們它的靈敏度有多高。

保持數字視頻信號的完整性

長距離傳輸或設備級聯是數字信號產生時鐘錯誤的主要原因，時鐘錯誤會導致周期的變化，即信號抖動。

將重復的數字信號取樣再疊加，在示波器上可以生成“眼圖”（如“圖2”）。每種標準都規定了怎樣為眼圖測量捕獲數據，包括時鐘恢復方法以及確定一致還是不一致的模板。除眼圖測量顯示外，示波器分析工具可以執行統計分析，確定模板邊界和其它關鍵參數是否違規。

眼圖的閉合度是衡量數字信號完整性的標準，眼圖最低標準值稱為“模塊”（如圖3的亮色區域），眼圖張開越小，信號的精確度越差，當扭曲的信號波形侵占到“模塊”區域時，這個信號會存在很多的不穩定性，甚至會導致圖像的消失。

在工程應用中，線纜質量、長度是影響傳輸的關鍵環節，線纜長度將導致信號幅度衰減和頻率下跌，從而使信號的上升時間和下降時間延長。隨著電纜長度的增加，眼開度接近閉合，HDMI模塊已經不再清晰可見，圖4是一條60米的HDMI高清連接（24AWG），信號到達顯示器之前，眼圖已經完全閉合，基本上沒有接收器可以正確恢復原始信號：

借助現代數字視頻的強大技術，仍然能夠通過外接均衡器正確地解碼這種有缺陷的信號，因為均衡器能夠恢復數據流。比如Lightware的自動線纜均衡技術，已經廣泛應用在多數不同系列的產品：

·M X混合矩陣的D V I輸入板卡：6 0米，1920×1080@60Hz

·MX8×4DVI-Pro，MX8×8DVI-Pro固化式矩陣：50米，1920×1080@60Hz

·MX8×8DVI-HDCP-Pro，MX8×8HDMI-Pro固化式矩陣：60米，1920×1080@60Hz

·EDID Manager V4 EDID管理及仿真器：60米，1920×1080@60Hz

·DVISL-EQ，DVIDL-EQ， HDMI-EQ自動線纜均衡器：60米，1920×1080@60Hz

·D A 2 D V I - H D C P - P r o分配器：6 0米，1920×1080@60Hz

·DA4-3GSDI分配器：140米，3G-SDI

自動線纜均衡能夠有效克服長距離傳輸產生的信號衰減、串擾和噪音，恢復信號到一個可以正常使用的幅度范圍，但并不代表均衡后的信號就已經完美無缺。

數字視頻更高的速率和嵌入式時鐘，意味著更容易發生抖動，劣化誤碼率（BER）性能。抖動包括確定性抖動和隨機性抖動。為保證良好的系統互通性，發射機不能產生太多的信號抖動，接收機必須能夠容錯一定范圍的信號抖動，同時仍能恢復時鐘和解串行化數據流。而遺憾的是，這些容錯范圍就像接收器的靈敏度一樣，我們依然無從得知。

精確像素時基重建

如前所述，我們無從得知所有接收器的靈敏度和容錯能力，而且大部分接收器都希望接收一個完美的、無缺陷的數字信號。所以，僅僅通過線纜均衡技術恢復信號的幅度可能還不夠，因為均衡后的信號依然存在延時差和抖動，這兩個存留的事件不一定會造成接收器無法顯示，但可能存在隱患。

2006年，Lightware在全球第一臺DVI矩陣（MX8×8DVI-Pro）上成功應用了“精確像素時基重建”技術，發揮了超常的信號再生功能?！熬_像素時基重建”技術清除了由于劣質線纜長距離傳輸以及電磁兼容導致的圖像噪點、偏斜以及抖動等存留問題。自動消除和補償在DVI 線纜、HDMI線纜以及雙絞線中存在的對內和對間延時差。

“精確像素時基重建”技術至今已經廣泛應用在Lightware的很多產品，包括矩陣、輸出板卡、信號延長器以及數字視頻接口，從而確保Lightware的產品可以搭建一個完美無缺的數字視頻系統。

Lightware精確像素時基重建技術，通過解碼視頻內容的像素信息，并通過雙重的PLL電路進行驅動。再生的像素信息被重新編碼成完整的DVI或HDMI信號，從而確保數字傳輸的準確性和精確的時鐘信息。