三 串行数字视频信号传输系统 —SDI 接口 （续）

1. 三 串行数字视频信号传输系统—SDI接口（续） 3 串行数字信号传输接口—SDI 3．3 4:2:2串行数字分量信号的接口电路

2. 3．3 4:2:2串行数字分量信号的接口电路 （1） 4:2:2串行数字分量输出接口电路 • 并串转换器为10比特移位寄存器，工作时钟频率为10倍的输入信号速率，270MHZ。 • 串行时钟信号发生： • 压控振荡器（VCO）产生串行时钟信号, 振荡频率10倍输入并行时钟频率。 • 通过锁相环路与并行时钟信号锁定。 • 滤波器参数决定于锁相环的捕捉范围和同步范围。 • 通过锁相产生的串行时钟信号保留了输入并行时钟的低频抖动和漂移。 • 电缆推动 在NRZI变换器的输出端接有多个线路推动放大器，数字输出需每路单独用一个输出推动器。

3. 4：2：2串行数字分量输出接口电路

4. 4:2:2串行数字分量输入接口电路

5. （2) 4:2:2串行数字分量输入接口电路 • 自动电缆均衡器：用于校正长电缆引起的高频损耗，均衡量可在电缆长度0—300m范围自动调整，在135MHz达30±2dB • 时钟再生： • 从经过电缆均衡的输入信号再生270MHz时钟信号，通过一个带宽为2MHz的锁相环路控制压控振荡器，使再生时钟的频率和相位与输入信号的时钟锁定，振荡频率270MHz。 • 再生的270MHz时钟信号送到NRZI到NRZ变换器和解扰器，也送到定时发生器，产生27MHz的时钟信号，供串并变换器用。

6. 3．4 4:2:2串行数字分量信号的特性参数及测量 (1) 特性参数 • “数字悬崖”：在数字信号传输中，当数字信号波形损伤程度达到一个门限时，误码率超过临界值，图像质量突然崩溃，出现任何人都能看得出的明显的严重损伤。 • 同轴电缆会使数字信号波形产生失真，但在波形失真和噪声相当严重时仍能保证觉察不到图像质量损伤。 • 在模拟视频技术中波形失真对图像质量的损伤很容易觉察、图像质量损伤也是逐渐明显的。 • 发送端、传输媒体、接收端的特性都会影响传输的波形和图像质量，，在工程上可用下表列出的特性参数来衡量系统中各部分对图像质量的损伤。

7. 串行分量信号特性参数

8. 在工程上关注的特性 1） 评估设备和技术检验设备的特性是否符合国际的和本国的标准，评估它对病理信号的鲁棒性 2） 安装后的验收测试 确认设备工作是否满意，可少测一些参数。 3）维护测试 这种测试为保证设备的工作如同安装时那样好， 并校验设备修理后是否恢复到原来的特性水准。 下表列出各种工程应用到的特性参数。

9. 串行数字分量特性参数及其应用

10. （2） 发送端参数的测量 • 1） 输出信号特性测量 • 对发端输出的270Mbps速率的数字信号进行测量，要求精确、快速和可重现。 • 用数字示波器看270Mbps的串行数字信号波形，测量一组参数并在荧屏上显示出测量结果。 • 6个测量参数值：幅度、上升时间、下降时间、过冲、下冲和绝对抖动值。 • 测量系统可采用泰克的数字分量信号发生器TSG-422和WFM 601M测量仪，或用VM700-T。 以下四图是发端输出信号测量波形， 示波器触发与无抖动的270MHz信号锁定

11. 较好的270Mbps的串行数字信号波形

12. 过量过冲（短电缆）

13. 30米电缆测量

14. 100米电缆终端测量

15. 2） 输出反射损耗 • 反射损耗用网络分析仪测量，测量频率范围在300kHz—300MHz。在270MHz上大于15dB。 3） 电磁辐射（EMR） • 各国都有自己的电磁辐射能量限制规定。串行数字视频设备，特别是大型切换矩阵，可能有较多的电磁辐射。对数字系统做出以下几项规定： • BNC插座/头的外壳应与设备的机壳连接。 • 各机壳之间以及机壳与机架之间应有良好的电气连接。（模拟视频为避免地回路引入交流声的问题，同轴电缆的屏蔽层及BNC插头/座外壳在电气上与设备的机壳不连接） • 所有设备的机架都要在电气上与地可靠地连接，机架之间也要电气连接良好。 • 对信号在数字部分与模拟部分之间连接必须认真处理，在接收模拟信号的输入端必须采用差分放大器，避免地回路引入交流声。 • 测量设备和安装系统的电磁辐射要用校准天线和频谱分析仪测量，

16. （3） 传输媒体的参数测量 1） 电缆特性阻抗的测量 电缆的特性阻抗也用网络分析仪测量。一根长电缆，比如说100m，它的终端用精确的75Ω电阻负载终接，在300kHz—270MHz带宽内测量它的反射损耗。 2） 电缆衰减量的测量 因为衰减量与频率有关，所以要用频谱分析仪或网络分析仪测量同轴电缆的衰减量。 3） 电缆屏蔽效果的测量 用频谱分析仪测量电缆屏蔽效果，对一根很长的电缆终端用精确75Ω电阻负载终接，再送入270Mbps码率的串行数字信号。像测量电磁辐射那样，在离电缆1m远的位置上用校准天线和频谱分析仪来测量电缆屏蔽效果。

17. （4） 接收端的参数测量 1） 输入反射损耗 • 测量方法同输出反射损耗。短电缆的反射损耗影响大，长电缆的匹配不良影响小。反射损耗低时会引起数据波形失真，影响接收端的时钟恢复。 2） 电缆均衡能力 • 在检验接收端的电缆均衡能力时，逐步增加输入信号用的电缆长度，在彩色监视器上观看接收端的输出图像，注视明显丢失的像素。如果接收输入端的信杂比（SNR）太低，就会发生误码，图像上会出现像素丢失。 • 在接收端的噪声主要是接收设备输入级的热噪声。但长电缆对传输信号电平衰减太大，使输入端信杂比降低到20dB以下 • 电缆对高频信号的衰减量大，使数据的抖动量加大，会出现像素丢失现象。 • 均衡器的设计应使电缆均衡能力在270Mbps比特率上，允许接入信号的电缆长度达200—300m。

18. 3）误码率 • 误码率（BER）用下式表示： • BER = 每秒钟的误码数 / 比特率 • 如果比特率为270Mbps，每帧信号有一个比特错误，则对625/50制式，BER等于 • BER = 25 /（270×106）= 0.93×10-7 • 误码的视觉检测有很强的主观性，一般来说，只要看到了误码，这个设备就不符合要求。 • 测量BER存在以下问题： 1）测量BER时必须停止设备的正常应用，因为测量仪器需要用一组指定的不同比特率的伪随机序列。 2）这套测试序列与串行数字信号的格式不同，有些设备不能处理这种测试序列。 3）如果系统内没有噪声，而只有突发性的错误，则测量BER是没有意义的。

19. 下表对三种典型的比特率计算出在不同观测时间内只有一个比特错误的BER值。下表对三种典型的比特率计算出在不同观测时间内只有一个比特错误的BER值。

20. 4． 数字音频的复用 4．1 音频辅助数据格式 625/50标准，行消隐期间辅助数据块长280个字。每个数据包最多可送262个10比特并行字。这些字是： 1） 三个辅助数据标志字（ADF）：000 3FF 3FF，标志辅助数据的出现和数据包的开始。 2） 数据标识字（DID）：标志数据包的数据内容，可用不同DID定义4组声音通路。 3） 数据块记数字（DBN）：使接收端能通过数算具有共同DID数据包的数，验证传送的完整性。在数据流切换和开关情况下，这个计数器能发出一个标志给声音处理系统，以用一个适当的静音电路消除过渡噪声，如劈拍声和喀呖声。 4） 数据数目字（DC）：指示每个数据包内的用户数据字数。 5） 可变的用户数据字（UDW），最多容许255个字。 6） 校验和字（CS）：在接收端用来确定数据包的有效性。

21. 标准规定的辅助数据包结构

22. 4．2 SMPTE 272M标准推荐的实施标准 SMPTE 272M标准为插入音频辅助数据推荐了两种基本工作模式： （1） 最低实施标准：称为A级标准，其特点如下： 1) 音频字分辨率20比特； 2) 抽样频率为48kHz； 3) 音频数据与视频数据同步； 4) 只有一组4路音频通路； 5) 接收端缓存大小为48个音频抽样。 音频数据包从AES/EBU信息数据流形成。下图表示出，怎样从一个AES/EBU串行数据流的第0帧的子帧1（通路1）抽出20个比特音频数据以及有关的V（样值有效性）、U（用户数据）和C（通路状态）比特，总共23比特，并映射成3个10比特辅助数据字X、X+1和X+2。放弃了4个首标比特、4个附加比特和1个奇偶校验比特。

23. 从AES/EBU串行音频数据流形成的辅助音频数据包 从AES/EBU串行音频数据流形成的辅助音频数据包 

24. 用这三个10比特数据字还原的音频数据结构 这三个字紧接着辅助数据头插入，字X中有2个比特指示通路号，奇偶校验对前26个比特计算，所有字的地址b9除外。 同一个AES/EBU串行数据流中的第2路声音信息（通路2）以同样的方式接第一路插入。 第2个AES/EBU串行数据流的0帧接续插入，以完成一组声音（4路音频）的插入。所用的各种标志反映不同的通路识别和帧识别方法。 AES/EBU规定，每个192帧的序列形成一个块。每一帧包含2个子帧（子帧1和子帧2，即通路1和通路2）。 在一个辅助音频流中，2帧（4个子帧）为一组。每组包含2个抽样对，两个抽样对分别来自2个AES/EBU串行数据流。 每个抽样对可用3种方法鉴别： 1) AES1（CH1/CH2）和AES2（CH1/CH2） 2) CH1/CH2和CH3/CH4 3) CH00/CH01和CH10/CH11 `

25. 格式化的音频数据结构 bit地址 字X 字X+1 字X+2 b9 b8反码 b8反码 b8反码 b8 音频5 音频14 P b7 音频4 音频13 C b6 音频3 音频12 U b5 音频2 音频11 V b4 音频1 音频10 音频19 b3 音频0 音频9 音频18 b2 通路1 音频8 音频17 b1 通路2 音频7 音频16 b0 Z 音频6 音频15

26. （2） 全AES实施标准 全AES实施标准与几种工作能力（B级到J级）相关联：标准特点： 1) 音频字分辨力为24比特； 2) 抽样频率为32，44.1或48kHz； 3) 音频数据与视频数据同步或不同步； 4) 可插入多达4组4通路音频； 5) 接收端缓存大小为64个音频样点； 6) 具有任何一路音频与视频数据信号之间的延时指示。 扩展数据包： 为传输额外多出的信息，增加了2个附加数据包。对于24比特分辨力的工作模式，两个 AES1子帧的4个附加比特组成一个8比特字称为AES1信号的附加( AUX )字。所有AES信号的AUX字组成一个扩展数据包。这个数据包有同样的包头结构和一个规定DID数码，紧接相关的音频数据包插入辅助数据空位上。

27. 音频控制包 音频控制包传送信息，如音频帧数、抽样频率、有效声音通路 数及每个音频通路相对视频的延迟时间等。控制包是每场只传送一次的包，作为在第11行辅助数据空间出现的第一个包。 对于最低AES实施标准，控制包是自由选择的。 音频数据插在位于行消隐区的三个辅助数据空间的最后一个空间内。 串行数据流的切换在第9行进行，不推荐在紧接着后一行的行辅助数据空间插入声音数据。 在接收端的解复用器中必须有一个64样点的缓存器，以无缝地还原数字信号。

28. 4．3 数字音频插入电路 （1） 音频复用器 串并变换，两路输入数字音频数据流分别送入解串器，对双相位标志（BPM）编码信号进行解码，并进行串并变换。 缓存器，由FIFO电路组成。 格式化电路， 对AES/EBU信号,在每个子帧的32比特中去掉4比特首标(X或Y或Z)、4比特附加数据（AUX） 、1比特子帧奇偶校验位（P），剩下的23比特中有20比特音频数据、1个样值有效性比特（V）、1个用户比特（U）、1个音频通路状态比特（C）。23个比特被格式化成3个10比特音频辅助数据字X、X+1和X+2 。 复用器，把格式化的音频和延时的视频复用,音频被复用到辅助数据空间。视频延时为了匹配数字音频处理的延时。 串行器把复用的音视频变成串行数据。 缓存器FIFO，可保持音频数据率为常数。若缓存器溢出，则会根据需要删除一些AES/EBU样值，直到排除缓存器溢出。如果缓存器下溢，一些AES/EBU样值就被复制，直到缓存恢复正常。

29. 音频复用器方框图

30. （2） 音频解复用器 • 解串器（S/P）： 复用的串行音频输入信号变成并行信号 • 视频延时电路：用于匹配音频处理电路的延时。 • 存储器FIFO：为每个AES/EBU流设一个缓存器。音频缓存器溢出时，根据需要将删除一定的音频帧，直到缓存器溢出停止。音频缓存器发生下溢时，将复制一定的AES/EBU帧， 直到音频缓存恢复正常。 • 格式化电路：加入在复用器中已去掉的信息，如4比特首标、4比特附加数据和1比特奇偶校验位，恢复原32比特AES/EBU子帧数据序列。 • 变换器：把数据序列编成双相位标志（BPM）通道码。 • 串行器：延时的视频数据重新变成串行数字信号。

31. 音频解复用器

32. 五 4:2:2标准的16/9与4/3宽高比 • 在发展宽高比为16/9的数字HDTV和SDTV时，出现一种倾向——在标准扫描中用16/9宽高比制作视频素材。现有两种处理方式。

33. 1 保持相同水平分辨率的16/9和4/3 目的： 使16/9和4/3两种宽高比格式具有同样的水平分辨率。 • 16/9格式的亮度信号抽样频率需要提高到18MHZ ， • 有效行的样点数为960个。 • 每个色差信号的抽样频率提高到9MHZ ， • 有效行的样点数为480个。 • 以3.375MHZ为基本频率，亮度和色度抽样频率之比可写为：5.333：2.665：2.665。其比特并行数据率提高到36兆字/秒。 • 有些切换矩阵和录像机可以支持这种方式。

34. 52μS 52μS 两种16/9格式与4：2：2 4/3格式的比较

35. 2 保持抽样频率相同的16/9和4/3 目的： 保持16/9和4/3两格式的抽样频率相等，即保持有效行的样点数相同，其比特数据速率也相同。 • 16/9格式的水平分辨率就降低了25%。 • 两种格式的摄像机只是镜头视场角和CCD的宽度不同 • 监视器也只是扫描幅度不同。 • 用于4:2:2标准4/3格式的视频分配、切换、记录设备等都可以处理这种16/9格式信号。用4/3格式的特技设备处理16/9格式信号时会发生图像偏移。 • 这种16/9格式的亮度和色度抽样频率之比仍为4:2:2，有些文献也称它为4:2:2的16/9格式 K:\CCD宽高

36. 六 数字分量信号的合法（legal）和有效（valid）问题 1 合法的 数字分量信号的合法性由所对应的模拟信号决定。最终重现图像时仍需模拟信号。若数字分量信号变换出的模拟分量信号是有效的，即一定是合法的 模拟分量信号限定的电平范围： • 亮度信号Y和R、G、B信号0—700mVp-p， • 色差信号±350mVp-p（100%彩条）或±262.5mVp- p（75%彩条） • 如果一套模拟分量信号的三个分量电平都在规定的电平范围之内，则这套信号算是合法的。 • 但从一套合法的Y，R-Y，B-Y信号变换出R、G、B信号可能是非法的。

37. R-Y在黄色位置上叠加一个信号，但并未超过350mVp-p ，仍是合法的。

38. 2 有效的 • 但变换成R、G、B时，R信号超过了700mV，成为不合法。这套Y、B-Y和R-Y信号是无效的，所能重现出的颜色在色域图外。 • 一套合法的模拟分量信号能够编码成合法的复合信号，即是有效的分量信号。或者说一套合法的模拟分量信号最后能重现出色域图内的颜色便是有效的。 • 有效的信号都是合法的。 • 摄像机输出的R、G、B信号总是有效的。但是有些视频设备产生无效的信号，虽然它们产生的原始信号都是合法的。

39. 合法但无效的一套Y、B-Y和R-Y信号R信号超过了700mV，成为不合法合法但无效的一套Y、B-Y和R-Y信号R信号超过了700mV，成为不合法

40. 七 串行数字传输接口—SDTI1 SDTI系统 • 1998.7.SMPTE推出SDTI接口标准，称SMPTE 305M标准。 • SDTI数字信号格式和同步信息与SDI相同，将压缩的数字信号打包后作为有效数据放在有效行内。SDTI接口可传送打包的各类压缩数据流，并支持元数据，能四倍实时速度传输数据流。压缩数据不需要解压，直接通过矩阵和切换台分配传到目的地。 • 各种压缩信号本是9或8比特字的数据流，经格式化器映射为10比特字数字流，经过SDI编码，成为标准的SDI数字流。 • 通过SDI 系统后，到接收端首先进行电缆均衡，再进行SDI解码，然后经反格式化，从10比特映射为9比特或8比特数字流，恢复成打包的压缩信号 。

41. SDTI 系统框图

42. 2 SDTI的信号格式及一般规定 • 有效行内数据流是打包的数字信号。每一行都传送EAV和SAV定时信息。每行的包头数据做为辅助数据放在EAV后，所有的有效数据（USER DATA）都放在SAV和EAV之间。在包头数据和SAV之间可放置其它辅助数据 • 该标准规定10比特字组合数字流，压缩的数字信号本是8比特字，加一个奇偶校验位后成为9比特字，又加一个奇偶校验位的补码后成为10比特字。10比特字用B0 — B9表示，B9是最高位（MSB）。字时钟码率仍采用27MHz，传输的数字流码率仍为270Mbps。SDTI的信号电平和接插件都与SMPTE-259M及ITU-R BT-656所规定的相同。 • SDTI数据流完全透明地在现有数字演播室内流通。在矩阵和分配系统中不进行特技混合转换，不管数据流的内容，只利用其中的SAV和EAV同步信息，在规定的切换点正确地进行切换，不需要对数据流进行解压。

43. 一行SDTI信号的格式

44. 计算SDTI的有效数据率时必须考虑以下因素： • 1) 对625/50扫描标准，第一场的第6行及其上下相邻行和第二场的第319行及其相邻行，总共6行，不能传送有效数据，以保证切换时不损伤数据； • 2) 在行消隐期间应去掉包头数据、SAV和EAV字，总共61个字； • 3）在SDTI数据流中不传送辅助数据时，也可在包头后立即传送有效数据； • 4) 在数字有效行的1440个字中应去掉2个CRC字。 考虑以上因素计算SDTI接口传输有效数据流最高码率： 25帧/秒× 619行/帧 ×[1438 +（288-61）]字/行 ×8比特/字 ≈206 Mbps • 对270 Mbps的码率标准，SDTI接口可传输有效数据流的最大码率约为200 Mbps；对于360 Mbps的标准（16：9格式），可传输有效数据流的最大码率约为270 Mb ps 。

45. 包头的数据包结构辅助数据标志ADF 3个字， 数据数目（DC）1个字数据识别（DID） 1个字， 包头数据Header data 46个字第二数据识别SDID 1个字， 校验和（CS） 1个字

46. 包头的数据格式 • (1) 辅助数据格式 • ADF、DID、SDID、DC和CS都符合 ANSI/SMPTE 291M和 ITU-R BT.[11/12] 的规定。 • 1） 数据识别（DID） • DID中B7—B0的值为40H，B8是B7—B0的偶奇偶校验位，B9是B8的反码。H表示16进制数，以下类同。 • 2） 第二数据识别（SDID） • SDID中的B7—B0的值为01H，B8是B7—B0的偶奇偶校验位，B9是B8的反码。 • 3） 数据数目（DC） • DC中的B7—B0的值为2EH，表示包头数据中可有46个字说明头数据的含义。B8是B7—B0的偶奇偶校验位，B9是B8的反码。

47. (2) 行号（Line number）共2个字：行号0和行号1。为了校正数据的连续性，用行号表示出行的序号，1—525（525行）或1—625（625行）。编号说明与SMPTE 125M和ITU-R BT.601中的相同。L9—L0表示行号，R5—R0作为储备，并置“0”。EP1 是L7—L0的偶奇偶校验位。EP2是R5—R0、L9、L8的偶奇偶校验位。字结构

48. （3）行号CRC • 行号循环冗余校验码，共2个字：行号CRC0和行号CRC1， • 每个字都用9比特作为校验码，并初始值都置“0”。跟随每个行号都插入一个行号CRC， • 其生成方程式符合ITU-T X.25。表达式为： G（x）= x18 + x15 + x14 + 1

49. （1）编码和授权地址标志（Code and AAI）1个字 1） Code：表示净负荷字长，与AAI共用一个字 编码比特的意义如下： 比特： B3 B2 B1 B0 意义 0 0 0 0 SDI 专用 0 0 0 0 1440个字净负荷 0 0 1 0 1920个字净负荷（16：9） 2） AAI：授权地址标志， 与Code共用一个字，用B7—B4构成的16个不同状态，表示目的地和源地址字的格式。

50. （5） 目的地地址和源地址 • 表示按AAI授权接入设备的地址， • 目的地和源地址各用16个字表示 ， • 若16个字都是“0”时，即表示没有目的地和源地址的要求，为缺省状态。