基于Semtech GS12241 GS12281的4通道12G UHD-SDI分配器方案

“核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)/方案詳細(xì)規(guī)格/產(chǎn)品實(shí)體圖/PCB/方塊圖Datasheet/測(cè)試報(bào)告/Gerber/Schematics/User manual +一鍵獲取”

SDI的傳輸技術(shù), 從原本傳輸480i/60f的SD-SDI, 一直進(jìn)步到現(xiàn)在, 使用相同的75 Ohm同軸電纜, 最高能傳輸4K/60f 4:2:2即時(shí)非壓縮影音的12G UHD-SDI, 搭配Belden 1694A的同軸電纜, 可以傳輸80M的距離, 保持著SDI傳輸技術(shù)能傳輸長(zhǎng)距離的特性.

此方案為使用Semtech在12G UHD-SDI應(yīng)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, 其實(shí)可以簡(jiǎn)單的變化出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將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?yàn)橥ǔDI的訊號(hào)來源只會(huì)有一個(gè)輸出, 但有幾個(gè)不同的SDI TV或SDI monitor會(huì)需要同時(shí)查看這一個(gè)訊號(hào)源時(shí), 就會(huì)需要SDI分配器, 舉個(gè)例子, 在演唱會(huì)時(shí), 總會(huì)有幾個(gè)電視墻或大型看板需要同時(shí)顯示歌手的表演, 因?yàn)檠莩獣?huì)的場(chǎng)地太大, 坐在比較遠(yuǎn)的位置看舞臺(tái)根本就像在看螞蟻一樣, 所以就會(huì)需要大型電視墻來顯示, 但如果電視墻的畫面跟實(shí)際歌手的動(dòng)作有明顯的延遲, 跟現(xiàn)場(chǎng)聲音就會(huì)對(duì)不起來, 這樣看起來也很不舒服吧, 所以能傳輸高畫質(zhì)即時(shí)非壓縮的SDI界面就很適合這樣的應(yīng)用, 利用12G UHD-SDI分配器便能讓畫面以低延遲的方式, 讓不同的幾個(gè)電視墻或大型看板同時(shí)顯示.

Equalizer, Re-clocker(Re-timer)及Cable Driver在SDI 應(yīng)用里, 其實(shí)占了很大的比例, 因?yàn)檫@些功能都是讓SDI訊號(hào)傳輸距離可以拉遠(yuǎn)的功臣, 因?yàn)镾DI是高速串列的數(shù)位訊號(hào), 采用NRZI的編碼方式, 所以在傳輸訊號(hào)時(shí)只有0跟1的變化, 但因?yàn)榻?jīng)過長(zhǎng)距離的傳輸過后, 高頻的訊號(hào)會(huì)因?yàn)榫嚯x而比低頻訊號(hào)更快衰減, 同時(shí)也會(huì)受到反射的干擾, 造成原本的高速串列數(shù)位訊號(hào)變差, 可以參考下圖最左邊的示意圖, EQ(Equalizer)的主要功能, 就是將這雜亂的訊號(hào), 還原成能判斷為0或1的數(shù)位訊號(hào), 也就是把眼圖給打開來, 如下圖左二的示意圖, 但這個(gè)訊號(hào)能正確判斷為0或1的區(qū)域很窄, 取樣點(diǎn)只要有一些偏差, 就會(huì)取錯(cuò)值, 而在能正確判斷為0或1的區(qū)域之外的部分, 就是所謂的jitter抖動(dòng), 為了將這些jitter抖動(dòng)濾除, 就會(huì)需要使用Re-clocker(Re-timer), 對(duì)訊號(hào)重新整理以產(chǎn)生很低jitter抖動(dòng)的高速串列數(shù)位訊號(hào), 如下圖右二的示意圖, 最后因?yàn)镾MPTE在SDI訊號(hào)的輸出是有規(guī)定rising time, falling time, overshoot, undershoot及振幅需為800mVpp, 所以Cable Driver就是使用De-Emphasis或Pre-Emphasis技術(shù), 讓SDI的輸出可以符合SMPTE的規(guī)范, 可以參考下圖最右邊的示意圖, 以上就是簡(jiǎn)單的介紹Equalizer, Re-clocker(Re-timer)及Cable Driver在SDI 應(yīng)用里的功能.

從GS12241的功能方塊圖可以知道, GS12241有Adaptive Cable EQ(Equalizer), 因?yàn)镾DI經(jīng)過cable長(zhǎng)距離傳輸后, 造成訊號(hào)衰減或反射所導(dǎo)致數(shù)位串列訊號(hào)的眼圖無法張開, GS12241有Adaptive Cable EQ可以補(bǔ)償訊號(hào), 讓眼圖能夠打開, 在經(jīng)過Re-clocker后, 重新對(duì)訊號(hào)做取樣以將Jitter經(jīng)過濾除, Re-clocker后會(huì)同時(shí)輸出到到兩個(gè)Trace Driver, 也就是說GS12241可以同時(shí)輸出兩個(gè)相同的訊號(hào), 如果是推動(dòng)兩顆GS12281 12G UHD-SDI Re-clocker Cable Driver, 這樣可以將12G UHD-SDI輸出組數(shù)做最大化, 最多能做到到8通道12G UHD-SDI分配器.

GS12241功能方塊圖:

從GS12281的功能方塊圖中可以看到輸入端為Trace Equalizer, 這個(gè)Trace Equalizer跟GS12241的Adaptive Cable Equalizer有什么差異呢? 主要是Trace Equalizer只能補(bǔ)償經(jīng)過PCB板走線所造成的衰減, 無法補(bǔ)償經(jīng)過長(zhǎng)距離Cable所造成的衰減, 兩者的補(bǔ)償能力是有所差異的, 因?yàn)?2G UHD-SDI這種高速訊號(hào)在PCB板上的走線所造成的衰減比以往3G-SDI所造成的衰減還大, 因此在12G的Equalizer或Cable Driver產(chǎn)品上都盡量加上Reclocker, 對(duì)訊號(hào)重新取樣以濾除jitter抖動(dòng), 這樣輸出訊號(hào)的品質(zhì)才會(huì)比較好, 而經(jīng)過Reclocker后, GS12281一樣會(huì)推動(dòng)兩組Cable Driver, 這個(gè)Cable Driver跟GS12241的Trace Driver又有什么不同呢, 聰明的你應(yīng)該可以舉一反三的推論出, Trace Driver只能驅(qū)動(dòng)PCB板走線, 這個(gè)PCB板走線是使用100 Ohm的差動(dòng)訊號(hào), 而Cable Driver則是可以驅(qū)動(dòng)75 Ohm的單端訊號(hào).

GS12281功能方塊圖:

看完前面這些有點(diǎn)冗長(zhǎng)的各別介紹后, 緊接著看到的就是我們這次方案的主角GS12241/GS12281 EVB, U23是GS12241, U20是GS12281, 因?yàn)镚12241跟雙輸入的GS12142是pin to pin的, 且GS12281跟雙輸入的GS12182也是pin to pin的, 所以在這個(gè)EVB上就同時(shí)可以使用GS12241 + GS12281或是GS12142 + GS12182兩種版本, 使用GS12142 + GS12182是可以搭配12G UHD-SDI的SFP+光纖模組, 做到12G UHD-SDI電訊號(hào)及光訊號(hào)雙輸入輸出功能, 但這次介紹的方案主要是以電訊號(hào)的4通道12G UHD-SDI分配器為主, 所以不會(huì)用到GS12142及GS12182.

GS12241/GS12281 EVB:

從GS12241/GS12281 EVB的系統(tǒng)方塊圖中可以看到, 在這個(gè)EVB中, GS12241的輸入為75 Ohm BNC J1, GS12241的輸出為兩個(gè)50 Ohm SMA J6及J12, 此為100 Ohm差動(dòng)訊號(hào)輸出, 而GS12281的輸入為兩個(gè)50 Ohm SMA J3及J4, 此為100 Ohm差動(dòng)訊號(hào)輸入, GS12281的輸出為75 Ohm BNC J5, 在EVB的系統(tǒng)方塊圖中的紅線及綠線部分則是GS12142 + GS12182才會(huì)支援的功能, 使用GS12241 + GS12281并不會(huì)用到.

若紅線及綠線部分拿掉, 這樣GS12241跟GS12281兩顆根本就是兩顆完全獨(dú)立的IC, 八竿子打不著, 其實(shí)EVB這樣的設(shè)計(jì)是有好處的, 像是使用FPGA來設(shè)計(jì)SDI界面, 在還沒將12G EQ/CD做成測(cè)試板前, 就可以使用兩條50 Ohm SMA Cable來連接此EVB及FPGA EVB, 這樣就可以很快的做初期驗(yàn)證, 不必等測(cè)試板都完成后才能進(jìn)行功能設(shè)計(jì)及驗(yàn)證, 若是要驗(yàn)證GS12241 + GS12281的輸出品質(zhì), 也可以用兩條50 Ohm SMA Cable來連接GS12241的輸出及GS12281的輸入, 直接測(cè)試GS12281的12G UHD-SDI輸出品質(zhì).

GS12241/GS12281 EVB的系統(tǒng)方塊圖:

使用EVB可以做到的功能, 就是12G UHD-SDI repeater的功能, 因?yàn)槟壳癊VB上的GS12281只有用到一個(gè)SDI輸出的其中一個(gè)單端輸出, 基本上GS12281有兩組SDI輸出, 而每一組的輸出都可以設(shè)計(jì)成兩個(gè)單端輸出, 這要?dú)w功于SDI的NRZI編碼格式, 因?yàn)镚S12281的任一組SDI輸出, 基本上是一對(duì)有P/N極性的差動(dòng)訊號(hào), 但因?yàn)镹RZI的編碼格式, 使得這一對(duì)有P/N極性的差動(dòng)訊號(hào)可以獨(dú)立的當(dāng)兩個(gè)單端輸出, 這樣兩組SDI輸出有各兩個(gè)單端輸出的總和, 就是有四個(gè)單端輸出, 因此GS12241 + GS12281最多就以做到4通道的12G UHD-SDI分配器, 您可以參考下面的方案方塊圖.

在4通道12G UHD-SDI分配器實(shí)際應(yīng)用部分, 已經(jīng)有幾個(gè)客戶做成了成品, 12G UHD-SDI的訊號(hào)已經(jīng)是非常高速的訊號(hào), 但還是可以使用FR4 PCB板材, BNC到GS12241及GS12281到BNC的這些SDI single-end trace, trace長(zhǎng)度越短越好, 也就是IC不要離BNC太遠(yuǎn), 基本上需要注意PCB板的疊構(gòu)以確認(rèn)75 Ohm的SDI trace阻抗是否有做好匹配, 且SDI trace的寬度最好在10 ~ 12 mil, 因?yàn)樵赟DI的應(yīng)用在input/output return loss部分需要符合SMPTE規(guī)范, 而SDI trace的寬度太細(xì)是會(huì)比較難通過規(guī)范的, 在GS12241到GS12281的differential pair部分, 是用100 Ohm的阻抗匹配, 這一段訊號(hào)相對(duì)是比較抗雜訊干擾的.

基本上使用GS12241 + GS12281在4通道12G UHD-SDI分配器的應(yīng)用上, 是可以完全不用去調(diào)整IC內(nèi)部的暫存器, 完全使用預(yù)設(shè)值即可正常動(dòng)作, 但還是建議保留MCU透過GSPI界面, 因?yàn)椴煌腜CB layout在特性上還是會(huì)有些許不同, 保留MCU及GSPI控制界面可以增加一些彈性; PCB layout的好壞是最直接影響實(shí)際performance的關(guān)鍵, 單純只是跟隨電路的連線, 將GS12241及GS12281的PIN腳及周邊元件連接起來, 是無法得到最佳performance的, 您需要特別注意power pin及ground pin的連接, 以及周邊元件的擺放, 可以參考下圖, 在主要的電源部分, 最好加粗trace的寛度, 并增加至2個(gè)VIA給power及ground, 以增加連結(jié)的性能, 且ground pin不要連接到中心的ground PAD.

在12G 高速訊號(hào)的trace上, 不論是75 Ohm與BNC連接的單端訊號(hào), 通常會(huì)有AC coupling電容, 而在這些電容的下方, 則需要加入Anti-PAD來降低寄生電容所造成的損失, 這個(gè)Anti-PAD最簡(jiǎn)單的做法, 就是在PCBA的內(nèi)層, 挖開一個(gè)跟AC coupling電容相同大小的keep out, 在所有內(nèi)層都需要擺放, 主要是讓SDI trace上的AC coupling電容的參考層, 從第二層改到底層, 利用這個(gè)方法來降低寄生電容所造成的損失.

PCBA設(shè)計(jì)完成后, 只要確認(rèn)功能都正常后, 可以透過我們, 請(qǐng)Semtech幫忙量測(cè)實(shí)際測(cè)試的performance, 因?yàn)檫@些量測(cè)設(shè)備的價(jià)格都非常貴, 使用Omnitek Ultra 4K Analyzer的量測(cè)設(shè)備, 可以當(dāng)12G UHD-SDI的訊號(hào)源, 同時(shí)也能做12G UHD-SDI的輸出訊號(hào)品質(zhì)分析, 下圖為實(shí)際量測(cè)的輸出結(jié)果, 可以測(cè)試各個(gè)SDI輸出訊號(hào)的眼圖狀態(tài), jitter抖動(dòng)的大小, 及監(jiān)測(cè)輸出畫面是否有異常; 另外在輸入的部分, 會(huì)測(cè)試經(jīng)過多長(zhǎng)距離的Belden 1694A cable后, 還能正確的將12G UHD-SDI訊號(hào)收下來, 這樣就能知道設(shè)計(jì)出來的PCBA跟datasheet上使用EVB所測(cè)試出來的極限能力是否接近.

另外會(huì)提供input/output的return loss量測(cè)結(jié)果, 看是否能符合SMPTE的規(guī)范.

最后還可以量測(cè)12G UHD-SDI input及output的TDR量測(cè)結(jié)果, 透過量測(cè)出來的阻抗變化, 可以大致知道BNC connector的品質(zhì)好壞, 以及在PCB layout及PCB疊構(gòu)上, 是否有做好75 Ohm SDI trace的阻抗匹配, 從以上測(cè)試的結(jié)果就可以知道所設(shè)計(jì)出成品的品質(zhì)好壞, 是否有需要做進(jìn)一步的修改.

核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

使用Semtech GS12241+GS12281所設(shè)計(jì)出的4通道12G UHD-SDI分配器, 可以滿足最高同時(shí)輸出4組4K/60f高畫質(zhì)的影像, 且影像傳輸?shù)难舆t是遠(yuǎn)低于肉眼所能察覺的, 所以非常適合在演唱會(huì)舞臺(tái)顯示這種需要即時(shí)非壓縮影像的應(yīng)用, 因?yàn)镚S12241及GS12281都有內(nèi)建Re-clocker, 能將輸入端累積的jitter抖動(dòng)濾除, 使得GS12281的4個(gè)輸出都能符合SMPTE規(guī)范, 另外只要是使用Semtech產(chǎn)品, 我們都可以幫忙確認(rèn)電路圖及PCB設(shè)計(jì)是否需要修改, 在PCB板完成測(cè)試后, 還可以透過我們, 請(qǐng)Semtech協(xié)助量測(cè)并提供相關(guān)量測(cè)報(bào)告.

方案規(guī)格

? 輸入: 1個(gè)SDI 75Ohm BNC接頭

? 輸出: 4個(gè)SDI 75Ohm BNC接頭

? 支持SD-SDI, HD-SDI, 3G-SDI, 6G UHD-SDI, 12G UHD-SDI

? 符合SMPTE 424M, SMPTE 292M, SMPTE 344M, SMPTE 259M, ST-2081, ST-2082

? 支持12G UHD-SDI 80M Belden 1694A Coax Cable傳輸

? 支持6G UHD-SDI 100M Belden 1694A Coax Cable傳輸

? 支持3G-SDI 190M Belden 1694A Coax Cable傳輸

? 支持HD-SDI 260M Belden 1694A Coax Cable傳輸

? 支持SD-SDI 450M Belden 1694A Coax Cable傳輸

? GS12241/GS12281工作溫度達(dá)-40 ~ 85度 

方案來源于大大通。