数字视频信号的线缆均衡与时基重建

应用广泛的高速串行总线

不管我们愿不愿意，高速串行总线架构已经成为高性能的数字标准。与我们日常最紧密的计算机、手机、单反相机、影音娱乐等设备，串行总线标准为我们提供了许多的便利和性能优势。

在模拟年代，我们可以很简洁地用一句话概括某个接口的作用，比如“VGA”接口，我们可以说“用于显示输出的接口”。但在数字年代，好像所有接口的作用都变得很强大，它们的功能已经不是那么单一，比如“Thunderbolt”接口，比如“HDBaseT”接口，我们就很难用一句话可以完全解释清楚。

由此联想到我们这个行业，很多邻居或朋友家要购买影音设备或系统出问题，第一时间会想到要我帮忙，但这么多年，他们依然没有弄明白我到底从事什么行业，只知道跟投影机有关。随着数字技术的不断发展和融合，我想以后会越来越难解释清楚我们所从事的行业，这是大势所趋，不管我们愿不愿意。

串行总线关键目标是通过多种标准架构，在大量的产品之间实现互连互通。每种标准都由一个监管机构管理，确定设计和测试要求，表1例举出了部分主流的串行标准。

不论哪种格式和标准，不断的更新和发展目的只有三个：更高的传输速率（高带宽），更长的传输距离以及更小的延时。

高速串行总线的传输困扰

在本刊2015年07刊《PoE及网络在HDBaseT技术的应用》一文中，笔者就数字视频传输的误区和困惑做过一些基础的介绍，并就目前数字视频主流的几种传输技术进行了对比。

数字视频的集成技术明显优于模拟视频技术，这是我们的共识。由于目前几乎所有的信号源（显卡、蓝光播放机、DVD、摄像机、高清机顶盒、视频会议等）和显示终端（数字电影机、投影机、液晶显示器、LED显示屏、数字录播系统等）的内部电子结构，已经可以完全设计成全数字化的处理和传输，为此可以省略内部大量的D/A及A/D转换，在源头上数字技术已经减少了数模转换或模数转换产生的失真。

如图1：在有效距离内，数字传输可以完美地还原每个像素。

在模拟年代，我们追求信号传输的完美，避免视频质量的劣化。但在数字视频中，我们应更多观察信号本身的缺陷。数字信号虽然具备很好的稳定性，但很多信号格式在当初制订标准的时候，并不考虑工程应用，所以它们的传输距离非常有限。而且，同样的信号格式，在不同的器材上能够支持的传输距离也未必相同。比如，蓝光播放机、手提电脑、台式电脑都可以是HDMI输出，但三者的有效传输距离可能就有很大的区别，这种差异我们可以称为发射器（信号源）的信号完整性。

同一台发射器，与不同的显示器材（接收器）连接，所支持的传输距离也不一致，比如一台手提电脑，以HDMI的方式与投影机、液晶显示器等连接，能够稳定传输的距离可能也有区别，甚至跟不同品牌的发射器、接收器都存在很大的关系。这种差异我们称为接收器（显示端）的灵敏度，很遗憾的是，多数接收器都不会告诉我们它的灵敏度有多高。

保持数字视频信号的完整性

长距离传输或设备级联是数字信号产生时钟错误的主要原因，时钟错误会导致周期的变化，即信号抖动。

将重复的数字信号取样再叠加，在示波器上可以生成“眼图”（如“图2”）。每种标准都规定了怎样为眼图测量捕获数据，包括时钟恢复方法以及确定一致还是不一致的模板。除眼图测量显示外，示波器分析工具可以执行统计分析，确定模板边界和其它关键参数是否违规。

眼图的闭合度是衡量数字信号完整性的标准，眼图最低标准值称为“模块”（如图3的亮色区域），眼图张开越小，信号的精确度越差，当扭曲的信号波形侵占到“模块”区域时，这个信号会存在很多的不稳定性，甚至会导致图像的消失。

在工程应用中，线缆质量、长度是影响传输的关键环节，线缆长度将导致信号幅度衰减和频率下跌，从而使信号的上升时间和下降时间延长。随着电缆长度的增加，眼开度接近闭合，HDMI模块已经不再清晰可见，图4是一条60米的HDMI高清连接（24AWG），信号到达显示器之前，眼图已经完全闭合，基本上没有接收器可以正确恢复原始信号：

借助现代数字视频的强大技术，仍然能够通过外接均衡器正确地解码这种有缺陷的信号，因为均衡器能够恢复数据流。比如Lightware的自动线缆均衡技术，已经广泛应用在多数不同系列的产品：

·M X混合矩阵的D V I输入板卡：6 0米，1920×1080@60Hz

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

·MX8×8DVI-HDCP-Pro，MX8×8HDMI-Pro固化式矩阵：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自动线缆均衡器：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

自动线缆均衡能够有效克服长距离传输产生的信号衰减、串扰和噪音，恢复信号到一个可以正常使用的幅度范围，但并不代表均衡后的信号就已经完美无缺。

数字视频更高的速率和嵌入式时钟，意味着更容易发生抖动，劣化误码率（BER）性能。抖动包括确定性抖动和随机性抖动。为保证良好的系统互通性，发射机不能产生太多的信号抖动，接收机必须能够容错一定范围的信号抖动，同时仍能恢复时钟和解串行化数据流。而遗憾的是，这些容错范围就像接收器的灵敏度一样，我们依然无从得知。

精确像素时基重建

如前所述，我们无从得知所有接收器的灵敏度和容错能力，而且大部分接收器都希望接收一个完美的、无缺陷的数字信号。所以，仅仅通过线缆均衡技术恢复信号的幅度可能还不够，因为均衡后的信号依然存在延时差和抖动，这两个存留的事件不一定会造成接收器无法显示，但可能存在隐患。

2006年，Lightware在全球第一台DVI矩阵（MX8×8DVI-Pro）上成功应用了“精确像素时基重建”技术，发挥了超常的信号再生功能。“精确像素时基重建”技术清除了由于劣质线缆长距离传输以及电磁兼容导致的图像噪点、偏斜以及抖动等存留问题。自动消除和补偿在DVI 线缆、HDMI线缆以及双绞线中存在的对内和对间延时差。

“精确像素时基重建”技术至今已经广泛应用在Lightware的很多产品，包括矩阵、输出板卡、信号延长器以及数字视频接口，从而确保Lightware的产品可以搭建一个完美无缺的数字视频系统。

Lightware精确像素时基重建技术，通过解码视频内容的像素信息，并通过双重的PLL电路进行驱动。再生的像素信息被重新编码成完整的DVI或HDMI信号，从而确保数字传输的准确性和精确的时钟信息。