随着数字视频接口(DVI)成为计算机显示器的一种配置，人们似乎认为数字视频的概念就要普及了。当然，针对消费视频摄像机的数字视频(DV)格式已经更早就上市了，但是，对大多数人来说，它看上去就不像数字视频。为什么？因为只有我们真的与数字视频互动，或找到触手可及的感觉，或在我们的日常工作中获得所谓的清新的好处，或者过去复杂和令人心烦 的一下子变成简单了，或者所有这一切全都消失时，我们才能明白什么是真正的数字视频。
    这就是一切都数字化的现实表现。当数字化表现正常的时候，一切都非常非常好；当它出故障的时候，我们就会觉得什么都没了。只有一种办法可以描述数字化出故障时的情形：那就是“它坏了”。但是，嘲笑所面临的各种挑战并不是我们的目的。前进的道路充满了需要解决和征服的各种挑战，经验引导我们当中的每一个人沿着充满挑战的道路继续前进。
    经验告诉我们要考虑替代的方案，即研究其它成功的解决方案来应对这个技术挑战。现在就谈这个问题。大约十年多年的时间里，电视行业一直采用高清串行数字接口或称HD-SDI来推动在电视制作的环境中从点A到点B的全带宽、无压缩的HD视频传输。更低成本的HD摄像机和视频制作设备把HD-SDI引入前沿，作为一种需要掌握和开发的基本接口。SMPTE1串行数字标准除了用于电视传送RGB图形，最近，还被人们看成是一种与HD-SDI竞争的技术。早在数字接口如DVI诞生之前，HD-SDI就已经作为一种开放、稳定的千兆位以上传输方案而广为采用。
 
图1：HD-SDI信号源的波形
    为什么把HD-SDI与DVI比较？由于DVI具有更多的压缩和宽广的应用，在开始着手之前建立一个参考点就是至关重要的。利用三根数据线和一根时钟线，可以在DVI上传输RGB 8比特图像数据(通过10比特符号)。那4条并行差分线对不包括显示通信和控制。在最大分辩率时，三对视频数据对中的每一对都工作在1.65Gbps。乘以3，则支持RGB的DVI比特率为4.95Gbps。时钟速率的变化范围是25-165MHz，具体数值取决于所希望的分辨率。所以，DVI具有相当大的速率灵活性，但是，对于利用多条数据线对的传输和接口控制要求来说，这是一个挑战。
    HD-SDI馈线在一条低损耗RG6型视频级同轴电缆的工作速率为1.485Gbps。在Y、U、V域的高清视频的传输速率为每符号10比特。那就是分量视频的另一个名称，它提供无损耗压缩级的品质。所有数字电视信号，包括隔行扫描每秒30帧，速率高达1920×1080的高清信号，都可以通过HD-SDI成功地传输。分量格式容许传输HD，因为亮度(Y信道)仅仅是全带宽信道。U和V信道代表以一半带宽传输的色度信号，这种做法基于我们对人类视觉系统理解的可接受的折衷。在HD-SDI上可以容纳各种类型的数据，只要它以HD-SDI的固定时钟速率打包。但是，正如你将看到的， HD-SDI具备的升级版本能够传输全带宽、10比特RGB和导入alpha信道。什么是alpha信道呢？请读下文。
 
图2：在传输终端的HD-SDI信号衰减波形。
    HD-SDI探秘
    为了能在一个电视频道中传送信号，最终要采用MPEG-2来压缩ATSC标准清晰度和高清视频信号，以便使之适合于一个电视信道的带宽限制。在创作点，HD视频经过解压在制作环境中以1.485 Gbps的速率通过HD-SDI传送。在压缩之后，高清视频数据率陡降至19.4Mbps(大约77:1的压缩比)。作为经过压缩的视频数据传输方式，HD-SDI可以传输三倍标准清晰度SDI信号的有效载荷数据，或大约50路MPEG-2压缩HD信号，或多达250条压缩的标清晰信号。
    图1所示为在源端捕获的HD-SDI视频信号的波形图。比特跳变的数量造成一种幻觉，好像信号正跨过零轴，从而在每一个比特的位置形成一个“眼图”。“眼”指的是每一个比特单元跳变之间以及最大和最小电平之间的开口。在这个波形图中，眼图描绘了一幅清晰、开放和很强的源信号。正常的信号电平是0.800V峰-峰值。上升和下降时间通常为270ps。眼图质量是测评能够成功地进行数据传输的一种方法。
    因为信号是在同轴电缆中传播，因而传送的时间会延长，正如模拟信号所表现的那样。慢变的信号和电缆衰减会造成幅度衰减，从而导致眼图闭合。如图2所示，这种情况对恢复时钟信号和数据跳变的接收机设计来说是一个挑战。如果幅度和上升/下降时间下跌到接收机不足以均衡频率响应和识别跳变的时候，系统就会失去同步，其结果就是著名的“陡壁效应”。
    HD-SDI采用的信号编码方法称为不归零制编码(NRZI, Non-Return to Zero Inverted)。NRZI编码方法便于从实际数据传输中恢复时钟信号。NRZI还把信号上的直流成分最小化。由于这种编码方案的结构所致，比特率等效于以MHz计算的频率成分。换言之，1.485Gbps等于1.485 GHz。

图3：在一条水平电视时间线上的HD-SDI数据的结构。
    数字信号处理与模拟信号处理的不同之处在于，数字信号处理不需要为信号同步脉冲安排专门的等效时间。数字传输利用同步、针对同步的空闲时间以及一大群其它信号。为了同步一个数字电视信号，接收机仅仅需要识别单一的代码字，这些字表示有源视频信号的结尾和在下一时间线上的有源视频信号开始的另一个代码字。EAV和SAV代码执行这种功能。对于其它信息，如控制、定时和音频信息，要利用对空闲时间间隔的平衡。
    在水平线期间的数据组织结构如图3所示，SMPTE 274M为高清数字视频定义了若干分辨率。在一条线期间的采样是10比特宽。在有源视频期间，可能有1280字(对于1280×720格式)或1920字(对于1920×1080格式)。根据在SMPTE 274M内所采用的特定格式，每一条水平线时间对应的总字数的范围是1650到2750字。对于常见的1920×1080格式，总的字数为2200。在消隐间隔期间传输的数据由分别代表有源视频的末端、线数、循环冗余码、有源视频的开始端的EAV、LN、CRC和SAV来限制。
    除了工作速率之外，SDI和HD-SDI的物理拓扑本质上是相同的。如图4所示为发射机和接收机系统的基本模块。发射机接收一串并行的4:2:2数字分量数据流，由寄存器把数据聚集为串行的数据流，这个串行数据由10倍于原始速率的时钟输入到移位寄存器中，以搬移每个采样10比特数据。原始的并行速率采样时钟由一个锁相环振荡器系统相乘，从而获得10倍的时钟速率。由上一个模块提供的NRZI编码组合、每个采样的10比特和数据加扰有助于最小化在信号上的直流成分。已加扰的数据模式由预先确定的方程来支配，并在接收机中复制以达到成功的解扰。
 
图4：SDI/HD-SDI传输系统框图。
    串行数字信号通过低损耗的同轴电缆传输到接收机，由它执行与发送过程相反的操作。NRZI数据编码便于从数据流内直接恢复时钟信号。接收器的关键单元是其增益结构相结合的电缆均衡器。电缆均衡器通过自身的调节解决电缆中存在的损耗问题并调节增益，以便接收机能够通过分段检测数据电平的变化来找到数据电平的跳变点。数据中存在的抖动会极大地影响对边沿跳变的检测，表现在某一点出现的跳变，实际检测出来可能出现在另外一点。解决这种时序移动的能力就是接收机的锁相环(PLL)的一种功能。PLL跟踪信号跳变的变化，如果这种跟踪变得不可能时，就会发生不同步，那么，HD-SDI解码就会失败。HD-SDI信号传输最终受三个因素限制：信号衰减、接收机灵敏度和信号抖动。
    接收机依靠其处理拓扑增强其噪声抑制能力。从内部来看，接收机输入类似于差分放大器。信号首先被反相并当成平衡信号被处理。把反相信号用做处理容许接收机从正常的信号跳变中识别噪声。执行正确的叠加功能就可以消除输入的大部分噪声。
    布线和损耗 
    通过低衰减的数字视频级RG-6类同轴电缆，HD-SDI的标称最大传输距离大约为100米。然而，同轴电缆并不是唯一可用的传输线。根据系统的配置情况，串行数字视频可以通过光缆传输无限远的距离。如果接收机感觉到信号的抖动成分，那就意味着接收机识别和重构比特跳变的能力被削弱，这一点就是最远的传输距离点。
 
表1：针对Extron公司同轴电缆产品预先计算好的电缆铺设长度。
    在SMPTE 292M 规范中，在半时钟速率或大约743MHz时，HD-SDI接收机的工作范围至少是-20 dB。因此，标准的0.8V峰-峰电平的数字传输可能被衰减到低达0.08V或80mV,系统还可以可靠地运行。非常高级的接收机可能接收的电平低达-30dB或70mV的HD-SDI信号。
    为了进行电缆的损耗计算，设计师应该计算在电缆损耗指标图中743MHz处或非常接近该频点的的衰减dB数。根据图中所示的列，电缆损耗的计算以100英尺或100米长度为基准。把电缆的长度除以100，然后乘以dB数，就得到对应于该距离达到的总的衰减dB数。如表1所示，其中包含针对Extron公司的同轴电缆产品的预先计算好的电缆铺设长度。SMPTE推荐设计师采用比计算好的电缆长度少大约10%的电缆，以便构建一个系统更可靠地工作安全的裕量。表1所列长度已经包含了10%的安全裕量。
    HD-SDI和附件
    SMPTE 292M定义了HD-SDI，并以SMPTE 259M的构造为基础，SMPTE 259M定义了标清串行数字信号。SMPTE 274M定义了HD视频格式的所有时序和数字视频数据描述的方方面面。此外，它还描述了图像结构、比色法、光栅结构、数字表达、时序参考、模拟同步和模拟接口等方面的问题。 
    SMPTE 348M描述了称为高清晰串行传输接口(HD-SDTI)的变化。HD-SDTI是一种协议，该协议说明了为什么用HD-SDI构造传输的是数据而不是视频/音频，同时还说明了HD-SDI所采用的一部分硬件。这种传输接口类似于一列货运列车牵引着一组适合于搬运各种货物而不限于特定货物的列车。最初的车厢满足这种要求，利用HD-SDTI，类似的方法容许设计师把任意类型的数据加载到协议上，只要它能满足协议的基本范围。利用HD-SDTI进行数据而不是高清晰视频传输，需要针对数据加载和恢复的合适的定制格式化和去格式化。
    SMPTE 372M把针对全带宽传输的高清串行数字接口进行了标准化，即4:4:4:4采样。工作在双速率(两倍于1.485 Gbps速率)意味着可能传输两倍的信息。在接近3 Gbps速率，可以传输分量视频而不对色度信息采样速率进行带宽限制处理。在采样结构中的第四个“4”代表包含“alpha”信道及视频数据的能力。
    Alpha信道描述一个数据集，它能够在图像数据上提供专门的控制，如图像掩模。例如，利用在视频源产生的Alpha信道掩模，可以在目的地消除或替换图像的背景。针对需要维护或从视觉中丢弃的信息，Alpha信道提供了确定各种边界所需要的详细信息。

图5：跟踪抖动有助于帮助控制数字信号的传播。
    双速率HD-SDI的另外一个功能是在电视领域支持全RGB格式。SMPTE 372M支持很多种分量格式，但只是一种向着宽带数字家庭影院录制和支持的前进跳板。双速率HD-SDI的多种信号源可以被组合起来，从而逐步提高图像分辨率。电缆长度和数据斜率的管理会成为一个重要的问题。
    针对更长距离的时钟再生   
    另外一个通常讨论和详细说明的术语是“时钟再生”。时钟再生是恢复信号并输出整形信号，尽可能逼真地原始信号的过程。时钟再生还把信号恢复到标准电平，并努力把抖动减低到最小。这种处理通常被用于延长信号的传送距离。由矩阵路由器处理的视频源通常要做时钟再生。不同类型的设备之间所采用的时钟再生方法并不都是一样的。
    时钟再生通常利用宽带锁像环(PLL)系统在接收机的输入级进行。当接收机“找”信号的跳变边沿时，宽带PLL能够比较好地跟踪输入信号的抖动。如图5所示，跟踪抖动有助于控制其传播。然而，接收机本身也包含某种对信号的抖动，这是不可避免的。因为接收机不能预测什么时候会出现跳变，其固有的延迟赋予与其响应时间相关的抖动。对响应时间有严格控制的接收机叠加到信号的抖动较小。
    音频问题解决了吗？
    如果不解决音频问题，整个讨论就是不完整的。尽管视频占据了带宽的绝大部分，音频却是数据包中的一个重要组成部分。在HD-SDI内可嵌入若干音频格式。SMPTE 292M为24比特AES数字音频及AES3数字音频转换成32-48KHz范围提供了映射。首先的音频数据率是48KHz，因为它便于跟视频速率同步。HD-SDI支持2到16个音频通道。通常情况下，在消隐周期，音频数据包被复用到色度信号的辅助数据空间之中。然而，它也可能被复用到视频ANC(副)空间之中。
    最终的均衡
    与其它数字传输接口相比，从高数据率处理性能的稳定性和可靠性来看，HD-SDI在同轴电缆上能够传输几百英尺的距离。采用光纤传输技术，传输距离实质上是无限的，这更多地取决于成本而不是技术问题。基于HD-SDI的系统可以被定制为处理许多数据。定制实现需要一种合适的数据格式程序/去格式程序的组合。
    想过利用UTP电缆传送信号吗？标准的网络可用简单的UTP电缆把信号传送到不可思议的100米。但HD-SDI并非万能。只有考虑更全面，它才能提供简便、可靠和高性能的音视频数据传输。
    SMPTE是活动图像和电视工程师协会的缩写