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

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

此方案為使用Semtech在12G UHD-SDI應用所推出的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, 其實可以簡單的變化出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. 

什麼是SDI分配器呢? 因為通常SDI的訊號來源只會有一個輸出, 但有幾個不同的SDI TV或SDI monitor會需要同時查看這一個訊號源時, 就會需要SDI分配器, 舉個例子, 在演唱會時, 總會有幾個電視牆或大型看板需要同時顯示歌手的表演, 因為演唱會的場地太大, 坐在比較遠的位置看舞台根本就像在看螞蟻一樣, 所以就會需要大型電視牆來顯示, 但如果電視牆的畫面跟實際歌手的動作有明顯的延遲, 跟現場聲音就會對不起來, 這樣看起來也很不舒服吧, 所以能傳輸高畫質即時非壓縮的SDI介面就很適合這樣的應用, 利用12G UHD-SDI分配器便能讓畫面以低延遲的方式, 讓不同的幾個電視牆或大型看板同時顯示.

Equalizer, Re-clocker(Re-timer)及Cable Driver在SDI 應用裡, 其實佔了很大的比例, 因為這些功能都是讓SDI訊號傳輸距離可以拉遠的功臣, 因為SDI是高速串列的數位訊號, 採用NRZI的編碼方式, 所以在傳輸訊號時只有0跟1的變化, 但因為經過長距離的傳輸過後, 高頻的訊號會因為距離而比低頻訊號更快衰減, 同時也會受到反射的干擾, 造成原本的高速串列數位訊號變差, 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, 還原成能判斷為0或1的數位訊號, 也就是把眼圖給打開來, 如下圖左二的示意圖, 但這個訊號能正確判斷為0或1的區域很窄, 取樣點只要有一些偏差, 就會取錯值, 而在能正確判斷為0或1的區域之外的部份, 就是所謂的jitter抖動, 為了將這些jitter抖動濾除, 就會需要使用Re-clocker(Re-timer), 對訊號重新整理以產生很低jitter抖動的高速串列數位訊號, 如下圖右二的示意圖, 最後因為SMPTE在SDI訊號的輸出是有規定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, 讓SDI的輸出可以符合SMPTE的規範, 可以參考下圖最右邊的示意圖, 以上就是簡單的介紹Equalizer, Re-clocker(Re-timer)及Cable Driver在SDI 應用裡的功能.




從GS12241的功能方塊圖可以知道, GS12241有Adaptive Cable EQ(Equalizer), 因為SDI經過cable長距離傳輸後, 造成訊號衰減或反射所導致數位串列訊號的眼圖無法張開, GS12241有Adaptive Cable EQ可以補償訊號, 讓眼圖能夠打開, 在經過Re-clocker後, 重新對訊號做取樣以將Jitter經過濾除, Re-clocker後會同時輸出到到兩個Trace Driver, 也就是說GS12241可以同時輸出兩個相同的訊號, 如果是推動兩顆GS12281 12G UHD-SDI Re-clocker Cable Driver, 這樣可以將12G UHD-SDI輸出組數做最大化, 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Trace Equalizer跟GS12241的Adaptive Cable Equalizer有什麼差異呢? 主要是Trace Equalizer只能補償經過PCB板走線所造成的衰減, 無法補償經過長距離Cable所造成的衰減, 兩者的補償能力是有所差異的, 因為12G UHD-SDI這種高速訊號在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產品上都儘量加上Reclocker, 對訊號重新取樣以濾除jitter抖動, 這樣輸出訊號的品質才會比較好, 而經過Reclocker後, GS12281一樣會推動兩組Cable Driver, 這個Cable Driver跟GS12241的Trace Driver又有什麼不同呢, 聰明的你應該可以舉一反三的推論出, Trace Driver只能驅動PCB板走線, 這個PCB板走線是使用100 Ohm的差動訊號, 而Cable Driver則是可以驅動75 Ohm的單端訊號.

 GS12281功能方塊圖:

看完前面這些有點冗長的各別介紹後, 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, 因為G12241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EVB上就同時可以使用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電訊號及光訊號雙輸入輸出功能, 但這次介紹的方案主要是以電訊號的4通道12G UHD-SDI分配器為主, 所以不會用到GS12142及GS12182.

GS12241/GS12281 EVB:

從GS12241/GS12281 EVB的系統方塊圖中可以看到, 在這個EVB中, GS12241的輸入為75 Ohm BNC J1, GS12241的輸出為兩個50 Ohm SMA J6及J12, 此為100 Ohm差動訊號輸出, 而GS12281的輸入為兩個50 Ohm SMA J3及J4, 此為100 Ohm差動訊號輸入, GS12281的輸出為75 Ohm BNC J5, 在EVB的系統方塊圖中的紅線及綠線部份則是GS12142 + GS12182才會支援的功能, 使用GS12241 + GS12281並不會用到.

 

若紅線及綠線部份拿掉, 這樣GS12241跟GS12281兩顆根本就是兩顆完全獨立的IC, 八竿子打不著, 其實EVB這樣的設計是有好處的, 像是使用FPGA來設計SDI介面, 在還沒將12G EQ/CD做成測試板前, 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證, 不必等測試板都完成後才能進行功能設計及驗證, 若是要驗證GS12241 + GS12281的輸出品質, 也可以用兩條50 Ohm SMA Cable來連接GS12241的輸出及GS12281的輸入, 直接測試GS12281的12G UHD-SDI輸出品質.

 

GS12241/GS12281 EVB的系統方塊圖:

使用EVB可以做到的功能, 就是12G UHD-SDI repeater的功能, 因為目前EVB上的GS12281只有用到一個SDI輸出的其中一個單端輸出, 基本上GS12281有兩組SDI輸出, 而每一組的輸出都可以設計成兩個單端輸出, 這要歸功於SDI的NRZI編碼格式, 因為GS12281的任一組SDI輸出, 基本上是一對有P/N極性的差動訊號, 但因為NRZI的編碼格式, 使得這一對有P/N極性的差動訊號可以獨立的當兩個單端輸出, 這樣兩組SDI輸出有各兩個單端輸出的總和, 就是有四個單端輸出, 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分配器實際應用部份, 已經有幾個客戶做成了成品, 12G UHD-SDI的訊號已經是非常高速的訊號, 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長度越短越好, 也就是IC不要離BNC太遠, 基本上需要注意PCB板的疊構以確認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, 因為在SDI的應用在input/output return loss部份需要符合SMPTE規範, 而SDI trace的寬度太細是會比較難通過規範的, 在GS12241到GS12281的differential pair部份, 是用100 Ohm的阻抗匹配, 這一段訊號相對是比較抗雜訊干擾的. 

基本上使用GS12241 + GS12281在4通道12G UHD-SDI分配器的應用上, 是可以完全不用去調整IC內部的暫存器, 完全使用預設值即可正常動作, 但還是建議保留MCU透過GSPI介面, 因為不同的PCB layout在特性上還是會有些許不同, 保留MCU及GSPI控制介面可以增加一些彈性; PCB layout的好壞是最直接影響實際performance的關鍵, 單純只是跟隨電路的連線, 將GS12241及GS12281的PIN腳及週邊元件連接起來, 是無法得到最佳performance的, 您需要特別注意power pin及ground pin的連接, 以及週邊元件的擺放, 可以參考下圖, 在主要的電源部份, 最好加粗trace的寛度, 並增加至2個VIA給power及ground, 以增加連結的性能, 且ground pin不要連接到中心的ground PAD.





在12G 高速訊號的trace上, 不論是75 Ohm與BNC連接的單端訊號, 通常會有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Anti-PAD最簡單的做法, 就是在PCBA的內層, 挖開一個跟AC coupling電容相同大小的keep out, 在所有內層都需要擺放, 主要是讓SDI trace上的AC coupling電容的參考層, 從第二層改到底層, 利用這個方法來降低寄生電容所造成的損失.


PCBA設計完成後, 只要確認功能都正常後, 可以透過我們, 請Semtech幫忙量測實際測試的performance, 因為這些量測設備的價格都非常貴, 使用Omnitek Ultra 4K Analyzer的量測設備, 可以當12G UHD-SDI的訊號源, 同時也能做12G UHD-SDI的輸出訊號品質分析, 下圖為實際量測的輸出結果, 可以測試各個SDI輸出訊號的眼圖狀態, jitter抖動的大小, 及監測輸出畫面是否有異常; 另外在輸入的部份, 會測試經過多長距離的Belden 1694A cable後, 還能正確的將12G UHD-SDI訊號收下來, 這樣就能知道設計出來的PCBA跟datasheet上使用EVB所測試出來的極限能力是否接近.

另外會提供input/output的return loss量測結果, 看是否能符合SMPTE的規範.

最後還可以量測12G UHD-SDI input及output的TDR量測結果, 透過量測出來的阻抗變化, 可以大致知道BNC connector的品質好壞, 以及在PCB layout及PCB疊構上, 是否有做好75 Ohm SDI trace的阻抗匹配, 從以上測試的結果就可以知道所設計出成品的品質好壞, 是否有需要做進一步的修改.