HD-SDI信号质量标准与测试诊断方法

2014-10-16 15:12:18 编辑：烦高 来源：数字音视工程网

在高速SDI信号的传输和转换过程中，由于硬件设备的性能及安装水平的不同，导致SDI信号质量下降，造成高清视频信号接收错误。通常需要对SDI信号进行测试，并根...

在高速SDI信号的传输和转换过程中，由于硬件设备的性能及安装水平的不同，导致SDI信号质量下降，造成高清视频信号接收错误。通常需要对SDI信号进行测试，并根据测试结果判断可能出现问题的原因，从而保证高清系统中每条链路的性能。

在SDI信号出现之前，高清视频信号采用模拟信号进行传输。模拟信号在传输和转换过程中非常容易出现质量下降，通常采用高速示波器进行波形采样测试。通常需要测试的指标有色条幅度、同步振幅和时间、噪声、频率响应、多波群、非线性度、通道延时、瞬时特性等。

图1 模拟视频信号测试波形

而SDI信号采用模数转换和高速串行编码技术，使用一根同轴电缆即可传输所有数字视频及音频信息。

图2 SDI信号生成原理简图

由于SDI为数字信号，信号的生成原理和特性不同于模拟视频信号，因此SDI信号测试内容的关注点和模拟视频信号测试基本不同。如下所示为SDI信号的几个关键特性：电平幅度、抖动、上升/下降时间、单元间隔(周期)。

图3 SDI数字信号特性

按照SMPTE 259M、SMPTE 292M、SMPTE424M的规定，SD-SDI、HD-SDI、3G-SDI信号质量标准(包含幅度、过冲、上升/下降时间、抖动时间、抖动排列等)各不相同。而且，HD-SDI和3G-SDI高速信号对上升/下降时间的要求达到了几十到几百ps量级。

图4 各种SDI信号质量标准

以上几个指标一般通过波形测试仪器的眼图和抖动显示工具来测试。 1.眼图及抖动测试

眼图及抖动波形是两个用于SDI测试的重要工具。

图5 眼图测试

专用测试仪眼图工具可以自动测试眼幅度、眼上升/下降时间、眼上升/下降时间差、眼上升/下降过冲、峰峰值抖动、电平幅度等。

图6 抖动波形测试

抖动测试通过放大的图形显示来反映通过水平显示线的随机噪声。抖动包含两种类型：时间抖动和队列抖动。

时间抖动：在比一个指定频率(典型10Hz)大的速率下的信号跳变位置变化。 队列抖动：相对于从信号中抽取时钟的信号跳变位置变化。 2.系统余量测试

高速SDI信号的特点是即使系统上存在有潜在的问题或者系统的可靠性有所下降，但是它的误码监视没有任何变化，也就是说我们无法发现这种潜在问题。因此，需要通过特殊实验，测试系统的可靠性和系统余量，保证系统的安全运行。常用的系统余量测试方法有： 1)电平幅度变化实验：调节输入电平幅度，测定接收部均衡器的能力。 2)附加噪音实验：对SDI信号附加一定的噪音，确认是否有误差。 3)附加抖动实验：对SDI信号附加抖晃，确认是否有误差。

4)CRC错误测试：CRC是SDI采取的一种错误校验措施。在接收端，通过重新计算的CRC来和信息码中插入的CRC进行比较来判断出现的传输错误。 5)特殊信号检测场

SDI检验场(或叫病态测试信号)是采用特殊的信息码来测试SDI性能。该特殊信息码创建了一个低频能量的最坏情况的数据，经过扰码后，出现了两种特殊情况的数据。

图7 特殊信号检测场

一种情况将亮度信号设置为198H，两个色差信号均设置为300H。经编码器扰码后，生成1位高和19位低的特殊NRZI非归零反转码。提供了较高的直流成分，以考验接收系统的模拟能力和传输信号处理能力。这种测试信号以品红色阴影出现在一幅图像的顶部。 另一种情况将亮度信号设置为110H，两个色差信号均设置为200H。经编码器扰码后，生成20位高和20位低的特殊NRZI非归零反转码。为时钟抽取提供了最小数量的“0”跨越，以监测设备锁相环性能。这种测试信号以灰色阴影出现在一幅图像的低部。

SDI接收设备应该能够正确无误地处理这两种测试信号场。 3.SDI物理层问题诊断

通过分析眼图及抖动波形，就能够大致判断SDI信号传输出现的问题。主要故障原因类型分为如下几种：

1)信号幅度：信号幅度十分重要，因为它和噪声紧密相关。由于接收端采用均衡器进行高频补偿，当信号到来时，发送端不正确的幅度可能导致不正确的均衡，引起信号畸变。 2)上升/下降时间：不正确的上升/下降时间会引起信号畸变，例如振铃和过冲。 3)过冲：过冲通常是不正确的上升时间造成的结果，很可能由阻抗不连续或者说在接收和发送端很差的回损造成。

4)随机抖动：由设备热噪声或冲击噪声造成，具有无限高斯分布特性。因此，通常用抖动的RMS值来测量抖动幅度。此外，峰峰值抖动虽然出现概率小，但可以表征故障发生的位置。

5)确定抖动：具有周期特性，可能由系统中一个固定设备产生。可能的抖动源包括：开关电源、上升下降时间差产生的占空因素、同步锁相造成的主时钟改变、并串转换处理、电缆的频率响应。

故障诊断是理论和经验相结合的过程，在实际测试应用中，需要结合系统实际情况，采取多种测试手段，并对具体测试数据进行深入分析和推理，才能准确定位信号传输过程中可能出现故障的原因。如下是几个典型的故障信号测试结果。

图8 电缆造成的衰减过大时的眼图

图9 信号终端匹配不正确时的眼图

图10 信号经较差均衡后的眼图

4.小结

SDI高清视频系统在具有良好设备、优质电缆以及正确安装的前提下，仍需要进行专业的性能测试，才能保证SDI高速视频数据流工作的连续性和正确性。必须配备专业的信号发生器和波形监视器，通过眼图和抖动等测量手段，在系统安装时以及系统工作时提供连续性能监视，来发现问题和诊断问题。眼图分析提供了可视化的SDI物理层健康状况检查，信号达到直观的“明亮眼”来保证后端接收设备能够轻松的恢复时钟和数据。此外，抖动波形可以进一步连续监视信号，从而达到深入诊断故障原因的目的。