【应用】SDI编解码技术应用之基于高精度时钟发生器的高清视频同步系统设计

时间： 2018-06-08 来源：世强

技术问答

1. 前言

SDI高清视频系统包括SDI信号前端设备（如现场高清摄像机等）、SDI信号中转设备（如高清视频切换器、分配器、延长器等）以及SDI信号后端设备（如硬盘录机及存储、视频服务器等）。系统中各种SDI设备都工作在高速时序下，对SDI时钟抖动性能要求很高。如下所示为SDI各标准的时钟抖动性能要求，可以看出，无论是SD-SDI、HD-SDI还是3G-SDI，对时钟抖动指标要求都很高（3G-SDI必须达到ps级要求）。

图一：SMPTE SDI 时钟性能要求

为了保证SDI高清画面的同步性和实时性，系统中需要设计高清同步系统。如下图所示为SDI高清视频系统同步应用示意图，采用一台SDI视频同步发生器来同步系统中的SDI信号。

图二：SDI高清视频系统同步应用示意图

SDI设备面板上通常会有一个“REF IN”同步输入接口。其接口形式和电平特性示意图如下所示。

图三：SDI设备面板上的“REF IN”同步输入接口

图四：SDI同步信号电平示意图

2．SDI视频同步发生器设计

SDI视频同步发生器通常由任意时钟发生器、FPGA可编程器件以及SDI驱动器等部分组成，如下图所示为笔者采用世强代理的SILICON LABS公司的Si5332任意时钟发生器设计的SDI视频同步发生器组成原理。

图五：SDI视频同步发生器组成原理图

Si5332是Silicon Labs推出的一款高集成度、低功耗、低抖动的高性能时钟芯片，为高速SDI串行互连参考时钟提供最佳解决方案。Si5332采用集成了两个小数时钟合成器和高分辨率的MultiSynth专利技术，该时钟芯片可以从一个单一的输入频率产生三个完全独立的、无谐波掺杂的时钟单元频率信号，具有一流的频率灵活性和230fs RMS高抖动性能。

图六：MultiSynth级时钟合成器

Si5332输出频率最高为312.5MHz，其支持使用外部晶振自由运行操作，或锁定外部时钟信号。其时钟输出支持多达12路差分时钟或24路LVCMOS时钟，非常适合同时为标清SD-SDI和高清HD-SDI提供多种速率的同步信号。芯片独立的输出电源引脚支持3.3V、2.5V、1.8 V和1.5V电平（仅限CMOS类型），简化了与FPGA、ASIC和SoC的接口设计。Si5332同样针对电源效率进行了优化，功耗比市场上大多数时钟芯片低50-60%。

3．SDI视频同步输入接口设计

在SDI视频切换器内部，设计有同步分离器和时钟发生器，将外部同步发生器输入的同步信号进行分离出场同步信号后，送给内部时钟发生器产生供设备内部电路使用的SDI参考时钟，从而达到SDI时钟的内外同步。

图七：SDI视频切换器内部的同步输入接口电路

对于3G或6G SDI应用，时钟发生器可采用Silicon Labs的Si5324来构建。Si5324精密时钟接受 2KHz 至 710MHz 双时钟输入，生成 2KHz 至 945MHz 双时钟输出，最高支持 1.4GHz 频率。Si5324精密时钟采用 Silicon Labs第三代 DSPLL® 技术，可在高度集成的 PLL 解决方案中进行任意速率频率合成，无需配置外部 VCXO 和环路滤波器元件。Si5324精密时钟芯片具有低于320fs RMS的超低抖动性能。

对于更高端的12G SDI应用，由于传输物理层比特率能达到11.88Gbps，工作时钟为参考时钟的几十倍，电路中的时钟倍频锁相环对输入参考时钟提出了更高的抖动性能要求。时钟发生器可采用Si5341或Si5345来构建，这两款芯片具有出色的相位噪声性能。Si5341高精度时钟发生器芯片的整数模式抖动不超过100fs RMS，合成模式抖动不超过150fs RMS；Si5345高精度时钟发生器芯片具有 90fs RMS的超低抖动。

图八：12G SDI时钟发生器架构

4. 其它无外同步SDI设备内部时钟设计

对一些不需要使用外同步时钟的设备（如SDI转换器），内部采用高精度时钟发生器来产生各种标准的SDI参考时钟也是十分必要的。

对于固定频率应用（如6G-SDI时钟恢复器），内部SDI工作时钟可采用Si552 高稳VCXO时钟发生器来实现。Si552采用先进的第三代DSPLL技术，提供超低抖动的时钟信号，其中周期抖动仅为2ps（有效值），为设计SDI时钟恢复器的理想选择。

图九：采用Si552芯片的SDI时钟恢复器内部时钟设计

对于可变频率应用（如高清SDI转换器），内部SDI工作时钟可采用Si5338 可编程时钟发生器来实现。

如图所示为北京科思图科技的高清SDI系列转换器产品中采用Si5338时钟发生器来产生SDI工作时钟的应用示意图。

图十：采用Si5338芯片的高清SDI系列转换器内部时钟设计

Si5338芯片内部采用基于MultiSynth专利技术的两级时钟合成器架构，充分运用了小数与整数频率合成的灵活性，集成度也很高，可以产生4路独立的0ppm精度的参考时钟，其抖动性能为0.7ps RMS。下图所示为Si5338芯片两级时钟合成器工作原理。

图十一：Si5338芯片两级时钟合成器工作原理

5. 结论

在SDI高清视频系统中，我们运用世强代理的Silicon Labs公司系列高精度时钟发生器Si5324,Si5332,Si5338,Si5341,Si5345,Si552等，来组建起整个SDI同步系统。产品覆盖了SD-SDI, HD-SDI，3G-SDI,6G-SDI,12G-SDI等标清、高清和超清的各种SDI标准高低端应用，为SDI设备提供最优的时钟性能。

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全部评论（1）

波哥 Lv7. 资深专家 2019-11-14

学习了。

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