基于Semtech GS12070的12G UHD-SDI之速率转换器方案

此方案为使用Semtech在12G UHD-SDI应用所推出的GS12070 Gearbox solution为主所提供的应用方案, 在这个方案中, 搭配GS12241 12G UHD-SDI Re-clocker Equalizer, GS12090 12G UHD-SDI Bi-Direction Equalizer/Cable Driver with Re-clocker及GS12281 12G UHD-SDI Re-clocker Cable Driver来完成多功能的12G UHD-SDI速率转换器. 

为什么在12G UHD-SDI的应用会需要速率转换器, 主要是在SDI的应用中, 可以使用多个SDI channel来增加频宽, 以传输较高的分辨率或frame rate, 例如在早期只有HD-SDI的时期, 单一channel只能传输到1080p/30f的影像, 为了传输1080p/60f的影像, 只能使用两个HD-SDI channel来传输, 到后来3G-SDI推出, 才有办法使用单一3G channel传输1080p/60f的影像; 相同的, 在6G UHD-SDI及12G UHD-SDI规范未推出前, 想要使用3G-SDI传输来传输4K/30f或4K/60f的影像, 就只能使用多个3G-SDI channel来传输, 因为SDI主要应用在医疗设备或广播设备, 这些应用大多都需要60个 frame rate, 因此4K/60f为主要的影像传输需求, 12G UHD-SDI就成为继3G-SDI之后, 最主要的需求. 

在12G UHD-SDI的产品中, 早期市面上已经量产的产品还是以Quad 3G-SDI为主, 使用4个3G-SDI channel来传输4K/60f的影像, 直到SMPTE的ST 2082规范正式推出来, 才慢慢的有单一channel传输12G UHD-SDI的产品推出, 在这个过渡时期, Quad 3G-SDI及Single 12G UHD-SDI的转换就会有所需求, 而且在医疗设备或广播设备的使用年限都会比较常, 不会像消费性产品那么快淘汰; 在SDI传输所使用的同轴电缆, 通常都是以Belden 1694A为主, 这种线材其实还满有分量的, 使用Quad 3G-SDI需要使用4条Belden 1694A的同轴电缆, 在配线布线上, 其实会有一定的难度, 这个方案可以提供在讯号的TX端将4条同轴电缆能简化才1条同轴电缆来传输, 到RX端再将1条同轴电缆转换回4条同轴电缆, 再接到Quad 3G-SDI的设备上, 让传输使用的同轴电缆尽量精简, 这样可以大大降低配线布线上的难度及成本, 唯一的缺点是使用相同的同轴电缆, 因为高速讯号的物理极限, 让12G UHD-SDI的传输距离会受到限制, 同样的Belden 1694A最长的传输距离为80M, 若是改用12G UHD-SDI专用的Canare 5.5C同轴电缆, 传输距离则可以增加到100 – 120M. 

使用GS12070 EVB的设计, 让同一块板子就可以同时做到1个12G UHD-SDI转Quad 3G-SDI, 以及Quad 3G-SDI转12G UHD-SDI的功能, 也可以做到1个12G UHD-SDI转4个12G UHD-SDI分配器的功能, 只需要在模式的设定上做调整即可, 这3种模式是在12G UHD-SDI应用上比较常见的功能, 在同一块板子上就可以实现, GS12070 EVB板能做到的模式共有19项, 算是一个多功能的解决方案.

由系统方块图可以看到, 原本GS12070的输出入各为4个channel, 基本上要使用4个EQ及4个cable driver才可以发挥GS12070所有的功能, 但在Semtech的巧思下, 搭配3个GS12090 双向的EQ + CD功能, 可以简化BNC connector的数量, 由原本的8个BNC connector减少到5个BNC connector, PCB的大小也能进一步的缩小.

GS12070 EVB的PCBA如下图展示板照片所示, 右上角为12V DC的power input, EVB下方由左到右依序为设定模式显示LED, 模式设定旋钮及5个BNC connector, 这5个BNC connector都有各自的显示灯号, 绿灯为输入有lock, 红灯为输入未lock, 蓝灯为输出, 白灯为未使用, 黄灯为pattern generator输出指示. 

会影响到12G UHD-SDI performance的因素有很多, 因为12G UHD-SDI的速度太快, 使用一般的BNC connector会造成讯号损失太大, 所以需要搭配12G UHD-SDI专用的BNC connector才可以, 另外PCB layout的好坏是最直接影响实际performance的关键, 单纯只是跟随电路的连线, 将12G UHD的EQ/CD的PIN脚及周边元件连接起来, 是无法得到好的performance, 尤其是在12G UHD-SDI的应用需要特别注意power pin及ground pin的连接, 以及周边元件的摆放, 可以参考下图, 在主要的电源部分, 最好加粗trace的寛度, 并增加至2个VIA给power及ground, 以增加连结的性能, 且ground pin不要连接到中心的ground PAD, 另外在SDI trace的部分, 连接BNC connector的部分都是走75 Ohm single-ended讯号, 而跟Gearbox连接的部分都是100 Ohm differential pair, 不论是75 Ohm single-ended的P或N, 都需要使用配合PCB叠构所计算出的trace宽度来达成75 Ohm impedance.

  

在12G UHD-SDI高速讯号的75 Ohm trace上, 通常会有AC coupling电容, 而在这些电容的下方, 则需要加入Anti-PAD来降低寄生电容所造成的损失, 这个Anti-PAD最简单的做法, 就是在PCBA的内层, 挖开一个跟AC coupling电容相同大小的keep out, 在所有内层都需要摆放, 主要是让SDI trace上的AC coupling电容的参考层, 从第二层改到底层, 利用这个方法来降低寄生电容所造成的损失.

 

因为12G UHD-SDI的EQ/CD元件, 在IC内建的ESD保护元件的保护能力都不强, 一般只有human body mode等级的保护能力, 虽然coax cable及BNC接头都有ground shield保护中心的高速讯号, 但如果在cable两端有较大的电位差, 仍然是有机会在插拔cable的瞬间将能量灌进EQ/CD的IC端造成EOS现象, 而12G UHD-SDI这种高速讯号对TVS元件的节电容值又特别要求, 目前Semtech推出的rClamp1011ZC已经有在12G UHD-SDI上使用, 节电容值低且insertion loss小, 此TVS在1.65V就开始进行保护, 是目前较建议使用在12G UHD-SDI的保护元件. 

PCBA设计完成后, 只要确认功能都正常后, 可以透过我们, 请Semtech帮忙量测实际测试的performance, 因为这些量测设备的价格都非常贵, 使用Omnitek Ultra 4K Analyzer的量测设备, 可以当12G UHD-SDI的讯号源, 同时也能做12G UHD-SDI的输出讯号品质分析, 下图为实际量测的输出结果, 可以测试各个SDI输出讯号的眼图状态, jitter抖动的大小, 及监测输出画面是否有异常; 另外在输入的部分, 会测试经过多长距离的Belden 1694A cable后, 还能正确的将12G UHD-SDI讯号收下来, 这样就能知道设计出来的PCBA跟datasheet上使用EVB所测试出来的极限能力是否接近.

 

另外会提供input/output的return loss量测结果, 看是否能符合SMPTE的规范.

 

最后的测试报告中, 还可以量测12G UHD-SDI input及output的TDR量测结果, 透过量测出来的阻抗变化, 可以大致知道BNC connector的品质好坏, 以及在PCB layout及PCB叠构上, 是否有做好75 Ohm SDI trace的阻抗匹配, 从以上测试的结果就可以知道所设计出成品的品质好坏, 是否有需要做进一步的修改.