基於Semtech GS12070的12G UHD-SDI之速率轉換器方案

此方案為使用Semtech在12G UHD-SDI應用所推出的GS12070 Gearbox solution為主所提供的應用方案, 在這個方案中, 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來完成多功能的12G UHD-SDI速率轉換器. 

為什麼在12G UHD-SDI的應用會需要速率轉換器, 主要是在SDI的應用中, 可以使用多個SDI channel來增加頻寬, 以傳輸較高的解析度或frame rate, 例如在早期只有HD-SDI的時期, 單一channel只能傳輸到1080p/30f的影像, 為了傳輸1080p/60f的影像, 只能使用兩個HD-SDI channel來傳輸, 到後來3G-SDI推出, 才有辦法使用單一3G channel傳輸1080p/60f的影像; 相同的, 在6G UHD-SDI及12G UHD-SDI規範未推出前, 想要使用3G-SDI傳輸來傳輸4K/30f或4K/60f的影像, 就只能使用多個3G-SDI channel來傳輸, 因為SDI主要應用在醫療設備或廣播設備, 這些應用大多都需要60個 frame rate, 因此4K/60f為主要的影像傳輸需求, 12G UHD-SDI就成為繼3G-SDI之後, 最主要的需求. 

在12G UHD-SDI的產品中, 早期市面上已經量產的產品還是以Quad 3G-SDI為主, 使用4個3G-SDI channel來傳輸4K/60f的影像, 直到SMPTE的ST 2082規範正式推出來, 才慢慢的有單一channel傳輸12G UHD-SDI的產品推出, 在這個過渡時期, Quad 3G-SDI及Single 12G UHD-SDI的轉換就會有所需求, 而且在醫療設備或廣播設備的使用年限都會比較常, 不會像消費性產品那麼快淘汰; 在SDI傳輸所使用的同軸電纜, 通常都是以Belden 1694A為主, 這種線材其實還滿有份量的, 使用Quad 3G-SDI需要使用4條Belden 1694A的同軸電纜, 在配線佈線上, 其實會有一定的難度, 這個方案可以提供在訊號的TX端將4條同軸電纜能簡化才1條同軸電纜來傳輸, 到RX端再將1條同軸電纜轉換回4條同軸電纜, 再接到Quad 3G-SDI的設備上, 讓傳輸使用的同軸電纜儘量精簡, 這樣可以大大降低配線佈線上的難度及成本, 唯一的缺點是使用相同的同軸電纜, 因為高速訊號的物理極限, 讓12G UHD-SDI的傳輸距離會受到限制, 同樣的Belden 1694A最長的傳輸距離為80M, 若是改用12G UHD-SDI專用的Canare 5.5C同軸電纜, 傳輸距離則可以增加到100 – 120M. 

使用GS12070 EVB的設計, 讓同一塊板子就可以同時做到1個12G UHD-SDI轉Quad 3G-SDI, 以及Quad 3G-SDI轉12G UHD-SDI的功能, 也可以做到1個12G UHD-SDI轉4個12G UHD-SDI分配器的功能, 只需要在模式的設定上做調整即可, 這3種模式是在12G UHD-SDI應用上比較常見的功能, 在同一塊板子上就可以實現, GS12070 EVB板能做到的模式共有19項, 算是一個多功能的解決方案.

由系統方塊圖可以看到, 原本GS12070的輸出入各為4個channel, 基本上要使用4個EQ及4個cable driver才可以發揮GS12070所有的功能, 但在Semtech的巧思下, 搭配3個GS12090 雙向的EQ + CD功能, 可以簡化BNC connector的數量, 由原本的8個BNC connector減少到5個BNC connector, PCB的大小也能進一步的縮小.

GS12070 EVB的PCBA如下圖展示板照片所示, 右上角為12V DC的power input, EVB下方由左到右依序為設定模式顯示LED, 模式設定旋鈕及5個BNC connector, 這5個BNC connector都有各自的顯示燈號, 綠燈為輸入有lock, 紅燈為輸入未lock, 藍燈為輸出, 白燈為未使用, 黃燈為pattern generator輸出指示. 

會影響到12G UHD-SDI performance的因素有很多, 因為12G UHD-SDI的速度太快, 使用一般的BNC connector會造成訊號損失太大, 所以需要搭配12G UHD-SDI專用的BNC connector才可以, 另外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12G UHD的EQ/CD的PIN腳及週邊元件連接起來, 是無法得到好的performance, 尤其是在12G UHD-SDI的應用需要特別注意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, 另外在SDI trace的部份, 連接BNC connector的部份都是走75 Ohm single-ended訊號, 而跟Gearbox連接的部份都是100 Ohm differential pair, 不論是75 Ohm single-ended的P或N, 都需要使用配合PCB疊構所計算出的trace寬度來達成75 Ohm impedance.

  

在12G UHD-SDI高速訊號的75 Ohm trace上, 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.

 

因為12G UHD-SDI的EQ/CD元件, 在IC內建的ESD保護元件的保護能力都不強, 一般只有human body mode等級的保護能力, 雖然coax cable及BNC接頭都有ground shield保護中心的高速訊號, 但如果在cable兩端有較大的電位差, 仍然是有機會在插拔cable的瞬間將能量灌進EQ/CD的IC端造成EOS現象, 而12G UHD-SDI這種高速訊號對TVS元件的節電容值又特別要求, 目前Semtech推出的rClamp1011ZC已經有在12G UHD-SDI上使用, 節電容值低且insertion loss小, 此TVS在1.65V就開始進行保護, 是目前較建議使用在12G UHD-SDI的保護元件. 

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.

 

最後的測試報告中, 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.