视频基本原理 -视频接口之 - SDI接口(一）

前面已经系统介绍了视频接口的模拟类接口，下面开始介绍数字类接口。我们先从最早的数字视频接口SDI接口开始介绍。SDI接口，也就是x26quot;数字分量串行接口x26quot; （Serial Digital Interface）的首字母缩写。...



前面已经系统介绍了视频接口的模拟类接口，下面开始介绍数字类接口。我们先从最早的数字视频接口SDI接口开始介绍。

SDI接口，也就是"数字分量串行接口"。SDI接口是数字分量串行接口(SerialDigital Interface)的首字母缩写。



目前常用的SDI接口按速率分可以分成三大类，分别是是：

·       标准清晰度SD-SDI，速率是270Mb/s

·       高清标清HD-SDI，速率是1.485Gb/s

·       3G-SDI，速率是2.97Gb/s。

对于上述不同接口类别的具体指标，可以参考下面的表格：



下面我们先从SDI的发展历史来看看SDI的由来。1982年，原国际无线电咨询委员会（CCIR）以欧洲广播联盟（EBU）与美国电影电视电视工程师协会（SMPTE）的机关提案为基础，发布了CCIR 601号建议书，以13.5 MHz的取样频率，8位量化与4：2：2色度亚取样统一了525/60i (480i)和 625/50i(576i)两种电视扫描系统的数字化参数。1986年，CCIR以EBU Tech.3246与SMPTE125标准为基础，发布了CCIR 656建议书，提出了一种可以传输CCIR601规格信号的并行接口，使用11对双绞线与25针D型连接器，部分早期数字设备曾使用这种接口，但因传输距离较短，连接较复杂等原因，不适合大规模使用。(参考前文“视频基本原理 - BT601和BT656”)。其实，CCIR 656还包含了EBU于1983年提出的EBUTech.3247串行数字接口标准，采用8/9分组编码，比特率为243Mb/s，但只支持8比特量化，而且不容易设计出稳定，廉价的接口芯片。

1983年，CCIR成为国际电信联盟无线电通信部（ITU-R）。1994年，ITU-R发布了BT.656-2建议书，吸纳了EBUTech.3267与SMPTE 259M中定义的新型串行数字接口，该接口采用10比特传输与非归零反向（NRZI）编码。在传送ITU-R BT.601（A部分）4：2：2级别信号时，其时钟速率为270 Mb/s，这就是如今大名鼎鼎的SDI。而75欧姆同轴电缆与75欧姆BNC连接器（IEC 60169-8）的使用，使电视台内部原有的大量已敷设电缆在数字化系统中得以再利用。后来，SDI逐渐成为数字设备的标准配置，在此基础上终于实现了演播室、主控、播控系统的数字化。我国也参照上述标准制订了相应的国家标准BG/T17953。为了满足高质量节目制作对ITU-R BT.601（A部分）4：4：4级别图像与色键等的需求，EBU Tech.3268，SMPTE RP145与ITU-R BT.799分别提出了双链接的概念，即同时通过两个SDI通道传输R’G’B’/4：4：4图像与另外一路宽带信号。我国广电总局参考ITU-R BT.799-3制订的相应行业标准为GY/T159-2000。此外，SMPTE 344M还定义了一种时钟频率为540Mb/s的串行数字接口。

1990年，ITU-RBT.709建议书发布，（关于BT709并行数字接口的内容， 可以参考前文“视频基本原理 - BT709和BT1120”），高清晰度电视技术加速发展，采用串行数字接口传输高清信号已在行业内达成共识，为此，SMPTE在292M标准中定义了时钟频率达1.5 Gb/s级别的串行数字接口，相应国际标准为ITU-R BT.1120。而GY/T157-2000则是我国根据ITU建议书制订的行业标准，这便是大家所熟知的HD-SDI。除时钟频率提升到270 Mb/s的5.5倍即1.485 Gb/s外，HD-SDI与SDI也存在着一些差别，例如HD-SDI将亮度与色差信号分别放置在两个流中，并将它们复用并加扰后进行传输，而且编码后的行号与校验码附在有效视频结束（EAV）后。因沿用了75欧姆电缆与连接器，加之有了SDI的成功经验，因此HD-SDI很快就取代了之前应用的并行接口。与SDI类似，为了满足演播室与1080P50Hz/59.94Hz格式内容的传输,SMPTE在372M标准中对双链接HD-SDI进行了标准化。高速接口芯片技术的进步使3Gb/s级别的串行接口成为可能。

2005年，ITU-R在BT.1120-6建议书中给出了2.97 Gb/s串行接口的规范，物理介质仍然沿用了75欧姆同轴电缆和IEC 60169-8标准连接器。此外，SMPTE 424M也给出了类似的3Gb/s级别接口的定义。3 Gb/s串行接口的出现解决了之前需要双链接HD-SDI的场合，如4：4：4/12bit或1080p50/59.94格式的节目制作等。已有厂家推出3 Gb/s的串行接口芯片产品。 在一些需要远距离传输的场合，如连接两个距离较远的演播室，铜缆就显得有些力不从心了，此时，光缆自然就成为铜缆的替代者。ITU-RBT.1367、SMPTE 297M与我国的GY/T164-2000等都是利用光缆传送串行数字信号的标准，以ITU-R BT.1367为例，在传输高清信号时，只允许使用单模光纤与相应的光连接器，光->电、电->光转换则由相应的光接收器与光发射器完成。 新兴的数字电影具有较高清晰度图像更高的分辨率、更丰富的色彩（例如SMPTE428-1K PGYQR 4096×2160 4：4：4/X’Y’Z’/12-bit@24P），在数字电影设备（如数字投影机与服务器）之间需要传输的数据量更大，因此，SMPTEN26技术委员会正在制订435M系列标准—一种时钟频率为10.692Gb/s的串行数据接口，其物理介质为符合IEC 60793-2标准的光缆与符合IEC61754-20标准的光连接器。这种10Gb/s级别的接口可将多至8个HD-SDI数据流复用在一起，也可以将现有的1.5Gb/s与3Gb/s数据结构映射至10Gb/s接口上。特别是针对最新的4K级别的视频信号发展， 10G SDI的发展也是大势所趋。





所以，可以说，SDI接口最初是给数字电视演播室和电视台演播设备设计并推广使用的。在非线性编辑后期制作，广播电台等领域，HD-SDI应用较为广泛。如下图所示是典型的演播室SDI设备：



通常，因为SDI接口是非加密的数字视频接口，所以SDI和HD-SDI仅应用于专业视频设备中。各种各样的许可协议限制了未加密的数字接口，禁止其在消费类设备,例如Blu-Ray 和个人视频录像机中使用。一些专业的视频和高清视频可能用到的DSLR摄像机和所有未压缩视频可能用到的消费类摄像机均采用支持加密（HDCP）的HDMI接口。

SDI的物理层允许两种传输介质，第一种是特性阻抗为75或50欧姆的BNC接头（IEC60169-8）与75或50欧姆同轴电缆，以及特性阻抗为100欧姆的平衡双绞线与XLR型电缆接头（IEC 60268-12）；另外一种是规格参数符合ITU-R BT.1367或SMPTE 297M标准的光纤。

一般应用中，各种SDI 标准均使用75 欧姆阻抗同轴电缆和BNC 连接器进行传输，这和模拟视频场合中使用的传输媒介一致，可以降低现场布线的复杂度和系统成本。


BNC是连接头的标准，通常使用的视频线如SYV75-5，具体内容如下：

·       SYV： 实心聚乙烯绝缘，pvc护套，国标代号是射频电缆，又叫“视频电缆”；

·       75：特性阻抗为75欧姆

·       5或3指外皮以内的塑料芯直径是5或3，75-5的绝缘层外径（屏蔽层内径）是4.8mm

75-3的传输距离，相当于75-5的0.4倍左右估算，即400米75-3电缆大约相当于1000米75-5电缆的传输衰减和频率失真。

还有SYWV和SYV，区别在于填充材质和线芯材质不一样。SYV是视频传输线，用聚乙烯绝缘；SYWV是射频传输线，物理发泡绝缘，用于有线电视。

BNC插头又叫Q9头，视频监控用的BNC头特性阻抗为75欧姆，分焊式和免焊式两种。免焊的分为螺丝扭紧、冷压式、挤压式等，具体的相关介绍还可以参考“视频基本原理 -视频接口之- VGA接口”一文中对BNC接口的介绍。





SDI接口中，源端信号峰峰值幅度为800mV±10%。由于信号衰减，接收端收到的信号幅度小于该峰峰值，因此传输距离受限，一般来说，SD-SDI传输距离小于300m，HD-SDI 传输距离小于100m，3G-SDI 传输距离则更短。

信号的上升/下降时间非常严格：

·       SD-SDI：400ps~1.5ns

·       HD-SDI：100ps~270ps

·       3G-SDI：

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