第2章 SDI物理层基础

2、SDI物理层基础：同轴电缆特性、75Ω阻抗匹配、信号编码方式（NRZI）、时钟恢复原理、均衡器的作用

各位同学，咱们今天聊聊SDI的物理层。说白了，就是信号从发送端到接收端，这一路上都经历了什么。

我刚开始接触SDI的时候，总觉得协议栈才是重点，物理层嘛，不就是个线缆连接吗？后来被现实狠狠教育了一回——项目调试时画面一直闪，查了三天，最后发现是BNC接头阻抗不匹配。从那以后，我对物理层再也不敢马虎了。

SDI传输用的线缆，就是咱们常见的同轴电缆。你想想看，一根铜芯，外面包着绝缘层，再外面是金属屏蔽网，最外面是护套。这种结构天生就有两个好处：

同轴电缆有个关键参数叫衰减特性。频率越高，衰减越大。比如3G-SDI的信号频率是1.485Gbps，在100米长的Belden 1694A电缆上，高频分量可能衰减掉20dB以上。嗯，这里要注意，衰减不只是幅度变小，更麻烦的是高频分量衰减比低频快，这会导致眼图闭合。

经验数据：

这些数据不是绝对的，跟电缆质量、接头工艺都有关系。我个人习惯是留20%的余量，比如设计100米传输，我按80米来验证。

SDI标准规定，整个传输链路的阻抗必须是75Ω。为什么是75Ω？这是历史原因，也是工程最优解——75Ω在同轴电缆中，兼顾了最小衰减和最大功率传输。

阻抗不匹配会怎样？信号会反射。反射回来的信号跟原始信号叠加，造成波形畸变。我在项目中遇到过，一个BNC接头焊接得不好，阻抗变成了80Ω，结果眼图上的抖动直接超标了30%。

避坑指南：我曾经因为用了不同品牌的BNC接头，导致阻抗不连续。后来统一用Amphenol的75Ω专用接头，问题就解决了。PCB走线也要注意，微带线或带状线都要严格控到75Ω，差分对的话是100Ω。

阻抗匹配的检查方法很简单：用TDR（时域反射计）看反射系数。没有TDR的话，用网络分析仪测S11参数也行。实在不行，拿眼图仪看眼图质量，也能间接判断。

SDI的物理层编码用的是NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted，非归零反转码）。这名字听着唬人，其实原理很简单：

为什么要用NRZI？因为SDI传输的是串行数据，接收端需要从数据流里恢复出时钟。如果数据流里连续出现太多相同的电平（比如连续10个"0"），接收端就不知道什么时候该采样了。

NRZI有个特点：它保证了电平的最小翻转密度。但还不够，因为如果原始数据全是"0"，NRZI编码后电平一直不变，还是有问题。所以SDI在NRZI之前，先做了一层加扰（Scrambling），让数据看起来更随机。

小技巧：调试时可以用示波器看NRZI波形。如果看到长时间没有电平变化，说明加扰可能出了问题。我遇到过FPGA里的LFSR（线性反馈移位寄存器）初始化值设错了，导致加扰失效，画面直接黑屏。

接收端没有独立的时钟线，只能从数据流里把时钟"挖"出来。这个过程叫时钟恢复（Clock Recovery），也叫CDR（Clock Data Recovery）。

CDR的核心是一个锁相环（PLL）。大致流程是这样的：

你想想看，如果数据流里没有足够的跳变沿，PLL就锁不住。这就是为什么NRZI编码后还要加扰——保证有足够的跳变沿让PLL工作。

时钟恢复的难点在于抖动。数据流里的抖动分为随机抖动和确定性抖动。PLL的带宽决定了它能跟踪多快的抖动。带宽太宽，噪声会进来；带宽太窄，跟不上数据变化。一般SDI的CDR带宽设计在几MHz左右。

关键指标：

信号经过长电缆传输后，高频分量衰减严重，眼图几乎闭合。这时候就需要均衡器（Equalizer）来救场。

均衡器本质上是一个高通滤波器，它放大高频分量，补偿电缆的衰减。好的均衡器能自动适应电缆长度，这叫自适应均衡（Adaptive Equalization）。

我常用的均衡器芯片有LMH0384、GS2974这些。它们内部有个反馈环路，检测信号的高频能量，自动调整增益。比如电缆短的时候，高频衰减少，均衡器就少放大；电缆长的时候，就多放大。

注意：均衡器不是万能的。如果电缆太长，信号已经完全淹没在噪声里，均衡器也救不回来。另外，均衡器本身也会引入噪声，所以PCB布局时要远离电源噪声源。我曾经把均衡器放在开关电源旁边，结果画面出现横纹干扰，后来移开了就好了。

均衡器之后，信号还要经过限幅放大器（Limiting Amplifier），把幅度恢复到标准电平。这样，接收端才能正确采样。

好了，物理层的基础就这些。下一章咱们聊聊SDI的链路层，看看数据是怎么打包成帧的。