高清音視系統(tǒng)高速HDMI接口設(shè)計方案 - 全文

　　HDMI 在成為消費電子的標(biāo)配接口后也在其它領(lǐng)域如車載顯示中逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。對于原先不是專業(yè)從事消費音視頻領(lǐng)域的設(shè)計工程師來說，設(shè)計高頻率HDMI接口有一個學(xué)習(xí)和實踐的過程。文章以ADV7842/ADV7511參考設(shè)計方案實例介紹了HDMI輸入和輸出接口的設(shè)計和基本要求，HDMI兼容性測試（HDMI Compliance Test ）的要求，以及常見的問題和推薦的解決方法。

　　近兩年HDMI 的應(yīng)用得到了極大的普及。它已遠遠走出了傳統(tǒng)的電視、投影儀、游戲機和A/V放大器（A/V receivers）的范圍而變成了高清數(shù)位相機和家庭攝像機的必備接口。它在智能手機和車載顯示的應(yīng)用也正在蓬勃興起。設(shè)計工程師必須對HDMI輸入和輸出接口的設(shè)計要求和兼容性測試（HDMI Compliance Test ）有一個基本的了解，從而在設(shè)計電路和PCB的設(shè)計時可提前周全考慮以避免重復(fù)設(shè)計。

　　HDMI I/O端和電源的設(shè)計

　　ADV7842 是一款集成了模擬（CVBS，RGB，和YPbPr）和HDMI receiver（HDMI Rx）輸入的視頻I/O芯片。ADV7511 是一款HDMI transmitter 芯片。下面借用以這兩款芯片做成的HDMI I/O參考線路討論高速高精度視頻PCB設(shè)計時最常見的問題和推薦的解決方法。圖1為ADV7842-ADV7511 AV參考線路方框圖，圖2為ADV7842-ADV7511 AV參考線路實際PCB。

　　圖1 ADV7842-ADV7511 AV參考線路方框圖

　　圖2 ADV7842-ADV7511 AV參考線路實際PCB

　　HDMI輸入端

　　在PCB上HDMI連接端子（HDMI connector）到HDMI Rx 數(shù)據(jù)輸入管腳的長度應(yīng)減至最短，所以HDMI Rx 芯片置放的位置應(yīng)盡量靠近HDMI連接端子，如圖2所示。過長的連線會受其他外部源的影響而產(chǎn)生噪聲。連線短，也有助于控制差分阻抗。HDMI TMDS傳輸線的差分阻抗要控制在100Ω左右。差分阻抗與板材、板厚、疊層結(jié)構(gòu)、線寬、線距都密切相關(guān)。建議用戶跟制板商協(xié)商相關(guān)參數(shù)， 在設(shè)計時即有所考慮， 避免再次改板或者調(diào)整設(shè)計。

　　HDMI接收器電源

　　為了達到好的（尤其是傳輸速度快的高清信號時）設(shè)計性能，HDMI Rx的供電電源的設(shè)計和布板合理性非常重要。典型的HDMI Rx電源設(shè)計要注意到的問題：

　　?模擬線路電源：HDMI Rx 模擬線路 部分

　　–設(shè)計時注意將重要電源與其他的1.8V電源用磁珠隔離開來。

　　–電源需配置旁路電容（ADV7842是用10 nf和100nf），電容離電源管腳越近越好。

　　–在接近電流源的地方置放一個大的去耦電容（例如 10uF）。

　　?數(shù)字線路電源：HDMI Rx 數(shù)字線路部分

　　–設(shè)計時注意將重要電源與其他的

　　3.3V電源用磁珠隔離開來。

　　–電源需配置旁路電容（ADV7842是用10 nf和100nf），電容離電源管腳越近越好。

　　?在設(shè)計電源PCB布板的時候請?zhí)貏e考慮以下幾點：

　　–建議采用獨一的接地層（single ground plane）。

　　–在阻抗匹配允許的情況下盡量考慮用頂層或底層作電源和接地層。

　　–在阻抗匹配允許的情況下考慮用盡可能薄的電介質(zhì)層將電源層和接地層隔開。

　　–在PCB電源層中：應(yīng)該盡量避免在其它層上以單線連接電源層。如果不可以避免，應(yīng)該增加適當(dāng)?shù)呐月冯娙荩╞ypass capacitors）。為大電流的供電電源走線時， 需考慮其上的電壓降。如果某一電源不可以用電源層相連，則用盡可能粗的走線連接，以盡量降低走線阻抗。電源層上未利用的區(qū)域， 盡量用地層填充。不同層的電源（比如在模擬電源上方的數(shù)字電源層）的耦合應(yīng)盡量避免。電流的返回路徑應(yīng)確保是低阻抗。

　　?采用旁路電容時的注意事項：

　　–旁路電容應(yīng)置放在離管腳盡可能近的地方。

　　–連接管腳的線應(yīng)盡可能短而寬。

　　–連接地的線也應(yīng)盡可能短而寬。

　　–每個pad在可能的條件下用多于一個的via但via之間的間隔應(yīng)至少 和 via的深度一樣。

　　HDMI測試

　　HDMI測試中需注意的問題有不少，根據(jù)HDMI CT （Compliance Test） spec的要求，所有的HDMI接收設(shè)備都需要提供EDID信息。以往，多數(shù)客戶會選擇在DDC總線上外掛EEPROM以存儲EDID信息。為了進一步降低用戶的BOM（bill of material）成本， ADV7842集成了內(nèi)部RAM用于存儲EDID信息，上電后，用戶將EDID信息寫入即可。 利用ADV7842提供的SPI Master接口，用戶還可以外掛一顆SPI EEPROM， 這樣用戶可以將EDID信息永久燒入SPI EEPROM。 ADV7842可以將SPI EEPROM內(nèi)的信息讀入內(nèi)部的RAM。 如此，可以減輕軟件的負擔(dān)。 當(dāng)然，這些功能都有相應(yīng)的寄存器提供使能控制， 用戶可以關(guān)閉這些功能， 而使用傳統(tǒng)的外掛方式，以兼容過去的設(shè)計。

　　有了硬件的支持， 當(dāng)然EDID的內(nèi)容也要符合HDMI CT Spec的要求。 根據(jù)ADI多年來為客戶提供免費HDMI預(yù)測試的經(jīng)驗，在HDMI預(yù)測試過程中經(jīng)常會失敗在一些與EDID測試相關(guān)的項目。其實這些項目如果熟悉規(guī)范的相關(guān)要求，通過相對來說是比較容易的。例如有關(guān)規(guī)范要求在EDID的前128個字節(jié)中一定要提供“Monitor Range Limit Header”和“Monitor Name Header”，但如果這兩個項目的內(nèi)容各不夠18個字節(jié)的話，需要以0x0A為結(jié)尾同時以0x20填充剩余的字節(jié)。另外一個經(jīng)常在EDID測試中遇到的問題是，客戶不能將EDID中的SVD（Short Video Descriptor）模塊與提交的CDF（Capabilities Declaration Form）一致，在CDF中表明支持的格式在EDID的SVD模塊中沒有表明支持，或者是相反。

　　表 1 ADV7842 3D視頻格式測試一覽表

　　HDMI兼容測試

　　HDMI兼容測試 （Compliance Test）對所支持的視頻格式的測試要求值得注意，ADV7842進一步提高了產(chǎn)品的魯棒性， 提供了對更多視頻格式的支持， 例如支持在新的HDMI Spec中加入的3D視頻信號格式。 在這里還需要提到一個HDMI CT測試問題， 以供各位參考。在對視頻格式支持的測試中，對所有用戶聲明的能夠支持的視頻格式都會進行測試，而且會測試支持50Hz的設(shè)備對于50Hz±0.5%（即49.75Hz和50.25Hz），和支持59.94Hz或者60Hz的設(shè)備對59.94%~0.5%（即59.64Hz）和60＋0.5%（即60.3Hz）場頻變化的支持能力。場頻的此變化范圍， ADV7842完全可以支持，但是用戶在軟件設(shè)計中需要注意到這些對視頻格式容忍度的要求。

　　在HDMI1.4的標(biāo)準(zhǔn)中雖對3D timing有明確的定義，但為了保證產(chǎn)品在市場上的兼容性在設(shè)計時對HDMI產(chǎn)品的視頻格式作全面的測試是十分重要的。上一段提到了對3D timing的支持。ADV7842對3D timing做了很完整的測試。在表1中標(biāo)識出了所有ADV7842已經(jīng)測試過的常用的和必須支持的3D timing。其中黃色重點標(biāo)識的為必須要支持的3D timing。

　　以上概括性地討論了HDMI I/O設(shè)計和測試中常見到的和需要注意的問題以及解決的方法。視頻信號越快，上面討論的問題就越突出。所以在選擇HDMI I/O芯片特別是接收器（HDMI Rx）時要選擇經(jīng)過HDMI CT嚴(yán)格測試過的產(chǎn)品以避免發(fā)生兼容性問題。