利用HDMI開(kāi)關(guān)增強數字高清顯示器的連通性

目前商店里大多數的高清電視都具有模擬高清分量視頻輸入(YPbPr)輸入端子以及單一的高清數字輸入端子(如DVI或HDMI)?，F在，利用帶有HDMI輸出端子的機頂盒，許多消費者都能夠接收有線(xiàn)電視公司的數字高清節目?jì)热?。在這種應用中，許多高清顯示器中已有唯一的HDMI輸入端子，因此不能連接其它HDMI數據源。

圖1：高帶寬HDMI開(kāi)關(guān)FSHDMI04應用結構框圖

微軟和索尼的下一代游戲平臺都具有HDMI輸出，讓玩家能盡情享受全數字化的高清體驗。預計到明年，高清DVD標準的大戰將有定論，市場(chǎng)上將迅速推出采用HDMI輸出的高清DVD播放器。這些市場(chǎng)趨勢顯示出對于帶多個(gè)HDMI輸入端子顯示器的需求。顯示器設計工程師意識到家用數字設備即將出現迅猛增長(cháng)，因此正在下一代高清顯示器產(chǎn)品中增加更多的數字輸入端口。

雖然設計工程師能夠利用更貴的HDMI接收器芯片來(lái)滿(mǎn)足這個(gè)需要，但許多都仍然選擇保留現有的單輸入HDMI接收器，并使用HDMI/DVI開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行轉換，因為這種選擇能實(shí)現最短的設計周期，以及更重要的是最低的總體系統成本。由于系統成本是驅動(dòng)HDTV普及的一個(gè)主要因素，故享有總體成本的優(yōu)勢非常重要。

系統應用

HDMI開(kāi)關(guān)能夠復用當前已具備單HDMI輸入端子的設計，因此有助于簡(jiǎn)化設計和降低總體系統成本，首批因這些產(chǎn)品而受益的主要應用包括各種格式的高清視頻顯示器、CRT、LCD、DLP和等離子等。這些產(chǎn)品中無(wú)需使用更新更貴的雙輸入接收器，只是增加第二個(gè)端口，HDMI開(kāi)關(guān)就可以對現有已采用單HDMI輸入端子的設計迅速進(jìn)行升級。HDMI開(kāi)關(guān)(如FSHDMI04)只需簡(jiǎn)單地插入到選定的HDMI接收器和兩個(gè)HDMI連接器之間。

對于一個(gè)完整的解決方案，還需要能發(fā)送更高電壓及更低頻率的控制信號。建議使用一個(gè)至少165MHz的簡(jiǎn)單5V四通道SPDT開(kāi)關(guān)(例如FSAL200或FSAV330)。這些控制信號用于接收器和數據源之間的首次握手，數據源根據這些控制信號來(lái)確定接收器能夠處理什么樣的視頻分辨率。只需要FSHMDI04和第二個(gè)用于發(fā)送控制數據的開(kāi)關(guān)，就可以在單輸入設計上完全實(shí)現第二個(gè)HDMI輸入接口。

這種配置能讓用戶(hù)將數字機頂盒(STB)和游戲機或未來(lái)具HDMI功能的高清DVD播放機連接到顯示器上。利用標準的單輸入顯示器，用戶(hù)必須拔去STB才可通過(guò)HDMI線(xiàn)纜播放電影或視頻游戲。對此，用戶(hù)還可采用另一種方案，利用HDMI線(xiàn)纜保留STB的連接，并使用YPbPr連接DVD播放機或游戲機。雖然這種方法可以連接高清節目?jì)热?，但卻需要在模擬和數字格式之間進(jìn)行兩次轉換，因此其最終質(zhì)量會(huì )較HDMI提供的純數字連接低。

未來(lái)將會(huì )采用HDMI開(kāi)關(guān)的主要應用之一是筆記本電腦?，F在，許多筆記本電腦都具有適用于現有DVD的標準清晰度S視頻輸出端子，但由于預期高清DVD標準將會(huì )很快獲得采用，加上新一代游戲機將適用于高清游戲，下一代筆記本電腦和塢站(docking station)轉向HDMI輸出是很自然的事。在這種應用中，HDMI開(kāi)關(guān)應允許筆記本電腦和塢站外接HDMI連接器，當筆記本電腦插接或未插接時(shí)便可以自動(dòng)進(jìn)行切換，這就使得擁有高清DVD驅動(dòng)器的筆記本電腦用戶(hù)能夠在其數字高清電視或數字顯示器上觀(guān)看高清電影。

HDMI和DVI概述

HDMI是兩者之中較新的一種格式，基于老的DVI規范。DVI只能處理視頻數據，HDMI卻可包含音頻及視頻數據，并通過(guò)稱(chēng)為高清內容保護(HDCP)的數字加密協(xié)議形式提供更強的內容保護功能。由于HDMI連接涵蓋視頻和音頻數據，因此可在數據源和接收器之間實(shí)現單一連接。兩種格式都遵循相同的電氣規格，所以像FSHDMI04等無(wú)源視頻開(kāi)關(guān)便不能區分出HDMI或DVI信號。這種共享的電氣規格稱(chēng)為最小化傳輸差分信令(TMDS)，在每一鏈路中使用了由3個(gè)數據對與1個(gè)時(shí)鐘對組成的4個(gè)差分對。HDMI在兩種基本數字配置之一(單鏈路或雙鏈路)上傳輸數據。任一給定鏈路的最大帶寬是4.95Gbps(3個(gè)TMDS對每個(gè)并行傳輸的速率為1.65Gbps)，對應于165MHz的最大時(shí)鐘頻率。

數據和時(shí)鐘頻率不同的原因在于數據以稱(chēng)作像素的10位數據包發(fā)送。對清晰度要求低于165兆像素/秒的顯示器而言，單一鏈路連接已經(jīng)足夠。假若清晰度要求在165兆像素/秒和350兆像素/秒之間，可使用第二條鏈路并行發(fā)送數據。由于兩條鏈路共享一個(gè)時(shí)鐘對，因此最大的時(shí)鐘頻率始終為165MHz。

DVI是市場(chǎng)上第一個(gè)標準化的純數字視頻連接。像HDMI一樣，它對單或雙鏈路配置的需求取決于所選的顯示器清晰度、顯示器類(lèi)型和相應的刷新頻率。DVI連接在電腦應用中仍然相當普及，許多系統都具有DVI輸出以便實(shí)現至數字LCD顯示器的直接數字連接。例如，一個(gè)刷新頻率為60Hz的高清LCD顯示器(1,920x1,080)可利用單鏈路DVI和約130MHz的時(shí)鐘頻率連接。

由于DVI和HDMI的基本電氣特性都是基于同一標準，像FSHDMI04這樣的開(kāi)關(guān)適用于這兩種數字視頻格式。

HDMI/DVI的應用挑戰和關(guān)鍵規范

HDMI和DVI的數據速率都非常高，并允許傳輸未經(jīng)壓縮的數字視頻。在單鏈路HDMI連接中，每個(gè)TMDS對將以高達1.65Gbps的速率傳輸數據，較高速USB快三倍。因此當利用高速數據傳輸協(xié)議進(jìn)行設計時(shí)，出現了新的應用挑戰。在這個(gè)環(huán)境中，以前微不足道的寄生電容、線(xiàn)載(line loading)和信號失配都可能導致誤碼率的增加，甚至造成發(fā)送或接收數據的失敗。

此外，HDMI和DVI規范的編寫(xiě)者從不會(huì )想到在發(fā)送器和接收器之間的信號路徑中插入無(wú)源高頻低損耗開(kāi)關(guān)。認真閱讀HDMI和DVI的規范便可明顯發(fā)現這一點(diǎn)，因為在電氣規范中幾乎沒(méi)有留給加入的非理想開(kāi)關(guān)器件帶來(lái)的變化余地。因此，HDMI和DVI高性能開(kāi)關(guān)生產(chǎn)商必須針對應用的特定需求謹慎定制其產(chǎn)品，否則將不能在系統中正常工作。以下是一些關(guān)鍵的功能特性，根據這些特性可以判定開(kāi)關(guān)能否在高速環(huán)境下工作。

1. 導通電容與導通阻抗

開(kāi)關(guān)的導通電容是判斷開(kāi)關(guān)對TMDS數據流影響的最重要因素。過(guò)大的開(kāi)關(guān)電容會(huì )導致信號弧形邊緣，造成較慢的上升和下降速度。其結果是，系統的抖動(dòng)增加，相應的誤碼率增大。通道的電容失配對HDMI和DVI規范的影響很大，使得要滿(mǎn)足非常嚴苛的偏移(skew)規范更加困難。

例如，當以最高速率傳輸數據時(shí)，差分對內偏移不能超過(guò)0.15Tb，亦即不能大于90ps。HDMI/DVI開(kāi)關(guān)設計工程師必須面對的一個(gè)設計問(wèn)題是導通電容和導通阻抗的折衷。低導通電容和高帶寬性能需要付出增加導通阻抗的代價(jià)。這個(gè)折衷是不可避免的，這也正是HDMI/DVI開(kāi)關(guān)必須針對有關(guān)應用進(jìn)行設計的基本原因之一。

許多設計工程師都很熟悉電壓驅動(dòng)應用，并因此很自然地認為導通阻抗是開(kāi)關(guān)選擇中最重要的規格。這是因為在電壓源應用中，導通阻抗往往會(huì )引起插入損耗和信號衰減。但幸運的是，HDMI和DVI信號并沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因為它們使用具有終結電阻的電流源來(lái)建立信號電平。

當知道TMDS信號的典型信號范圍為AVCC到AVCC-0.5V就能夠得出結論，電流源將設置為通過(guò)50歐姆的偏置電阻(RT)提供10mA電流，以建立接收器輸入電壓。由于TMDS傳輸線(xiàn)是由電流驅動(dòng)，開(kāi)關(guān)上的插入損耗要比電壓驅動(dòng)應用少得多。采用恒定的10mA電流源，不論電阻上的電壓降為多大，都能在接收器輸入端提供正確的電壓(由于沒(méi)有理想的電流源，故需記住開(kāi)關(guān)的導通阻抗不能過(guò)大)。

因此，HDMI/DVI開(kāi)關(guān)的導通電容應該很小。當面對導通電容/導通阻抗的折衷問(wèn)題時(shí)，應當選擇較低的導通電容，因為導通電容對系統性能的影響相對較大。

2. 帶寬

第二個(gè)重要的開(kāi)關(guān)特性是帶寬。要以最大的速率傳輸數據，HDMI/DVI開(kāi)關(guān)就必須具有至少825MHz的帶寬(因為數據速率傳輸為1.65Gbps，并同時(shí)在上升和下降沿觸發(fā))。由此得知在0到825MHz的頻率范圍上，開(kāi)關(guān)的信號損耗不得大于3dB。當傳輸最高視頻分辨率信號時(shí)，如果開(kāi)關(guān)不能達到這種性能，將會(huì )使數據流嚴重衰減，從而導致HDMI或DVI接收器無(wú)法對數據進(jìn)行恢復。此外，較窄的帶寬會(huì )縮短系統可接受的纜線(xiàn)長(cháng)度，使得最終的設計對于消費者的吸引力大減?；谶@些原因，HDMI/DVI開(kāi)關(guān)至少應該具有825MHz的帶寬。

3. 阻抗匹配以減少反射

最后，必須考慮阻抗匹配以及在高速數據線(xiàn)路上增加開(kāi)關(guān)對于信號反射產(chǎn)生的影響。雖然HDMI/DVI開(kāi)關(guān)不可能完美地匹配傳輸線(xiàn)的線(xiàn)阻抗，但是這些開(kāi)關(guān)仍可通過(guò)設計使信號反射減至最小。通過(guò)選擇具有低導通電容和導通阻抗的HDMI開(kāi)關(guān)，便可以將總系統反射降至最小。就信號反射而言，最好選擇較低的導通電容和較高的導通阻抗，這會(huì )使開(kāi)關(guān)輸入端的電壓駐波比(VSWR)具有較大的幅值，有助于補償稍高的導通阻抗導致的任何損耗，并同時(shí)允許加性眼圖波罩余量(eye mask margin)。