如何進(jìn)行高清音視系統高速HDMI接口設計？

HDMI 在成為消費電子的標配接口后也在其它領(lǐng)域如車(chē)載顯示中逐漸得到了廣泛的應用。對于原先不是專(zhuān)業(yè)從事消費音視頻領(lǐng)域的設計工程師來(lái)說(shuō)，設計高頻率HDMI接口有一個(gè)學(xué)習和實(shí)踐的過(guò)程。文章以ADV7842/ADV7511參考設計方案實(shí)例介紹了HDMI輸入和輸出接口的設計和基本要求，HDMI兼容性測試(HDMI Compliance Test )的要求，以及常見(jiàn)的問(wèn)題和推薦的解決方法。

近兩年HDMI 的應用得到了極大的普及。它已遠遠走出了傳統的電視、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位相機和家庭攝像機的必備接口。它在智能手機和車(chē)載顯示的應用也正在蓬勃興起。設計工程師必須對HDMI輸入和輸出接口的設計要求和兼容性測試(HDMI Compliance Test )有一個(gè)基本的了解，從而在設計電路和PCB的設計時(shí)可提前周全考慮以避免重復設計。

HDMI I/O端和電源的設計

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(xiàn)路討論高速高精度視頻PCB設計時(shí)最常見(jiàn)的問(wèn)題和推薦的解決方法。圖1為ADV7842-ADV7511 AV參考線(xiàn)路方框圖，圖2為ADV7842-ADV7511 AV參考線(xiàn)路實(shí)際PCB。

圖1 ADV7842-ADV7511 AV參考線(xiàn)路方框圖

圖2 ADV7842-ADV7511 AV參考線(xiàn)路實(shí)際PCB

HDMI輸入端

在PCB上HDMI連接端子(HDMI connector)到HDMI Rx 數據輸入管腳的長(cháng)度應減至最短，所以HDMI Rx 芯片置放的位置應盡量靠近HDMI連接端子，如圖2所示。過(guò)長(cháng)的連線(xiàn)會(huì )受其他外部源的影響而產(chǎn)生噪聲。連線(xiàn)短，也有助于控制差分阻抗。HDMI TMDS傳輸線(xiàn)的差分阻抗要控制在100Ω左右。差分阻抗與板材、板厚、疊層結構、線(xiàn)寬、線(xiàn)距都密切相關(guān)。建議用戶(hù)跟制板商協(xié)商相關(guān)參數， 在設計時(shí)即有所考慮， 避免再次改板或者調整設計。

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(shí))設計性能，HDMI Rx的供電電源的設計和布板合理性非常重要。典型的HDMI Rx電源設計要注意到的問(wèn)題：

•模擬線(xiàn)路電源：HDMI Rx 模擬線(xiàn)路 部分

–設計時(shí)注意將重要電源與其他的1.8V電源用磁珠隔離開(kāi)來(lái)。

–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(gè)大的去耦電容(例如 10uF)。

•數字線(xiàn)路電源：HDMI Rx 數字線(xiàn)路部分

–設計時(shí)注意將重要電源與其他的

3.3V電源用磁珠隔離開(kāi)來(lái)。

–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。

•在設計電源PCB布板的時(shí)候請特別考慮以下幾點(diǎn)：

–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(kāi)。

–在PCB電源層中：應該盡量避免在其它層上以單線(xiàn)連接電源層。如果不可以避免，應該增加適當的旁路電容(bypass capacitors)。為大電流的供電電源走線(xiàn)時(shí)， 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(xiàn)連接，以盡量降低走線(xiàn)阻抗。電源層上未利用的區域， 盡量用地層填充。不同層的電源(比如在模擬電源上方的數字電源層)的耦合應盡量避免。電流的返回路徑應確保是低阻抗。

•采用旁路電容時(shí)的注意事項：

–旁路電容應置放在離管腳盡可能近的地方。

–連接管腳的線(xiàn)應盡可能短而寬。

–連接地的線(xiàn)也應盡可能短而寬。

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

HDMI測試

HDMI測試中需注意的問(wèn)題有不少，根據HDMI CT (Compliance Test) spec的要求，所有的HDMI接收設備都需要提供EDID信息。以往，多數客戶(hù)會(huì )選擇在DDC總線(xiàn)上外掛EEPROM以存儲EDID信息。為了進(jìn)一步降低用戶(hù)的BOM(bill of material)成本， ADV7842集成了內部RAM用于存儲EDID信息，上電后，用戶(hù)將EDID信息寫(xiě)入即可。 利用ADV7842提供的SPI Master接口，用戶(hù)還可以外掛一顆SPI EEPROM， 這樣用戶(hù)可以將EDID信息永久燒入SPI EEPROM。 ADV7842可以將SPI EEPROM內的信息讀入內部的RAM。 如此，可以減輕軟件的負擔。 當然，這些功能都有相應的寄存器提供使能控制， 用戶(hù)可以關(guān)閉這些功能， 而使用傳統的外掛方式，以兼容過(guò)去的設計。

有了硬件的支持， 當然EDID的內容也要符合HDMI CT Spec的要求。 根據ADI多年來(lái)為客戶(hù)提供免費HDMI預測試的經(jīng)驗，在HDMI預測試過(guò)程中經(jīng)常會(huì )失敗在一些與EDID測試相關(guān)的項目。其實(shí)這些項目如果熟悉規范的相關(guān)要求，通過(guò)相對來(lái)說(shuō)是比較容易的。例如有關(guān)規范要求在EDID的前128個(gè)字節中一定要提供“Monitor Range Limit Header”和“Monitor Name Header”，但如果這兩個(gè)項目的內容各不夠18個(gè)字節的話(huà)，需要以0x0A為結尾同時(shí)以0x20填充剩余的字節。另外一個(gè)經(jīng)常在EDID測試中遇到的問(wèn)題是，客戶(hù)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(méi)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(jìn)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(gè)HDMI CT測試問(wèn)題， 以供各位參考。在對視頻格式支持的測試中，對所有用戶(hù)聲明的能夠支持的視頻格式都會(huì )進(jìn)行測試，而且會(huì )測試支持50Hz的設備對于50Hz±0.5%(即 49.75Hz和50.25Hz)，和支持59.94Hz或者60Hz的設備對59.94%~0.5%(即59.64Hz)和60+0.5%(即 60.3Hz)場(chǎng)頻變化的支持能力。場(chǎng)頻的此變化范圍， ADV7842完全可以支持，但是用戶(hù)在軟件設計中需要注意到這些對視頻格式容忍度的要求。