如何進行高清音視系統(tǒng)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域如車載顯示中逐漸得到了廣泛的應用。對于原先不是專業(yè)從事消費音視頻領域的設計工程師來說，設計高頻率HDMI接口有一個學習和實踐的過程。文章以ADV7842/ADV7511參考設計方案實例介紹了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，以及常見的問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(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 )有一個基本的了解，從而在設計電路和PCB的設計時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參考線路討論高速高精度視頻PCB設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)據輸入管腳的長度應減至最短，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。過長的連線會受其他外部源的影響而產生噪聲。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、疊層結構、線寬、線距都密切相關。建議用戶跟制板商協(xié)商相關參數(shù)， 在設計時即有所考慮， 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)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題：

•模擬線路電源：HDMI Rx 模擬線路 部分

–設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層將電源層和接地層隔開。

–在PCB電源層中：應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，應該增加適當?shù)呐月冯娙?bypass 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。

–連接管腳的線應盡可能短而寬。

–連接地的線也應盡可能短而寬。

–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(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， 用戶可以關閉這些功能， 而使用傳統(tǒng)的外掛方式，以兼容過去的設計。

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多年來為客戶提供免費HDMI預測試的經驗，在HDMI預測試過程中經常會失敗在一些與EDID測試相關的項目。其實這些項目如果熟悉規(guī)范的相關要求，通過相對來說是比較容易的。例如有關規(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容各不夠18個字節(jié)的話，需要以0x0A為結尾同時以0x20填充剩余的字節(jié)。另外一個經常在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，但是用戶在軟件設計中需要注意到這些對視頻格式容忍度的要求。