如何進(jìn)行高清音視系統(tǒng)高速HDMI接口設(shè)計？

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)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?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(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(jìn)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(fù)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(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(jìn)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。