使用3GHz HDMI接收器设计高分辨率影视产品

关键词： 3GHz , HDMI , 高分辨率 , 影视产品

随着技术的成熟和价格的下降，市场对支持3D 1080p@60格式和4Kx2K@24显示需求在日益快速地增长。4Kx2K@30和3D 1080p@60格式的数据传输速度将达到普通高清视频格式1080p的4倍，从而导致视频接口的速度需在3GHz以上。由于HDMI在高清音视频上的广泛应用，所以支持3GHz HDMI接收器是这类“超”高清显示产品视频接口的首选。

在本文中我们将探讨支持“超”高清和3D电视接口的未来需求和趋势以及设计高速数据3GHz HDMI接收器的巨大技术挑战。这些挑战包括自动调节均衡器的设计和优化PCB布局（特别是当使用价位合理的FR4 PCB材料时）的考量。我们还将介绍如何应用ADI的ADV7619 HDMI接收器和标准1080p显示器来检验和测试3GHz数据传输。

前言

2009年6月，HDMI 1.4标准的发行建立了观赏3D立体电视节目和高分辨4K×2K（有时也简称4K）信号的传输结构标准。自从这个标准发行以来，支持3DTV传输格式的器件和电子产品得到了迅猛发展。

3维立体电视（3DTV）被视为电视技术下一个大发展的动力。新的3D技术提供给观众真正完美和高清晰度的立体体验。它将使人们在家里就能够享受到立体电视和玩三维游戏。在2011的消费电子展（CES）上，世界知名日系韩系电视制造商三星、索尼、LG、Panasonic、东芝和近两年崛起的Vizio都大力唱销立体电视。3DTV也自然而然地成为消费电子发展的五大趋势的榜首。

4K×2K，大家通常称之为4K，是最近推出的新的视频格式。它的分辨率比1080p高4倍。在专业音视频和工业、医疗用音视频等领域，支持超高分辨率4K×2K的趋势已经开始。目前已有小至36英寸的4K×2K即将量产。YouTube最近宣布它将支持4K×2K视频的上传和显示。

以4K系统为例，图1所示的是一个典型的支持4K的系统。支持300MHz的接口由HDMI来实现。系统接收了4K的信号后，可以以两种方式处理：

2011-11-9 14:47:33 上传

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图1 典型的支持4K×2K的HDMI系统

（1）将输入的4K信号不作任何处理直接输出或只是处理音频而将视频直接输出（video by pass）。

（2）由音视频处理器（Video Signal Processor，即VSP）作信号处理后再输出。

因为迄今4K×2K是最高的显示分辨率，所以用直接输出（by pass）更能够体现源视频高清质量，因而是真正的4K×2K的品质。

实现以上所说3D和4K×2K等最新技术发展的瓶颈之一是带宽问题。要支持3DTV 60Hz和4K×2K 30Hz，带宽要达到3Gbs（市场上所谓的“Full HD”1080p的4倍），所以对于系统设计工程师来说最大的挑战是：

（1）设计出能承载更高带宽的HDMI数字接口

（2）高于3Gbs音视频信号的处理

（3）检验和测试3Gbs数据传输

（4）进行和通过HDMI的认证（HDMI compliance test）

下面我们将着重讨论高带宽的数字接口和高速度数据传输的检测。

高带宽HDMI数字接口的设计要求

众所周知，超高频音视频信号传输时最大问题是信号的过度衰减。信号频率越高，传输距离越长，衰减幅度呈指数急剧下降。图2是HDMI线缆中输入信号衰减随信号频率变化的曲线图。

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图2 HDMI线缆中输入信号的衰减随信号频率的变化

在线长为25米、输入信号频率为225MHz时（与1080p 12bit deep color对应），信号衰减约为23dB。延伸到300MHz的话，衰减可能会达到25dB~28dB。HDMI标准要求HDMI接收器(Receiver或Rx）能够接收和复原任何达标的HDMI发射器（transmitter或Tx）送出的HDMI信号，所以通常解决这个问题的方法是在HDMI接收器前端集成信号均衡器（Equalizer或EQ）。信号速度越快，这个均衡器的设计就越困难、越关键。

另外我们可以看到信号衰减随HDMI传输线的长短也会有相当大的变化。这个（长短线之间的）变化随输入信号的频率升高而加大。从图2可以估出在150MHz（1080p）时，5m和25m传输线之间信号衰减的差别约为20dB。下面我们以HDMI眼图来更直观的说明这个问题。图3是一个4K的信号经过2米HDMI铜线后的眼图。尽管长度只有2米，但它的眼图已经减小的非常厉害了。

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图3 4K×2K信号通过2米HDMI铜线后的眼图

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图4 4K×2K信号通过2米HDMI铜线后的眼图

图4是一个4K的信号经过10米HDMI铜线后的眼图。它的眼图基本上已经完全关闭。所以在接收时如果不加任何均衡的话是无法恢复原来的音视频信号的。

均衡器（equalizer）实质上起的是信号补偿的作用。它的补偿强度随输入信号频率的增加而增强。其综合效果是使输入信号在高频时损失减少。图5展示了这样的效果。蓝色曲线显示输入信号在HDMI线中（28 AWG）随输入信号频率的升高而衰减，红色曲线是均衡器补偿随输入信号频率的响应曲线，天蓝色的曲线则是经过补偿后的信号。从图中可以看到输入信号的衰减在高频段明显改善。

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图5 4K×2K信号通过2米HDMI铜线后的眼图

由于终端客户的应用情况是各种各样的。比如，带有HDMI Rx的投影仪通常需要较长的HDMI线，而在住家中的人们用来连接电视和DVD间的连线则可能长也可能短。这个现象给系统和Rx芯片设计工程师带来了另一个需要解决的难题——如何使这个前端的均衡器能够正确地对HDMI传输线的长短进行正确地识别、反馈，进而自动调节均衡器的增益？在这里，我们要强调“自动调节增益”的功能，因为要求一般家庭用户去根据连线的长短来调节电视的设置是不太现实和方便的。在上市的首款300MHz HDMI Rx ADV7619中集成的均衡器采用了“真实动态均衡技术”，使得这个问题得到了比较好的解决。它能根据接输入信号的HDMI导线的长短自动调节增益。如图5所示，在HDMI线为10米时，均衡器会将增益优化在3GHz。

另一个系统设计中非常重要的因素是PCB的设计。因为大多数家用电器都会有多个HDMI输入，所以PCB上HDMI输入走线的优化和匹配会很关键。在设计3GHz的HDMI线路时尤其要注意到以下几个可能会出现的问题：

（1） TMDS双线的匹配较差

（2）过长的连线带来的信号波动与衰减

（3）相邻引线中的信号干扰（高速信号尤其严重）

每对TMDS线对应该尽量紧凑，使得输入走线的长度能满足100Ω差分阻抗的要求。特别要注意信号线不要跨越其它数字传输和时钟线，以免引起干扰TMDS信号的串线。

另外，在制版、选择PCB和元件时也要考虑它们对信号的影响。高规格的PCB材料虽然对抗信号互相干扰性能好，但其价格对消费类产品的成本则压力过大。而人们常用的FR4材料（介电常数0.45~0.48）对信号的影响会达到每8英寸-1dB。

检验和测试3GHz数据传输

由于目前4K×2K的源还不是很普及，能直接显示4K×2K的屏则更稀少。所以如何直接检验和测试3GHz数据传输以及做更一步的HDMI验证是亟需解决的一道难题。在ADI的HDMI测试实验室，我们成功地用ADV7619（HDMI 3Gbs Rx）、1080p的显示屏和市场上可买到的一般的1080p的信号发生器观察和测试了4K×2K的信号。下面我们简单介绍一下测试的方法、原理和装置。

图6是4K×2K图像的验证装置流程图。其功能是将一个4K×2K的图形转变为2K×1K的图再将其用一个支持1080p的屏显示出来。

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图6 4K×2K图像的验证装置流程图

（1）4K×2K的HDMI源（source）：

市场上现已有4K×2K的源但成本会较高。我们在这里用ADV7511 HDMI Tx的2X输出模式（详细描述可见ADV7511说明书）将一个24bit（每种颜色8bit）的1080p的源转化成一个3Gbs的HDMI测量源。

（2）4K×2K信号的接收：

ADV7619可以接收24bit的3Gbs HDMI信号。它的输出由2个24bit的输出总线（TTL data bus）组成。

（3）将Hsync的频率降低一倍：

这一步骤是我们能否用1080p的屏来观测4K×2K信号的关键。1080p的屏是不支持4K×2K的Hsync的，所以我们用一个FPGA（在ADV7619的评估板上）将2个24bit的输出总线之一的信号的频率降低一半，使之成为1080p的屏能够支持的Hsync模式。这样在屏上显示的是由原始2K行的隔行数据组成的1K图像。

结论

3Gbps HDMI接口的解决方案使得用户可以直接体验3DTV（60Hz）和4K×2K等HDMI最新标准定义的新功能。接收器前端集成的能自动调节补偿强度的均衡器是高速HDMI接收器性能的关键。在设计3Gbps视频系统时必须重视适当和优化的的布线，以防止HDMI信号路径上高频信号的相互影响。在ADI的“Engineering Zone”网站上有相关的资料可供大家参考。

测量和验证是HDMI设计中不可缺少的一环。本文后半部分介绍的方法简单易行，而且因为不需要购置4K×2K的信号发生器和显示屏，所以成本也较低。如不打算购买昂贵设备的话这不失为一种可行的验证方法。

本文作者非常感谢在写作过程中与ADI的Pablo Acosta和Brett Li所做的诸多有益的讨论。