CRC测试对视频应用有重要作用

摘要

自动化和识别复杂视频信号链中小型工程变更的影响可能是一项费力不讨好的工作。评估低成本数字视频电缆是否会降低系统性能，电源调整是否增加了系统的抖动容限，或者备用PLL配置是否提供了更高的电源噪声抗扰度，这些都是当今设计和生产工程师面临的典型挑战视频产品设计和制造商必须克服。

尽管有许多视频评估工具可用于协助此类活动，但这些工具通常会占用大量资本预算，需要时间进行设置，需要培训才能正常运行，以及提供难以解释的结果。一个简单的错误检测算法，如循环冗余校验（CRC）可以作为一个粗略但有效的工具，在使用更复杂和昂贵的评估工具完善系统投入大量资金之前 - 特别是在自动化，上市时间和成本是重要的考虑因素。

数字视频系统

近年来，针对消费者，专业和汽车应用的数字视频传输媒体的激增引发了许多视频焦点的变化产品设计和制造商。实现卓越模拟性能的要求已经趋于稳定，并且已经取代了实现尽可能高的数字数据速率的需求。这些传输介质包括DVI，HDMI ®，LVDS ®，MHL ®和APIX ®。

HDMI的增长一直是此次竞争中提高数据速率的主要动力之一。从一开始，支持高达1.65 GHz的视频传输便于传输1080p视频（1920像素×1080线）和8位色深 - 视频格式提供超过10倍模拟NTSC视频的视频分辨率。近年来HDMI规范的进一步发展已经看到支持的最大视频分辨率的数据速率延伸到2.25 GHz到3 GHz，并且在未来的规范修订版中卡片的可能性进一步增加（见图1）。

HDMI 1.4a中指定的ultraHD 3 GHz最大视频分辨率（4k×2k，24 Hz，25 Hz或30 Hz）可在家庭娱乐系统中实现影院风格的清晰度。单帧4k×2k数据由4096个像素和2160行组成，每秒传输24帧，这意味着3 GHz视频源和接收器必须能够每秒传输或接收超过800万像素的活动视频数据。毫无疑问。

随着链路上传输的数据量的增加，每个比特传输的周期缩短，链路上发生比特错误的可能性也会增加。发生一系列误码时会发生什么？可能是在有效视频区域期间发生比特错误的情况，这导致一些像素被错误地显示。然而，如果在HDMI流中的控制周期期间发生那一系列比特错误，则可能扰乱同步数据;这可能会导致屏幕上出现干扰，例如水平或垂直条纹或图像闪光。当结合HDMI规范 - 高清内容保护（HDCP）采用的数据加密协议时，这种风险更加复杂。

HDCP用于保护高价值视频内容，因为它通过视频链接传输，防止在源设备（DVD播放器或机顶盒）和接收器之间传输时非法复制电影和电视内容设备（如电视）。在源设备和宿设备之间建立HDCP链路所涉及的时间可以从不到一秒到几秒不等。建立HDCP链接后，图片在接收设备上可见。通过每隔几秒或者之后一定数量的视频帧在传感器和源设备之间传送链路完整性检查来维护链路。如果上述一系列比特错误导致图像闪烁，触发需要重新建立的认证链路，用户可能会看到雪噪声 - HDCP认证失败的指示 - 在屏幕上（如图2所示）。然后可能需要几秒钟才能重新建立经过身份验证的链接，并使图片返回 - 导致用户受挫和现场返回。

现代视频信号链通常包含许多不同的设备。例如，音频视频接收器（AVR）的材料清单可以包括HDMI缓冲器，HDMI多路复用器，HDMI和模拟视频接收器，HDMI发送器和集成缩放，去隔行和屏幕显示功能的视频信号处理器。为了进一步增加复杂性，这些设备通常可以来自各种半导体供应商。开发包含所有这些设备并支持具有如此高数据速率的视频格式的可靠视频信号链正成为视频产品设计和制造商面临的重大挑战。电缆质量，电源设计，信号完整性，PCB质量和硅设置需要处于绝对最佳状态，才能成功支持此类视频格式。但视频产品设计制造商如何轻松评估调整对任何此类系统元素的影响？

循环冗余校验

循环冗余校验（CRC）是一种冗余校验，由韦斯利帕特森于1961年发明。 1 它可用于检测数字数据中的错误，主要用于数据传输系统;例如，32位CRC用于通过以太网传输数据。 CRC只能检测数字数据中的错误;一旦检测到它就无法纠正它们。此功能仅限于更复杂的算法，如纠错码（ECC）或前向纠错（FEC），CRC无法识别接收数据中的错误数。

存在许多不同的CRC实现，但同样的基本前提仍然存在;数据发送器在发送数据之前计算并附加多个校验位（通常称为校验和）。这通常通过将要传输的数据除以固定的二进制数来实现;然后，该部门的其余部分形成校验和。接收器可以使用发送器侧计算的倒数来确定校验位是否与数据一致。如果在接收器侧计算的校验和与发送器侧计算的校验和不匹配，则接收器可以断定数据传输中发生错误并请求重传数据。

视频信号链不能模仿先前概述的典型数据发送器和接收器对。然而，在视频信号链中，链路是单向的，因此视频接收器（例如电视）不可能请求视频源（例如蓝光播放器）重新发送错误接收的数据帧。为了解释这种不对称性，CRC必须以稍微不同的方式实现。鉴于已经概述的限制，视频信号链中用于执行分析的明显位置在视频接收器中。视频接收器可以将CRC应用于后续输入视频数据帧，唯一需要注意的是输入视频数据的内容必须是静态的 - 例如，SMPTE视频测试模式或DVD播放器菜单屏幕。

< p>使用已知多项式（例如，x 16 + x 12 + x 5 + 1）构造CRC作为除数，所选帧的视频数据或帧数作为分子，余数作为测试视频数据是否已改变的手段。已知的多项式永远不会改变;如果输入视频没有改变（即没有位错误的静态模式），则余数应始终保持不变（见公式1）。

如果后续帧的余数保持不变，那么帧是相同的，并且系统在可称为“最佳位置”的位置运行;硬件和软件设置的组合，可产生最佳的系统性能。如果后续帧的校验和不匹配，则帧不同，系统需要进行优化。

CRC：替代方案

误码率测试是一个有趣的替代方案CRC测试的主要好处在于它可以帮助量化数据受损的程度。误码率测试需要将参考模式输入系统;与参考模式相比较，分析系统的输出，并且差异的数量给出了已经发生的比特错误的数量的指示。如果输出模式与参考模式完全匹配，则不会发生误码，系统正在其最佳位置执行;如果输出模式与参考模式不同，差异的数量可以提供数据受损程度的一些指示。

虽然误码率测试是一个非常强大的工具，但输入要求并且能够根据已知模式分析输出也是其局限之一。对提供量化数据降级水平的能力的参考模式的需求显着降低了其灵活性。误码率测试只能应用于已知模式; CRC可以应用于任何静态数据模式，这意味着它可以在各种情况下即时使用。这些情况包括原型系统的开发和评估，产品的最终测试以及客户问题回报的现场调试。

ADV7850

ADV7850是ADI首款面向消费者和专业音频/视频市场的完整AV前端设备。该器件采用4输入HDMI接收器，支持高达4k×2k，30 Hz的视频分辨率;视频和图形数字化仪，能够以高达170 MHz的频率运行;高速串行视频输出; 3D Comb视频解码器和音频编解码器。除了作为全面的单芯片音频/视频前端之外，ADV7850还集成了一个采用CRC的帧检测器。帧检查器位于ADV7850输出之前，朝向ADV7850信号链的末端（参见图3），允许检查HDMI输入的整个视频路径。此功能不适用于模拟输入，因为模数转换器（ADC）引入的最低有效位（LSB）错误可以在高达170 MHz的频率下运行。

ADV7850中的帧校验器，利用CRC-16-CCITT多项式（x 16 + x 12 + x 5 +1），设计分析用户可配置的帧数，并通过单个I 2 C位启用。 2 启用后，帧检查器计算每个用户可配置的校验和通过分析每个视频通道上的每个数据像素，帧数（最多255个）;绿色，红色和蓝色（范围从300,000像素，480p到8,000,000像素，4k×2k）。要分析的帧数通过I 2 C控制配置。

当帧检查器完成其分析时，它会报告一组结果每个通道（HDMI通过红色，绿色和蓝色通道传输数据）通过I 2 C。如已经针对静态输入所概述的，执行CRC的多次迭代应该提供一致的结果：两个帧之间的单个像素差异（高达16,000,000个像素的数据）将导致不同的校验和结果。无论像素差异是由于源上的噪声，传输介质中间歇性引起的噪声，还是由于ADV7850的错误配置引起的，都会显示错误。然后，系统设计人员可以优化系统并重复测试。

CRC的阶段

帧检查器的功能都很好但是在现实世界中应用这些功能可以实现真正的价值。 ADV7850的帧检查器可以在视频产品的整个开发周期内以及制造周期中使用。

开发阶段

可以在开发阶段的许多方面使用CRC。视频产品，有助于自动化测试，评估视频信号链的性能，评估热测试对系统的影响，电源测试期间，甚至在电缆选择期间，如果要为产品提供电缆。< / p>

符合性测试

在视频产品可以作为HDMI兼容销售并带有HDMI徽标之前，产品必须在获得官方许可的HDMI认证测试中心（ATC）进行一系列严格测试）。这些测试可确保产品满足HDMI一致性测试规范（CTS）中规定的所有要求，该规范与主HDMI规范结合使用。作为这套测试的一部分进行的最艰难的测试之一是分析视频接收器在时钟和数据通道上的抖动程度。

如果没有在官方测试中指定的设备内部访问，视频产品设计人员和制造商经常发送他们的原型系统以进行昂贵的预合规检查，那么满足此测试中列出的标准通常具有挑战性。 / p>

如果指定的设备不可用，ADV7850中的帧检查器可用作预先合规测试的早期迭代的低成本替代品。帧检查器可以深入了解接收器是否正确接收和解码HDMI数据（可能影响此范围的因素，从正确的配置写入是否被用于电源设计），并允许工程师自动执行此类测试。如果指定的设备可用，仍然可以使用帧检查器，因为它提供了对接收器是否正确接收和解码数据标记随机错误的明确见解。这种级别的分析超出了CTS的要求，只需要进行目视检查。

HDMI电缆选择

许多视频产品设计人员和制造商，尤其是专业音频/视频市场，依靠HDMI线缆在系统组件之间路由视频。 HDMI电缆使用19个信号载波构成; HDMI规范概述了五种不同类别的HDMI电缆，用于不同的速度等级。

电缆可以通过各种方式影响通过它们的信号。由于带宽有限，电缆通常会衰减通过它们的信号，从而减少信号的垂直眼图开度。眼图开口也可能因符号间干扰（ISI）抖动而降级。主要由阻抗不匹配引起，ISI抖动通常会降低信号的水平眼图开度。符号的这种“模糊”使得接收器更难以解码和解释数据。

例如，在视频会议系统中，视频可以从一个房间从中央控制台路由到多个监视器或投影仪通过一系列长达30米的HDMI电缆（见图6）。然而，这种长度的HDMI电缆可能是系统成本的重要组成部分，价格从数十美元到数百美元不等。视频产品设计人员和制造商可能会选择评估来自低，中，高成本供应商的电缆。电缆供应商通常可以通过这些电缆的质量来证明他们制造的电缆的成本;但是，视频产品设计和制造商必须平衡他们选择为其产品供应的电缆的质量和成本。

在评估影响时，可以使用框架检查器来达到良好的效果系统中不同的电缆，其他一切都保持静止。系统评估工程师必须首先对已知的CRC无错误的电缆进行基准测试。使用框架检查器，该测试可以自动重复数千次迭代，以确保一致性，并将结果导出到数据分析工具。

一旦定义了基准，系统评估工程师就可以用更便宜或更长的电缆替代，并重复相同的测试，在第一个程度上评估变化的影响。框架检查器测试的自主特性意味着此活动不需要占用宝贵的工程时间 - 它可以在其他任务完成时启动并保持运行。一旦测试完成，就可以完成第一级分析，以确定替代电缆是否已将误码引入系统。如果没有检测到错误，那么电缆可能适合进一步分析。

框架检查器的另一个可能用途是评估扩展产品规格的影响，只需最少的硬件更改。典型的调查如下：视频产品设计和制造商目前正在使用已知良好的电缆，该电缆已经被系统表征并提供合理且可信赖的性能水平。从电缆接收的数据降级到它在1080p上轻微撞击HDMI一致性测试规格抖动容限模板的程度，但不会导致ADV7850在恢复数据时出现任何问题（参见图7）< SUP> 3 。使用框架检查器，可以以自动方式将电缆的性能基准测试到一定水平 - 测试可以在数千次迭代中运行并记录结果。

如果，在产品刷新，支持4k×2k（双倍时钟和1080p 8位数据速率）添加到硬件，可以完成重新验证电缆的初始工作。使用简单的方法检查电缆对4k×2k数据的影响，使用合规设备记录令人担忧的结果（见图8）。电缆中的损耗现在导致信号的显着降级。在功能测试中，ADV7850仍然可以恢复数据，但所有数据仍然完好无损吗？是否存在随机或一系列间歇性误码，这些误差可能导致触发严重的系统问题，如HDCP雪噪声（如前所述），现在数据中是否存在？

系统评估工程师可以使用ADV7850中的帧检查器功能确定第一个问题的答案。 CRC结果可记录在数千次测试中，并与较低分辨率视频标准下相同电缆的记录结果进行比较。这将允许工程师粗略确定规范的扩展是否在技术上可行。

电源测试

电源是设计中最重要的一个方面。被解决，并被许多人认为是最具挑战性的之一。许多因素会影响电源输出的质量，电源的输出会影响系统的许多特性。电源通常会在视频流中引入特定类型的噪声或抖动：周期性抖动。

设计人员必须选择是采用线性压差稳压器（LDO）还是开关模式电源（SMPS）;使用什么频率开关调节器以及应采用什么滤波器来抑制任何谐波进入系统;电源平面是在单层还是多层上布线;平面是否有可能在相邻层上重叠;如何实现去耦电容器架构 - 甚至选择去耦电容器的位置，尺寸和材料;所有这些因素以及更多因素都可以产生重大影响。

在评估电源设计变更对电路板的单个版本和电路板的多个版本之间的影响时，可以使用CRC测试。通过改变系统上采用的去耦电容的架构（例如，值和位置）并在每次更改后运行一系列自动CRC测试，系统评估工程师可以粗略地对哪个去耦架构进行基准测试，以帮助实现最稳定的系统CRC错误最少。系统评估工程师还可以通过对原型系统进行CRC测试来对原型系统后续版本中的更改进行基准测试，只要没有进行其他重要的布局和原理图更改。最后，CRC测试可用于获取系统可能遇到的自然容差中可能发生的变化的影响 - 例如，通过电源组件的容差来调整电源电压水平。

热测试

确认视频产品在指定的温度范围内正常运行是一个至关重要的评估阶段。视频产品设计人员和制造商必须确保其产品中的环境温度不超过芯片供应商的规格，并确保产品的环境温度范围（例如，消费者的0°C至+ 70°C）产品或-40°C至+ 85°C / + 105°C（汽车产品），产品性能一致且可靠。

通常在此类测试中，原型系统放置在温度控制的烘箱中，可以在产品指定的温度范围内循环 - 例如，-40°C至+ 85°C - 进行数千次迭代。然后观察系统的输出，以确保它在整个温度范围，视频频率和视频模式下都是稳定的。使用CRC测试可以很容易地自动化测试，并设置为无限期运行。

通过自动控制烤箱，视频发生器和CRC分析工具，系统评估工程师可以轻松扫描温度，更改视频格式和模式，同时监控视频数据的逐帧CRC结果。如果视频模式和格式保持不变时没有发生变化，则测试可以继续;如果在视频模式和格式不变时发生CRC的变化，则应记录环境变量（例如，温度，视频格式和视频模式），并且测试可以继续。这种类型的测试可以很容易地设置为在一夜之间或周末运行，结果是无人完成数百小时的稳健性测试。

软件配置更改

某些方面现代半导体器件需要根据其所包含的原型系统进行调谐 - 例如，可能需要调整时钟和数据关系以适应特别长或短的信号路径。在这种情况下可以采用CRC测试来帮助调整可用的控制 - 例如，均衡器设置，PLL设置，时钟和数据相位关系 - 以提供最稳定的系统。

制造阶段

当视频产品设计和制造商需要通过检查其成品的全部或横截面来验证其制造过程的一致性和正确性时，CRC是一种可用于测量正确焊接的工具某些连接器（例如，HDMI）和外部无源和有源设备（例如，HDMI ESD设备）。

CRC可以多种方式用于生产线末端测试; CRC可以在视频产品本身中实现，或者CRC可以在独立的独立终端测试设备中实现（参见图11）。在不包含ADV7850的视频产品中实现CRC可能需要在视频信号链中包含FPGA或微控制器半导体解决方案，以支持提供CRC的能力。

实施独立的独立终端测试设备中的CRC可以降低视频产品的BOM成本，但需要在独立设备上进行投资。然而，它确实能够测试整个系统的稳定性 - 嵌入视频信号链的CRC测试解决方案提供的覆盖范围取决于该测试解决方案的信号链中的位置。位于信号链起点附近的CRC测试可提供低至中等水平的覆盖;位于信号链末端附近的CRC测试可以提供中等到高水平的覆盖范围。

然后，制造质量控制可以根据在CRC上进行的CRC测试结果确定接受和拒绝标准。单元;发送故障单元进行调试（一个也可能涉及CRC测试的过程）并将通过单元发送到包装和运输。

结论

CRC测试是工程师在系统开发，制造和调试测试方法方面的强大工具。虽然它无法量化系统因某些问题（例如误码率测试）而降级的确切程度，但它有助于大量基本评估任务的自动化，并有助于捕获那些偶然的视觉检查误码只是不要抓住。它也非常灵活，因为它可以在任何静态模式上运行 - 不需要事先知道模式，并且使用ADV7850，可以轻松实现CRC测试。