關(guān)鍵詞： 3GHz , HDMI , 高分辨率 , 影視產(chǎn)品

隨著技術(shù)的成熟和價(jià)格的下降，市場(chǎng)對(duì)支持3D 1080p@60格式和4Kx2K@24顯示需求在日益快速地增長(zhǎng)。4Kx2K@30和3D 1080p@60格式的數(shù)據(jù)傳輸速度將達(dá)到普通高清視頻格式1080p的4倍，從而導(dǎo)致視頻接口的速度需在3GHz以上。由于HDMI在高清音視頻上的廣泛應(yīng)用，所以支持3GHz HDMI接收器是這類“超”高清顯示產(chǎn)品視頻接口的首選。

在本文中我們將探討支持“超”高清和3D電視接口的未來(lái)需求和趨勢(shì)以及設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)3GHz HDMI接收器的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括自動(dòng)調(diào)節(jié)均衡器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化PCB布局（特別是當(dāng)使用價(jià)位合理的FR4 PCB材料時(shí)）的考量。我們還將介紹如何應(yīng)用ADI的ADV7619 HDMI接收器和標(biāo)準(zhǔn)1080p顯示器來(lái)檢驗(yàn)和測(cè)試3GHz數(shù)據(jù)傳輸。

前言

2009年6月，HDMI 1.4標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)行建立了觀賞3D立體電視節(jié)目和高分辨4K×2K（有時(shí)也簡(jiǎn)稱4K）信號(hào)的傳輸結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。自從這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行以來(lái)，支持3DTV傳輸格式的器件和電子產(chǎn)品得到了迅猛發(fā)展。

3維立體電視（3DTV）被視為電視技術(shù)下一個(gè)大發(fā)展的動(dòng)力。新的3D技術(shù)提供給觀眾真正完美和高清晰度的立體體驗(yàn)。它將使人們?cè)诩依锞湍軌蛳硎艿搅Ⅲw電視和玩三維游戲。在2011的消費(fèi)電子展（CES）上，世界知名日系韓系電視制造商三星、索尼、LG、Panasonic、東芝和近兩年崛起的Vizio都大力唱銷立體電視。3DTV也自然而然地成為消費(fèi)電子發(fā)展的五大趨勢(shì)的榜首。

4K×2K，大家通常稱之為4K，是最近推出的新的視頻格式。它的分辨率比1080p高4倍。在專業(yè)音視頻和工業(yè)、醫(yī)療用音視頻等領(lǐng)域，支持超高分辨率4K×2K的趨勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始。目前已有小至36英寸的4K×2K即將量產(chǎn)。YouTube最近宣布它將支持4K×2K視頻的上傳和顯示。

以4K系統(tǒng)為例，圖1所示的是一個(gè)典型的支持4K的系統(tǒng)。支持300MHz的接口由HDMI來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)接收了4K的信號(hào)后，可以以兩種方式處理：

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圖1 典型的支持4K×2K的HDMI系統(tǒng)

（1）將輸入的4K信號(hào)不作任何處理直接輸出或只是處理音頻而將視頻直接輸出（video by pass）。

（2）由音視頻處理器（Video Signal Processor，即VSP）作信號(hào)處理后再輸出。

因?yàn)槠?K×2K是最高的顯示分辨率，所以用直接輸出（by pass）更能夠體現(xiàn)源視頻高清質(zhì)量，因而是真正的4K×2K的品質(zhì)。

實(shí)現(xiàn)以上所說(shuō)3D和4K×2K等最新技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一是帶寬問(wèn)題。要支持3DTV 60Hz和4K×2K 30Hz，帶寬要達(dá)到3Gbs（市場(chǎng)上所謂的“Full HD”1080p的4倍），所以對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)最大的挑戰(zhàn)是：

（1）設(shè)計(jì)出能承載更高帶寬的HDMI數(shù)字接口

（2）高于3Gbs音視頻信號(hào)的處理

（3）檢驗(yàn)和測(cè)試3Gbs數(shù)據(jù)傳輸

（4）進(jìn)行和通過(guò)HDMI的認(rèn)證（HDMI compliance test）

下面我們將著重討論高帶寬的數(shù)字接口和高速度數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋z測(cè)。

高帶寬HDMI數(shù)字接口的設(shè)計(jì)要求

眾所周知，超高頻音視頻信號(hào)傳輸時(shí)最大問(wèn)題是信號(hào)的過(guò)度衰減。信號(hào)頻率越高，傳輸距離越長(zhǎng)，衰減幅度呈指數(shù)急劇下降。圖2是HDMI線纜中輸入信號(hào)衰減隨信號(hào)頻率變化的曲線圖。

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圖2 HDMI線纜中輸入信號(hào)的衰減隨信號(hào)頻率的變化

在線長(zhǎng)為25米、輸入信號(hào)頻率為225MHz時(shí)（與1080p 12bit deep color對(duì)應(yīng)），信號(hào)衰減約為23dB。延伸到300MHz的話，衰減可能會(huì)達(dá)到25dB~28dB。HDMI標(biāo)準(zhǔn)要求HDMI接收器(Receiver或Rx）能夠接收和復(fù)原任何達(dá)標(biāo)的HDMI發(fā)射器（transmitter或Tx）送出的HDMI信號(hào)，所以通常解決這個(gè)問(wèn)題的方法是在HDMI接收器前端集成信號(hào)均衡器（Equalizer或EQ）。信號(hào)速度越快，這個(gè)均衡器的設(shè)計(jì)就越困難、越關(guān)鍵。

另外我們可以看到信號(hào)衰減隨HDMI傳輸線的長(zhǎng)短也會(huì)有相當(dāng)大的變化。這個(gè)（長(zhǎng)短線之間的）變化隨輸入信號(hào)的頻率升高而加大。從圖2可以估出在150MHz（1080p）時(shí)，5m和25m傳輸線之間信號(hào)衰減的差別約為20dB。下面我們以HDMI眼圖來(lái)更直觀的說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。圖3是一個(gè)4K的信號(hào)經(jīng)過(guò)2米HDMI銅線后的眼圖。盡管長(zhǎng)度只有2米，但它的眼圖已經(jīng)減小的非常厲害了。

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圖3 4K×2K信號(hào)通過(guò)2米HDMI銅線后的眼圖

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圖4 4K×2K信號(hào)通過(guò)2米HDMI銅線后的眼圖

圖4是一個(gè)4K的信號(hào)經(jīng)過(guò)10米HDMI銅線后的眼圖。它的眼圖基本上已經(jīng)完全關(guān)閉。所以在接收時(shí)如果不加任何均衡的話是無(wú)法恢復(fù)原來(lái)的音視頻信號(hào)的。

均衡器（equalizer）實(shí)質(zhì)上起的是信號(hào)補(bǔ)償?shù)淖饔?。它的補(bǔ)償強(qiáng)度隨輸入信號(hào)頻率的增加而增強(qiáng)。其綜合效果是使輸入信號(hào)在高頻時(shí)損失減少。圖5展示了這樣的效果。藍(lán)色曲線顯示輸入信號(hào)在HDMI線中（28 AWG）隨輸入信號(hào)頻率的升高而衰減，紅色曲線是均衡器補(bǔ)償隨輸入信號(hào)頻率的響應(yīng)曲線，天藍(lán)色的曲線則是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的信號(hào)。從圖中可以看到輸入信號(hào)的衰減在高頻段明顯改善。

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圖5 4K×2K信號(hào)通過(guò)2米HDMI銅線后的眼圖

由于終端客戶的應(yīng)用情況是各種各樣的。比如，帶有HDMI Rx的投影儀通常需要較長(zhǎng)的HDMI線，而在住家中的人們用來(lái)連接電視和DVD間的連線則可能長(zhǎng)也可能短。這個(gè)現(xiàn)象給系統(tǒng)和Rx芯片設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了另一個(gè)需要解決的難題——如何使這個(gè)前端的均衡器能夠正確地對(duì)HDMI傳輸線的長(zhǎng)短進(jìn)行正確地識(shí)別、反饋，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)均衡器的增益？在這里，我們要強(qiáng)調(diào)“自動(dòng)調(diào)節(jié)增益”的功能，因?yàn)橐笠话慵彝ビ脩羧ジ鶕?jù)連線的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)節(jié)電視的設(shè)置是不太現(xiàn)實(shí)和方便的。在上市的首款300MHz HDMI Rx ADV7619中集成的均衡器采用了“真實(shí)動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)”，使得這個(gè)問(wèn)題得到了比較好的解決。它能根據(jù)接輸入信號(hào)的HDMI導(dǎo)線的長(zhǎng)短自動(dòng)調(diào)節(jié)增益。如圖5所示，在HDMI線為10米時(shí)，均衡器會(huì)將增益優(yōu)化在3GHz。

另一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的因素是PCB的設(shè)計(jì)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)家用電器都會(huì)有多個(gè)HDMI輸入，所以PCB上HDMI輸入走線的優(yōu)化和匹配會(huì)很關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)3GHz的HDMI線路時(shí)尤其要注意到以下幾個(gè)可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題：

（1） TMDS雙線的匹配較差

（2）過(guò)長(zhǎng)的連線帶來(lái)的信號(hào)波動(dòng)與衰減

（3）相鄰引線中的信號(hào)干擾（高速信號(hào)尤其嚴(yán)重）

每對(duì)TMDS線對(duì)應(yīng)該盡量緊湊，使得輸入走線的長(zhǎng)度能滿足100Ω差分阻抗的要求。特別要注意信號(hào)線不要跨越其它數(shù)字傳輸和時(shí)鐘線，以免引起干擾TMDS信號(hào)的串線。

另外，在制版、選擇PCB和元件時(shí)也要考慮它們對(duì)信號(hào)的影響。高規(guī)格的PCB材料雖然對(duì)抗信號(hào)互相干擾性能好，但其價(jià)格對(duì)消費(fèi)類產(chǎn)品的成本則壓力過(guò)大。而人們常用的FR4材料（介電常數(shù)0.45~0.48）對(duì)信號(hào)的影響會(huì)達(dá)到每8英寸-1dB。

檢驗(yàn)和測(cè)試3GHz數(shù)據(jù)傳輸

由于目前4K×2K的源還不是很普及，能直接顯示4K×2K的屏則更稀少。所以如何直接檢驗(yàn)和測(cè)試3GHz數(shù)據(jù)傳輸以及做更一步的HDMI驗(yàn)證是亟需解決的一道難題。在ADI的HDMI測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，我們成功地用ADV7619（HDMI 3Gbs Rx）、1080p的顯示屏和市場(chǎng)上可買到的一般的1080p的信號(hào)發(fā)生器觀察和測(cè)試了4K×2K的信號(hào)。下面我們簡(jiǎn)單介紹一下測(cè)試的方法、原理和裝置。

圖6是4K×2K圖像的驗(yàn)證裝置流程圖。其功能是將一個(gè)4K×2K的圖形轉(zhuǎn)變?yōu)?K×1K的圖再將其用一個(gè)支持1080p的屏顯示出來(lái)。

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圖6 4K×2K圖像的驗(yàn)證裝置流程圖

（1）4K×2K的HDMI源（source）：

市場(chǎng)上現(xiàn)已有4K×2K的源但成本會(huì)較高。我們?cè)谶@里用ADV7511 HDMI Tx的2X輸出模式（詳細(xì)描述可見(jiàn)ADV7511說(shuō)明書(shū)）將一個(gè)24bit（每種顏色8bit）的1080p的源轉(zhuǎn)化成一個(gè)3Gbs的HDMI測(cè)量源。

（2）4K×2K信號(hào)的接收：

ADV7619可以接收24bit的3Gbs HDMI信號(hào)。它的輸出由2個(gè)24bit的輸出總線（TTL data bus）組成。

（3）將Hsync的頻率降低一倍：

這一步驟是我們能否用1080p的屏來(lái)觀測(cè)4K×2K信號(hào)的關(guān)鍵。1080p的屏是不支持4K×2K的Hsync的，所以我們用一個(gè)FPGA（在ADV7619的評(píng)估板上）將2個(gè)24bit的輸出總線之一的信號(hào)的頻率降低一半，使之成為1080p的屏能夠支持的Hsync模式。這樣在屏上顯示的是由原始2K行的隔行數(shù)據(jù)組成的1K圖像。

結(jié)論

3Gbps HDMI接口的解決方案使得用戶可以直接體驗(yàn)3DTV（60Hz）和4K×2K等HDMI最新標(biāo)準(zhǔn)定義的新功能。接收器前端集成的能自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償強(qiáng)度的均衡器是高速HDMI接收器性能的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)3Gbps視頻系統(tǒng)時(shí)必須重視適當(dāng)和優(yōu)化的的布線，以防止HDMI信號(hào)路徑上高頻信號(hào)的相互影響。在ADI的“Engineering Zone”網(wǎng)站上有相關(guān)的資料可供大家參考。

測(cè)量和驗(yàn)證是HDMI設(shè)計(jì)中不可缺少的一環(huán)。本文后半部分介紹的方法簡(jiǎn)單易行，而且因?yàn)椴恍枰?gòu)置4K×2K的信號(hào)發(fā)生器和顯示屏，所以成本也較低。如不打算購(gòu)買昂貴設(shè)備的話這不失為一種可行的驗(yàn)證方法。

本文作者非常感謝在寫(xiě)作過(guò)程中與ADI的Pablo Acosta和Brett Li所做的諸多有益的討論。