隨著技術的成熟和價格的下降，市場對支持3D 1080p@60格式和4Kx2K@24顯示需求在日益快速地增長。4Kx2K@30和3D 1080p@60格式的數據傳輸速度將達到普通高清視頻格式1080p的4倍，從而導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用，所以支持3GHz HDMI接收器是這類“超”高清顯示產品視頻接口的首選。
在本文中我們將探討支持“超”高清和3D電視接口的未來需求和趨勢以及設計高速數據3GHz HDMI接收器的巨大技術挑戰。這些挑戰包括自動調節均衡器的設計和優化PCB布局（特別是當使用價位合理的FR4 PCB材料時）的考量。我們還將介紹如何應用ADI的ADV7619 HDMI接收器和標準1080p顯示器來檢驗和測試3GHz數據傳輸。
前言
2009年6月，HDMI 1.4標準的發行建立了觀賞3D立體電視節目和高分辨4K×2K（有時也簡稱4K）信號的傳輸結構標準。自從這個標準發行以來，支持3DTV傳輸格式的器件和電子產品得到了迅猛發展。
3維立體電視（3DTV）被視為電視技術下一個大發展的動力。新的3D技術提供給觀眾真正完美和高清晰度的立體體驗。它將使人們在家里就能夠享受到立體電視和玩三維游戲。在2011的消費電子展（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電子發展的五大趨勢的榜首。
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。在專業音視頻和工業、醫療用音視頻等領域，支持超高分辨率4K×2K的趨勢已經開始。目前已有小至36英寸的4K×2K即將量產。YouTube最近宣布它將支持4K×2K視頻的上傳和顯示。
以4K系統為例，圖1所示的是一個典型的支持4K的系統。支持300MHz的接口由HDMI來實現。系統接收了4K的信號后，可以以兩種方式處理：
圖1 典型的支持4K×2K的HDMI系統
（1）將輸入的4K信號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）作信號處理后再輸出。
因為迄今4K×2K是最高的顯示分辨率，所以用直接輸出（by pass）更能夠體現源視頻高清質量，因而是真正的4K×2K的品質。
實現以上所說3D和4K×2K等最新技術發展的瓶頸之一是帶寬問題。要支持3DTV 60Hz和4K×2K 30Hz，帶寬要達到3Gbs（市場上所謂的“Full HD”1080p的4倍），所以對于系統設計工程師來說最大的挑戰是：
（1）設計出能承載更高帶寬的HDMI數字接口
（2）高于3Gbs音視頻信號的處理
（3）檢驗和測試3Gbs數據傳輸
（4）進行和通過HDMI的認證（HDMI compliance test）
下面我們將著重討論高帶寬的數字接口和高速度數據傳輸的檢測。
高帶寬HDMI數字接口的設計要求
眾所周知，超高頻音視頻信號傳輸時最大問題是信號的過度衰減。信號頻率越高，傳輸距離越長，衰減幅度呈指數急劇下降。圖2是HDMI線纜中輸入信號衰減隨信號頻率變化的曲線圖。
圖2 HDMI線纜中輸入信號的衰減隨信號頻率的變化
在線長為25米、輸入信號頻率為225MHz時（與1080p 12bit deep color對應），信號衰減約為23dB。延伸到300MHz的話，衰減可能會達到25dB~28dB。HDMI標準要求HDMI接收器(Receiver或Rx）能夠接收和復原任何達標的HDMI發射器（transmitter或Tx）送出的HDMI信號，所以通常解決這個問題的方法是在HDMI接收器前端集成信號均衡器（Equalizer或EQ）。信號速度越快，這個均衡器的設計就越困難、越關鍵。
另外我們可以看到信號衰減隨HDMI傳輸線的長短也會有相當大的變化。這個（長短線之間的）變化隨輸入信號的頻率升高而加大。從圖2可以估出在150MHz（1080p）時，5m和25m傳輸線之間信號衰減的差別約為20dB。下面我們以HDMI眼圖來更直觀的說明這個問題。圖3是一個4K的信號經過2米HDMI銅線后的眼圖。盡管長度只有2米，但它的眼圖已經減小的非常厲害了。
圖3 4K×2K信號通過2米HDMI銅線后的眼圖
圖4 4K×2K信號通過2米HDMI銅線后的眼圖
圖4是一個4K的信號經過10米HDMI銅線后的眼圖。它的眼圖基本上已經完全關閉。所以在接收時如果不加任何均衡的話是無法恢復原來的音視頻信號的。
均衡器（equalizer）實質上起的是信號補償的作用。它的補償強度隨輸入信號頻率的增加而增強。其綜合效果是使輸入信號在高頻時損失減少。圖5展示了這樣的效果。藍色曲線顯示輸入信號在HDMI線中（28 AWG）隨輸入信號頻率的升高而衰減，紅色曲線是均衡器補償隨輸入信號頻率的響應曲線，天藍色的曲線則是經過補償后的信號。從圖中可以看到輸入信號的衰減在高頻段明顯改善。
圖5 4K×2K信號通過2米HDMI銅線后的眼圖
由于終端客戶的應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的HDMI線，而在住家中的人們用來連接電視和DVD間的連線則可能長也可能短。這個現象給系統和Rx芯片設計工程師帶來了另一個需要解決的難題——如何使這個前端的均衡器能夠正確地對HDMI傳輸線的長短進行正確地識別、反饋，進而自動調節均衡器的增益？在這里，我們要強調“自動調節增益”的功能，因為要求一般家庭用戶去根據連線的長短來調節電視的設置是不太現實和方便的。在上市的首款300MHz HDMI Rx ADV7619中集成的均衡器采用了“真實動態均衡技術”，使得這個問題得到了比較好的解決。它能根據接輸入信號的HDMI導線的長短自動調節增益。如圖5所示，在HDMI線為10米時，均衡器會將增益優化在3GHz。
另一個系統設計中非常重要的因素是PCB的設計。因為大多數家用電器都會有多個HDMI輸入，所以PCB上HDMI輸入走線的優化和匹配會很關鍵。在設計3GHz的HDMI線路時尤其要注意到以下幾個可能會出現的問題：
（1） TMDS雙線的匹配較差
（2）過長的連線帶來的信號波動與衰減
（3）相鄰引線中的信號干擾（高速信號尤其嚴重）
每對TMDS線對應該盡量緊湊，使得輸入走線的長度能滿足100Ω差分阻抗的要求。特別要注意信號線不要跨越其它數字傳輸和時鐘線，以免引起干擾TMDS信號的串線。
另外，在制版、選擇PCB和元件時也要考慮它們對信號的影響。高規格的PCB材料雖然對抗信號互相干擾性能好，但其價格對消費類產品的成本則壓力過大。而人們常用的FR4材料（介電常數0.45~0.48）對信號的影響會達到每8英寸-1dB。
檢驗和測試3GHz數據傳輸
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。所以如何直接檢驗和測試3GHz數據傳輸以及做更一步的HDMI驗證是亟需解決的一道難題。在ADI的HDMI測試實驗室，我們成功地用ADV7619（HDMI 3Gbs Rx）、1080p的顯示屏和市場上可買到的一般的1080p的信號發生器觀察和測試了4K×2K的信號。下面我們簡單介紹一下測試的方法、原理和裝置。
圖6是4K×2K圖像的驗證裝置流程圖。其功能是將一個4K×2K的圖形轉變為2K×1K的圖再將其用一個支持1080p的屏顯示出來。
圖6 4K×2K圖像的驗證裝置流程圖
（1）4K×2K的HDMI源（source）：
市場上現已有4K×2K的源但成本會較高。我們在這里用ADV7511 HDMI Tx的2X輸出模式（詳細描述可見ADV7511說明書）將一個24bit（每種顏色8bit）的1080p的源轉化成一個3Gbs的HDMI測量源。
（2）4K×2K信號的接收：
ADV7619可以接收24bit的3Gbs HDMI信號。它的輸出由2個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的屏來觀測4K×2K信號的關鍵。1080p的屏是不支持4K×2K的Hsync的，所以我們用一個FPGA（在ADV7619的評估板上）將2個24bit的輸出總線之一的信號的頻率降低一半，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行的隔行數據組成的1K圖像。
結論
3Gbps HDMI接口的解決方案使得用戶可以直接體驗3DTV（60Hz）和4K×2K等HDMI最新標準定義的新功能。接收器前端集成的能自動調節補償強度的均衡器是高速HDMI接收器性能的關鍵。在設計3Gbps視頻系統時必須重視適當和優化的的布線，以防止HDMI信號路徑上高頻信號的相互影響。在ADI的“Engineering Zone”網站上有相關的資料可供大家參考。
測量和驗證是HDMI設計中不可缺少的一環。本文后半部分介紹的方法簡單易行，而且因為不需要購置4K×2K的信號發生器和顯示屏，所以成本也較低。如不打算購買昂貴設備的話這不失為一種可行的驗證方法。
本文作者非常感謝在寫作過程中與ADI的Pablo Acosta和Brett Li所做的諸多有益的討論。 |
