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应用高品质模拟技术设计高性能HDMITM v1.3接口

作者:窦烈,李勇量


摘要:
HDMITM v1.3标准的发行,旨在给影视消费者带来更加清晰的画面和更加丰富的色彩。相对于前两次HDMI标准的升级,其技术要求有相当大的提高。同时它也对HDMI芯片本身的设计提出相当大的挑战。对于本身为数字接口的HDMI,高质量模拟设计技术却是保证其高性能的基本和必要的一环。   
本文列举了最新的HDMITM v1.3标准的关键部分并试图探讨其对设计未来高清电视的挑战。本文还集中讨论了运用模式技术设计的高效信号补偿器(Input Equalizer) 对改善HDMI接收芯片(Receiver或者Rx) 的性能所起的关键作用。

HDMI接口发展趋势以及对系统设计的挑战:
研发HDMITM v1.3兼容的产品是HDMI接口发展的近期趋势。HDMITM v1.3标准中一个最重要的功能是能够传输深色(Deep Color)。这要求HDMI Rx的接收速度至少能够达到225 MHz (12-bit 1080P 信号),所以在HDMITM v1.3 Rx芯片中集成高质量的信号补偿器(Input Equalizer) 去补偿高频输入信号在线缆中的衰减极为重要。

图-1	信号在HDMI传输线中的衰减
图-1 信号在HDMI传输线中的衰减

图-1是线缆中输入信号衰减随信号频率变化的曲线图。四条不同颜色的曲线对应于从2米到25米不同长度的HDMI线缆。两条红色竖线代表两个重要视频模式的取样频率, 8-bit 1080P以及12-bit 1080P。所以在高频输入情况下当线长大于15米的时候,即使HDMI线缆的质量不错,也会因为眼图闭合从而影响图像质量。此外由于价格因素,市场上还有不少低质量的HDMI线缆,即使是普通长度,这些质量较差的线缆在传输高频信号时也会给信号带来过度衰减。图-2是一市场上购得的3米线的眼图。当输入频率达到约148MHz时(1080P,8-bit) ,它的眼图则已无法通过HDMI标准测试(图-2中的右图)。

图-2	一条低质量HDMI传输线的眼图
图-2 一条低质量HDMI传输线的眼图

迎接挑战 - 设计高质量的Equalizer:
综上所述,在HDMI Rx中集成高质量的输入Equalizer已是必不可少。图-3a 是Equalizer设计原理的示意图. EQUALIZER的主要功能是将输入信号进行高频补偿后与原输入信号进行迭加,α是一可变的补偿因子。

图-3a	EQUALIZER简单原理示意图
图-3a EQUALIZER简单原理示意图

图-3b	EQUALIZER理想补偿响应曲线
图-3b EQUALIZER理想补偿响应曲线

Equalizer对输入信号衰减的补偿应随输入信号的频率增高而加大。若信号衰减曲线如绿色曲线表示,则理想情况下Equalizer的补偿响应曲线应如同红色曲线所示(图-3b)。在设计中还需考虑另一重要因素,那就是在实际使用中所需要的补偿是变的。因为用户使用的情况和方式千变万化,线缆的长短不一,线缆的质量也参差不齐,这就要求对不同的情况加以不同程度的补偿。否则过度补偿或补偿不足都会影响接收质量。图-4 定性的显示了适量补偿(A) ,过度补偿(B)或补偿不足(C) 对眼图的影响。

图-4	EQUALIZER补偿程度对眼图的影响
图-4 EQUALIZER补偿程度对眼图的影响

芯片设计工程师们做了一系列努力解决以上所提出的适度补偿的问题。一个可行的方法是设计自适应(Adaptive)的Equalizer。虽然它对芯片设计本身要求较高,但其优点是根据输入信号的情况调节补偿程度所以精确度高,而且由于这些都是由芯片自行完成的,不需系统软件调节任何寄存器所以使用起来非常方便。例如集成在Analog Devices Inc.(ADI) 的AD9388A (HDMITM v1.3 Rx) 中的Equalizer正是采用了这种设计,所以能适用于各种不同长度和不同质量HDMI线缆。图-5所示是定性的AD9388A Equalizer的设计指标。因为它对信号衰减的补偿是随线缆的长度而自动变化的,所以无论线长是5米还是25米都可得到好的眼图。

图-5	补偿范围可调的 Equalizer (AD9388A)
图-5 补偿范围可调的 Equalizer (AD9388A)

结论:
HDMITM v1.3标准中的TMDS信号速度上限的提高(Deep Color) 使高频信号在线缆中的衰减成为必须要考虑的因素。因为输入信号频率越高,则较长或质量较差的线缆对图像质量的影响越大。所以设计集成在HDMI Rx芯片前端的自适应的EQUALIZER成为解决这个问题的关键。实验和理论数据证明集成在Rx里的信号补偿器(Input Equalizer) 能够高效率低成本地提高HDMI 接口对高速信号接收的性能,从而加速HDMI在高清电视,高清录放机和高清数字摄象机领域的推广应用。

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