使用3GHz HDMI接收器设计高分辨率影视产品

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：

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。

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。

图3 4K×2K信号通过2米HDMI铜线后的眼图

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