利用HDMI開(kāi)關(guān)增強(qiáng)數(shù)字高清顯示器的連通性

目前商店里大多數(shù)的高清電視都具有模擬高清分量視頻輸入(YPbPr)輸入端子以及單一的高清數(shù)字輸入端子(如DVI或HDMI)?，F(xiàn)在，利用帶有HDMI輸出端子的機(jī)頂盒，許多消費(fèi)者都能夠接收有線電視公司的數(shù)字高清節(jié)目?jī)?nèi)容。在這種應(yīng)用中，許多高清顯示器中已有唯一的HDMI輸入端子，因此不能連接其它HDMI數(shù)據(jù)源。

圖1：高帶寬HDMI開(kāi)關(guān)FSHDMI04應(yīng)用結(jié)構(gòu)框圖

微軟和索尼的下一代游戲平臺(tái)都具有HDMI輸出，讓玩家能盡情享受全數(shù)字化的高清體驗(yàn)。預(yù)計(jì)到明年，高清DVD標(biāo)準(zhǔn)的大戰(zhàn)將有定論，市場(chǎng)上將迅速推出采用HDMI輸出的高清DVD播放器。這些市場(chǎng)趨勢(shì)顯示出對(duì)于帶多個(gè)HDMI輸入端子顯示器的需求。顯示器設(shè)計(jì)工程師意識(shí)到家用數(shù)字設(shè)備即將出現(xiàn)迅猛增長(zhǎng)，因此正在下一代高清顯示器產(chǎn)品中增加更多的數(shù)字輸入端口。

雖然設(shè)計(jì)工程師能夠利用更貴的HDMI接收器芯片來(lái)滿足這個(gè)需要，但許多都仍然選擇保留現(xiàn)有的單輸入HDMI接收器，并使用HDMI/DVI開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因?yàn)檫@種選擇能實(shí)現(xiàn)最短的設(shè)計(jì)周期，以及更重要的是最低的總體系統(tǒng)成本。由于系統(tǒng)成本是驅(qū)動(dòng)HDTV普及的一個(gè)主要因素，故享有總體成本的優(yōu)勢(shì)非常重要。

系統(tǒng)應(yīng)用

HDMI開(kāi)關(guān)能夠復(fù)用當(dāng)前已具備單HDMI輸入端子的設(shè)計(jì)，因此有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低總體系統(tǒng)成本，首批因這些產(chǎn)品而受益的主要應(yīng)用包括各種格式的高清視頻顯示器、CRT、LCD、DLP和等離子等。這些產(chǎn)品中無(wú)需使用更新更貴的雙輸入接收器，只是增加第二個(gè)端口，HDMI開(kāi)關(guān)就可以對(duì)現(xiàn)有已采用單HDMI輸入端子的設(shè)計(jì)迅速進(jìn)行升級(jí)。HDMI開(kāi)關(guān)(如FSHDMI04)只需簡(jiǎn)單地插入到選定的HDMI接收器和兩個(gè)HDMI連接器之間。

對(duì)于一個(gè)完整的解決方案，還需要能發(fā)送更高電壓及更低頻率的控制信號(hào)。建議使用一個(gè)至少165MHz的簡(jiǎn)單5V四通道SPDT開(kāi)關(guān)(例如FSAL200或FSAV330)。這些控制信號(hào)用于接收器和數(shù)據(jù)源之間的首次握手，數(shù)據(jù)源根據(jù)這些控制信號(hào)來(lái)確定接收器能夠處理什么樣的視頻分辨率。只需要FSHMDI04和第二個(gè)用于發(fā)送控制數(shù)據(jù)的開(kāi)關(guān)，就可以在單輸入設(shè)計(jì)上完全實(shí)現(xiàn)第二個(gè)HDMI輸入接口。

這種配置能讓用戶將數(shù)字機(jī)頂盒(STB)和游戲機(jī)或未來(lái)具HDMI功能的高清DVD播放機(jī)連接到顯示器上。利用標(biāo)準(zhǔn)的單輸入顯示器，用戶必須拔去STB才可通過(guò)HDMI線纜播放電影或視頻游戲。對(duì)此，用戶還可采用另一種方案，利用HDMI線纜保留STB的連接，并使用YPbPr連接DVD播放機(jī)或游戲機(jī)。雖然這種方法可以連接高清節(jié)目?jī)?nèi)容，但卻需要在模擬和數(shù)字格式之間進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換，因此其最終質(zhì)量會(huì)較HDMI提供的純數(shù)字連接低。

未來(lái)將會(huì)采用HDMI開(kāi)關(guān)的主要應(yīng)用之一是筆記本電腦?，F(xiàn)在，許多筆記本電腦都具有適用于現(xiàn)有DVD的標(biāo)準(zhǔn)清晰度S視頻輸出端子，但由于預(yù)期高清DVD標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)很快獲得采用，加上新一代游戲機(jī)將適用于高清游戲，下一代筆記本電腦和塢站(docking station)轉(zhuǎn)向HDMI輸出是很自然的事。在這種應(yīng)用中，HDMI開(kāi)關(guān)應(yīng)允許筆記本電腦和塢站外接HDMI連接器，當(dāng)筆記本電腦插接或未插接時(shí)便可以自動(dòng)進(jìn)行切換，這就使得擁有高清DVD驅(qū)動(dòng)器的筆記本電腦用戶能夠在其數(shù)字高清電視或數(shù)字顯示器上觀看高清電影。

HDMI和DVI概述

HDMI是兩者之中較新的一種格式，基于老的DVI規(guī)范。DVI只能處理視頻數(shù)據(jù)，HDMI卻可包含音頻及視頻數(shù)據(jù)，并通過(guò)稱為高清內(nèi)容保護(hù)(HDCP)的數(shù)字加密協(xié)議形式提供更強(qiáng)的內(nèi)容保護(hù)功能。由于HDMI連接涵蓋視頻和音頻數(shù)據(jù)，因此可在數(shù)據(jù)源和接收器之間實(shí)現(xiàn)單一連接。兩種格式都遵循相同的電氣規(guī)格，所以像FSHDMI04等無(wú)源視頻開(kāi)關(guān)便不能區(qū)分出HDMI或DVI信號(hào)。這種共享的電氣規(guī)格稱為最小化傳輸差分信令(TMDS)，在每一鏈路中使用了由3個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)與1個(gè)時(shí)鐘對(duì)組成的4個(gè)差分對(duì)。HDMI在兩種基本數(shù)字配置之一(單鏈路或雙鏈路)上傳輸數(shù)據(jù)。任一給定鏈路的最大帶寬是4.95Gbps(3個(gè)TMDS對(duì)每個(gè)并行傳輸?shù)乃俾蕿?.65Gbps)，對(duì)應(yīng)于165MHz的最大時(shí)鐘頻率。

數(shù)據(jù)和時(shí)鐘頻率不同的原因在于數(shù)據(jù)以稱作像素的10位數(shù)據(jù)包發(fā)送。對(duì)清晰度要求低于165兆像素/秒的顯示器而言，單一鏈路連接已經(jīng)足夠。假若清晰度要求在165兆像素/秒和350兆像素/秒之間，可使用第二條鏈路并行發(fā)送數(shù)據(jù)。由于兩條鏈路共享一個(gè)時(shí)鐘對(duì)，因此最大的時(shí)鐘頻率始終為165MHz。

DVI是市場(chǎng)上第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的純數(shù)字視頻連接。像HDMI一樣，它對(duì)單或雙鏈路配置的需求取決于所選的顯示器清晰度、顯示器類型和相應(yīng)的刷新頻率。DVI連接在電腦應(yīng)用中仍然相當(dāng)普及，許多系統(tǒng)都具有DVI輸出以便實(shí)現(xiàn)至數(shù)字LCD顯示器的直接數(shù)字連接。例如，一個(gè)刷新頻率為60Hz的高清LCD顯示器(1,920x1,080)可利用單鏈路DVI和約130MHz的時(shí)鐘頻率連接。

由于DVI和HDMI的基本電氣特性都是基于同一標(biāo)準(zhǔn)，像FSHDMI04這樣的開(kāi)關(guān)適用于這兩種數(shù)字視頻格式。

HDMI/DVI的應(yīng)用挑戰(zhàn)和關(guān)鍵規(guī)范

HDMI和DVI的數(shù)據(jù)速率都非常高，并允許傳輸未經(jīng)壓縮的數(shù)字視頻。在單鏈路HDMI連接中，每個(gè)TMDS對(duì)將以高達(dá)1.65Gbps的速率傳輸數(shù)據(jù)，較高速USB快三倍。因此當(dāng)利用高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，出現(xiàn)了新的應(yīng)用挑戰(zhàn)。在這個(gè)環(huán)境中，以前微不足道的寄生電容、線載(line loading)和信號(hào)失配都可能導(dǎo)致誤碼率的增加，甚至造成發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的失敗。

此外，HDMI和DVI規(guī)范的編寫(xiě)者從不會(huì)想到在發(fā)送器和接收器之間的信號(hào)路徑中插入無(wú)源高頻低損耗開(kāi)關(guān)。認(rèn)真閱讀HDMI和DVI的規(guī)范便可明顯發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樵陔姎庖?guī)范中幾乎沒(méi)有留給加入的非理想開(kāi)關(guān)器件帶來(lái)的變化余地。因此，HDMI和DVI高性能開(kāi)關(guān)生產(chǎn)商必須針對(duì)應(yīng)用的特定需求謹(jǐn)慎定制其產(chǎn)品，否則將不能在系統(tǒng)中正常工作。以下是一些關(guān)鍵的功能特性，根據(jù)這些特性可以判定開(kāi)關(guān)能否在高速環(huán)境下工作。

1. 導(dǎo)通電容與導(dǎo)通阻抗

開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電容是判斷開(kāi)關(guān)對(duì)TMDS數(shù)據(jù)流影響的最重要因素。過(guò)大的開(kāi)關(guān)電容會(huì)導(dǎo)致信號(hào)弧形邊緣，造成較慢的上升和下降速度。其結(jié)果是，系統(tǒng)的抖動(dòng)增加，相應(yīng)的誤碼率增大。通道的電容失配對(duì)HDMI和DVI規(guī)范的影響很大，使得要滿足非常嚴(yán)苛的偏移(skew)規(guī)范更加困難。

例如，當(dāng)以最高速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，差分對(duì)內(nèi)偏移不能超過(guò)0.15Tb，亦即不能大于90ps。HDMI/DVI開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)工程師必須面對(duì)的一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題是導(dǎo)通電容和導(dǎo)通阻抗的折衷。低導(dǎo)通電容和高帶寬性能需要付出增加導(dǎo)通阻抗的代價(jià)。這個(gè)折衷是不可避免的，這也正是HDMI/DVI開(kāi)關(guān)必須針對(duì)有關(guān)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本原因之一。

許多設(shè)計(jì)工程師都很熟悉電壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，并因此很自然地認(rèn)為導(dǎo)通阻抗是開(kāi)關(guān)選擇中最重要的規(guī)格。這是因?yàn)樵陔妷涸磻?yīng)用中，導(dǎo)通阻抗往往會(huì)引起插入損耗和信號(hào)衰減。但幸運(yùn)的是，HDMI和DVI信號(hào)并沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兪褂镁哂薪K結(jié)電阻的電流源來(lái)建立信號(hào)電平。

當(dāng)知道TMDS信號(hào)的典型信號(hào)范圍為AVCC到AVCC-0.5V就能夠得出結(jié)論，電流源將設(shè)置為通過(guò)50歐姆的偏置電阻(RT)提供10mA電流，以建立接收器輸入電壓。由于TMDS傳輸線是由電流驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)上的插入損耗要比電壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用少得多。采用恒定的10mA電流源，不論電阻上的電壓降為多大，都能在接收器輸入端提供正確的電壓(由于沒(méi)有理想的電流源，故需記住開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通阻抗不能過(guò)大)。

因此，HDMI/DVI開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電容應(yīng)該很小。當(dāng)面對(duì)導(dǎo)通電容/導(dǎo)通阻抗的折衷問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇較低的導(dǎo)通電容，因?yàn)閷?dǎo)通電容對(duì)系統(tǒng)性能的影響相對(duì)較大。

2. 帶寬

第二個(gè)重要的開(kāi)關(guān)特性是帶寬。要以最大的速率傳輸數(shù)據(jù)，HDMI/DVI開(kāi)關(guān)就必須具有至少825MHz的帶寬(因?yàn)閿?shù)據(jù)速率傳輸為1.65Gbps，并同時(shí)在上升和下降沿觸發(fā))。由此得知在0到825MHz的頻率范圍上，開(kāi)關(guān)的信號(hào)損耗不得大于3dB。當(dāng)傳輸最高視頻分辨率信號(hào)時(shí)，如果開(kāi)關(guān)不能達(dá)到這種性能，將會(huì)使數(shù)據(jù)流嚴(yán)重衰減，從而導(dǎo)致HDMI或DVI接收器無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。此外，較窄的帶寬會(huì)縮短系統(tǒng)可接受的纜線長(zhǎng)度，使得最終的設(shè)計(jì)對(duì)于消費(fèi)者的吸引力大減?；谶@些原因，HDMI/DVI開(kāi)關(guān)至少應(yīng)該具有825MHz的帶寬。

3. 阻抗匹配以減少反射

最后，必須考慮阻抗匹配以及在高速數(shù)據(jù)線路上增加開(kāi)關(guān)對(duì)于信號(hào)反射產(chǎn)生的影響。雖然HDMI/DVI開(kāi)關(guān)不可能完美地匹配傳輸線的線阻抗，但是這些開(kāi)關(guān)仍可通過(guò)設(shè)計(jì)使信號(hào)反射減至最小。通過(guò)選擇具有低導(dǎo)通電容和導(dǎo)通阻抗的HDMI開(kāi)關(guān)，便可以將總系統(tǒng)反射降至最小。就信號(hào)反射而言，最好選擇較低的導(dǎo)通電容和較高的導(dǎo)通阻抗，這會(huì)使開(kāi)關(guān)輸入端的電壓駐波比(VSWR)具有較大的幅值，有助于補(bǔ)償稍高的導(dǎo)通阻抗導(dǎo)致的任何損耗，并同時(shí)允許加性眼圖波罩余量(eye mask margin)。