显示技术的发展与数字接口

显示技术的发展与数字接口

1dvi、hdmi接口显示技术的发展促进了信号接口标准的替换。家电产品的信号接口发展从最初的复合视频接口、S-Video接口、分量YPbPr接口、DVI接口,一直到高清多媒体接口HDMI,适应了不断提高的视频信号清晰度要求,实现了数字信号的高速传输。美国联邦通信委员会FCC(FederalCommunicationCommission)强制规定,自2005年7月1日开始,所有与高清电视有关的电子产品必须带有DVI或HDMI接口,代表欧洲信息通信技术与消费电子产业的组织EICTA也于2005年1月19日在布鲁塞尔宣布,任何贴有“HDReady”的显示设备必须采用HDMI或DVI数字接口。不仅如此,HDMI接口也广泛用于DVD和机顶盒等家电中,并且将应用范围扩大至SonyPlayStation3,PC等其他领域,强化了HDMI的市场地位。接收端的数字电视机及其他消费类家电产品采用HDMI接口,如要想获得HDMI标识必须通过HDMI兼容性测试,这使电路板和系统布局设计显得尤为重要。由于HDMI插头是一个易受瞬间破坏的外接端口,为确保该端口的性能,还需加强该端口的ESD(静电放电)性能。同时,由于各种带有HDMI接口的终端家用设备日益增多,如何加强带有HDMI显示终端的连通性也将是问题。这些问题对HDMI的应用设计带来极大的挑战。2hdmi内容特性HDMI(HighDefinitionMultimediaInterface)是高清晰多媒体接口的缩写,其标准是基于DVI(DigitalVisuaInterface)制定的,可以看作是DVI的强化与延伸,两者可以兼容。HDMI规范已从刚发布时的1.0版发展到现今的1.3版,图1与图2分别是HDMI接口外部结构与实物图。在短短几年内,HDMI凭借其突出的技术优势得到了快速发展,与其他视音频接口相比,其优势主要体现在:1)HDMI只通过一条HDMI缆线就可实现提供任何音频/视频源与音频和/或视频终端之间的连接。2)在保持高品质的情况下能够以数码形式传输未经压缩的高分辨力视频和多声道音频数据。HDMI能够支持所有的ATSCHDTV标准,不仅可满足目前最高画质的1080p/60Hz格式,还能支持DVDAudio等数字音频格式,支持8声道96kHz、立体声192kHz和24bit数字音频(兼容SACD,Dolby,DTS等多种音频格式)。3)HDMI可搭配宽带数字内容保护(High-bandwidthDigitalContentProtection;HDCP),提供了数字信号传输的内容保护。正是由于HDMI内嵌HDCP内容保护机制,所以对好莱坞具有特别的吸引力,使其推广大大加速。4)HDMI支持视频源和显示终端之间的双向通信,实现了通信和智能控制的新功能。此外,新发布的HDMI1.3版本提供了更多新功能,使HDMI具有了更广泛的应用:1)速度更快:虽然HDMI1.2已具有能支持现有HDTV格式的带宽,但为支持将来HD显示设备的需要,HDMI1.3将其单链接带宽提高到340MHz(10.2Gbit/s)。2)色深扩展:HDMI1.3支持30位、36位和48位(RGB或YCbCr)色深,此前版本的色深最高为24位。色深扩展主要体现以下优点:能使HDTV和其他播放效果由数百万色彩提升至数十亿色彩;消除屏幕色带,使音调转换更平滑,色彩之间的渐变更细致;支持更高的对比度;能呈现更多倍数的两种色彩之间的阴影或黑白颜色之间的灰色阴影种类,在10位色深的条件下,至少能把呈现的阴影提高4倍,甚至可提高8倍或更高。3)色域更宽:HDMI1.3新增了对“xvYCC”色彩标准(IEC61966-2-4色彩标准)的支持,使HDTV显示的色彩更加精确,实现更加自然、逼真、生动的显示效果。xvYCC色彩空间支持的色域是现有HDTV信号的1.8倍。几个HDTV制造商已推出支持xvYCC的液晶电视,三菱称之为全色谱色彩(FullSpectrumColorTM),索尼则称之为广色域(WideColorGamut)。4)唇形同步(音、视频同步):为增强画面内容的清晰度及精细度,消费电子设备正在通过复杂的数字信号处理技术,使得视频处理比音频处理要花更多的时间,从而导致视频画面与配音不相匹配的结果。HDMI1.3加入了自动音频同步的功能,使设备能自动地执行同步。6)新增无损音频格式:HDMI1.3扩展了HDMI对高带宽无压缩数字音频和有损压缩格式(比如Dolby数码和DTS)的支持,增加了对新型无损压缩数字音频格式DolbyTrueHD和DTS-HDMasterAudio的支持。杜比TrueHD是100%无损音频,能够以1/2甚至1/3的比特率呈现与未压缩PCM相同的效果。美国SiliconImage已推出用于HDTV和DVD播放器的HDMI1.3发射器/接收器芯片,除了索尼的PS3、东芝的HD-DVD和爱普生的3LCD投影机已使用HDMI1.3外,2007年,支持HDMI1.3的产品将大量涌现。这就需要家电制造商的应用工程师与设计师深入了解HDMI的各种特点与设计要求。3hd设计要点3.1hdmi信号走线、进线和出线方式HDMI1.3的最高传输速率已达10.2Gbit/s,因此HDMI布线时必须考虑高速PCB布线问题,必须考虑线长、线宽设置和布局问题。首先需注意的是HDMI信号线里传输的是高速率信号,其信号线的一小段引线就可能导致EMI(电磁干扰)问题。因此在印制板上,HDMI信号走线要尽可能短,走线最长不可超过5cm,同时为了保证HDMI信号的地线回路能尽可能短,与HDMI信号走线层邻近的层要保证地线的连续,最好是一整片的回路地。HDMI认证规范里要求每对差分线的阻抗必须在85~115Ω之间,由于印制板厂商的差异性,想单纯通过走线的长度与宽度来控制阻抗有一定难度,因此为能满足HDMI认证的要求,需做到:首先在走线时能以0.5~0.8mm宽度来走线,其次在每根差分线串一个电阻,并根据实际印制板上走线的阻抗来最终确定需串联在信号线上的电阻值。由于HDMI处理芯片的工作速度很高,所以对电源和地要求比较严格。在进行印制板布局时,要尽量让HDMI处理芯片靠近板边,以防止它与其他器件之间的干扰。在布板空间允许的情况下要尽量在芯片的每个电源管脚旁布一个100nF的电容,同时注意电源走线需先到达电容再进入芯片管脚。HDMI的几对差分线在管脚处会离得比较近,但走线时仍应该保持间距,不然就可能对其他差分线对造成干扰。差分线对之间应该保证有0.75mm以上的距离。3.2esd器件的选择ESD是指当两个主体静电势有差异时产生的静电荷传输。这种突然放电可能是由于直接接触或静电场的产生而引起的。HDMI图像芯片采用几何尺寸非常小的硅片制造,对ESD非常敏感,易受瞬间破坏。ESD保护设备通常要求电容值较大,以承受全球认可的ESD标准IEC61000-4-2定义的高浪涌。但针对HDMI这种高速视频信号接口,容性负载会导致信号衰减,所以ESD保护设备利用各种方法和技术降低电容。为了降低容性负载必须谨慎地选择ESD器件。标准保护元件如齐纳二极管、陶瓷电容、肖特基二极管或多层变阻器主要解决的是针对低速接口要求的ESD保护问题,但因其结电容较高,无法达到高速接口的阻抗要求;其他如聚合体二极管就其0.02pF数量级的低结电容而言是非常有潜力的,但其主要缺点在于:经过若干次ESD冲击之后性能会退化;启动电压也不可靠,通常高于1kV,这就意味着受保护的IC在聚合体器件对浪涌有反应之前最低必须承受1kV电压;同时由于采用专用小批量制造工艺,成本也比较高,此外,上述元件的特性是离散的。为了保护所有相关的HDMI信号线,至少需要12个同类分立元件。这样在布板时为了优化性能并让所有通道匹配,就必须进行调整电路板的设计。为了减少这些标准元件的大电容,常要采用附加的共模扼流圈来补偿这些保护器件的高容性负载。这种技术不仅增加了设计难度,而且更难通过HDMI符合性测试。因此,为保护符合HDMI1.3标准的HDMI接口免遭静电破坏,选择ESD器件时至少要有以下5方面的严格要求:1)高电平ESD保护满足针对消费电子应用的国际标准(IEC61000-4-2第4级)的要求;要12个同类2)非常高的二极管开关速度(纳秒级)和超低结电容(<1pF);3)经受若干次ESD冲击之后,鲁棒的ESD保护没有退化;4)即使经过几百次ESD放电,仍要保持低泄漏;5)以小的占用面积实现最高的集成度。3.3hdmi接口电路设计随着各种带有HDMI接口的终端家用设备日益增多,一个带HDMI输入接口的数字高清显示器可能要同时接收机顶盒、游戏机、高清DVD等多个信号源发来的HDMI信号,这时一个HDMI接口就不够用了。为增强高清数字显示器的连通性,除选用更高性能的HDMI接收芯片外,还可通过在各HDMI输入接口间增加HDMI切换开关来实现。由于HDMI的速率非常高,选用不合适的HDMI开关可能会导致误码率的增加,甚至造成发送或接收数据的失败。所以,在选用HDMI开关器件时必须针对应用的特定需求来进行,特别要关注以下的关键要求:1hdmi开关开关的导通电容是判断开关对TMDS(TransitionMinimizedDifferentialSignaling)数据流影响的最重要因素。过大的开关电容会导致信号弧形边缘,造成较慢的上升和下降速度。其结果是,系统的抖动增加,相应的误码率增大。但低导通电容和高带宽性能需要付出增加导通阻抗的代价,因此这个折中将是不可避免的。从普通的电压驱动中了解到导通阻抗往往会引起插入损耗和信号衰减,但HDMI是通过有终端匹配电阻的恒流源来建立信号电平以实现传输。TMDS信号的典型信号范围为AVcc到AVcc-0.5V就能够实现驱动,恒流源为通过50!的偏置电阻形成10mA电流,以建立接收器输入电压。由于TMDS传输线由电流驱动,开关上的插入损耗要比普通的电压驱动少得多。采用恒定的10mA恒流源,不论电阻上的电压降为多大,都能在接收器输入端提供正确的电压,不过毕竟不是理想的恒流源,所以还应注意开关的导通阻抗不能过大。总之,HDMI开关的导通电容应该很小。当面对导通电容/导通阻抗的折中问题时,应当选择较低的导通电容,因为导通电容对系统性能的影响相对较大。2hdmi开关的带宽以HDMI1.0为例,想以最大的速率传输数据,HDMI开关就必须具有至少825MHz的带宽(因为数据速率传输为1.65Gbit/s,并同时在上升和下降沿触发)。由此得知在0~825MHz的频率范围上,开关的信号损耗不得大于3dB。此外,较窄的带宽会缩短系统可接受的线缆长度。所以HDMI1.0的应用中,HDMI开关至少应该具有825MHz的带宽。而HDMI1.3的应用中由于其数据传输最高速率达到了每对信号线3.4Gbit/s,其对HDMI开关带宽要求自然也会更高。3hdmi开关此外,必须考虑阻抗匹配以及在高速数据线路上增加开关对于信号反射产生的影响。虽然HDMI开关不可能完美地匹配传输线的线阻抗,但是这些开关仍可通过设计使信号反射减至最小。通过选择具有低导通电容和导通阻抗的HDMI开关,便可将总系统反射降至最小。就信号反射而言,最好选择较低的导通电容和较高的导通阻抗,这会使开