作者:Fairchild（快捷半導體高級應用工程師）

新一代顯示器需求多個HDMI輸入端子

市場對高分辨率顯示器的需求不斷增長。據(jù)消費電子協(xié)會（CEA）指出，2005年年底有13％ 的美國家庭都擁有數(shù)字電視。而到2008年，這個數(shù)字會增加到65％。CEA最近一次的調(diào)查則指出，有71％ 的家庭表明他們下一個購買的電視將具備數(shù)字有線功能。

目前商店里大多數(shù)的高畫質(zhì)電視（HDTV）都具有高分辨率模擬高分辨率分量視頻輸入YPbPr輸入端子，以及單一的高分辨率數(shù)字輸入端子，如DVI或 HDMI?，F(xiàn)在，利用帶有HDMI輸出端子的機上盒（STB），許多消費者都能夠接收有線電視公司的數(shù)字高解析節(jié)目內(nèi)容。在這種應用中，許多高分辨率顯示器中已有單個HDMI輸入端子，因此沒有空間再放置其它HDMI數(shù)據(jù)源。微軟（Microsoft）和索尼（Sony）的下一代游戲機都具有HDMI輸出，讓玩家能盡情享受全數(shù)字化的高解析體驗。預期到明年，高分辨率DVD標準的大戰(zhàn)將偃旗息鼓，迫使市場快速采用具有HDMI輸出的高分辨率DVD播放器。

上述市場趨勢在在透露出顯示器必須擁有多個HDMI輸入端子。顯示器設計人員意識到家用數(shù)字設備即將出現(xiàn)迅猛增長，因此正在下一個高分辨率顯示器產(chǎn)品中增加更多的數(shù)字輸入端口。雖然設計人員能夠利用更昂貴的HDMI接收器芯片來滿足這個需要，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開關來進行轉(zhuǎn)換，因為這個抉擇能提供最短的設計周期，以及最低的系統(tǒng)成本，而更低的系統(tǒng)成本也將直接驅(qū)動HDTV快速普及。

本文將討論使用HDMI開關在現(xiàn)有數(shù)字電視設計上增加多個數(shù)字HDMI / DVI輸入端口的優(yōu)點，同時解釋HDMI 和 DVI之間的區(qū)別，以及HDMI 和 DVI 視頻共享的一些關鍵規(guī)格和參數(shù)。此外，本文也將以快捷半導體的相關組件為例，提供相關設計指引。

系統(tǒng)應用

HDMI開關能夠復制使用現(xiàn)時已具備單HDMI輸入端子的設計，因此有助于簡化設計和降低系統(tǒng)成本。首批受益的應用包括各種格式的高分辨率視頻顯示器、CRT、LCD、DLP和電漿（PDP）平面顯示器等。無需使用更新更昂貴的雙重輸入接收器，只是增加第二個埠，HDMI開關就可以對現(xiàn)有已采用單HDMI輸入端子的設計迅速進行升級。

以FSHDMI04 這類HDMI開關為例，只需簡單地插入到選定的HDMI接收器和兩個HDMI連接器之間即可。若針對一個完整的解決方案，還需要切換較高電壓及較低頻率的控制信號，建議使用一個至少165MHz的簡單5V 方型 SPDT開關，例如FSAL200 或 FSAV330。這些控制信號用于接收器（Sink） 和數(shù)據(jù)源（Source） 之間的首次交換，而數(shù)據(jù)源以此來決定接收器能夠處理什么樣的視頻分辨率，只需要FSHMDI04加上第二個用于控制數(shù)據(jù)的開關，即可在單輸入設計上完全實現(xiàn)第二個HDMI輸入埠。


　
這種配置能讓用戶將數(shù)字機上盒（STB） 、游戲平臺或未來具HDMI功能的高分辨率DVD播放機連接到其顯示器上。利用標準的單輸入顯示器，用戶必須拔去STB才可通過HDMI線纜播放電影或視頻游戲。對此，用戶還可采用另一種方案，利用HDMI線纜保留STB的連接，并使用模擬高分辨率分量視頻輸入（YPbPr）連接DVD播放機或游戲機。雖然這種方法可以提供高分辨率節(jié)目內(nèi)容，但卻需要在模擬和數(shù)字格式之間進行兩次轉(zhuǎn)換，因此其終端質(zhì)量會較HDMI提供的純數(shù)字連接低。

筆記型計算機也是未來將采用HDMI開關的主要應用之一。現(xiàn)在，許多筆記型計算機都具有適用于現(xiàn)有DVD的標準分辨率S視頻輸出端子，但由于預期高分辨率DVD標準將會很快獲得接納，加上新一代游戲機將適用于高分辨率游戲，下一代筆記型計算機和塢站（Docking Station）轉(zhuǎn)向HDMI輸出是很自然的事。在這類應用中，HDMI開關應容許筆記型計算機和塢站外接HDMI連接器，當筆記型計算機插接或未插接時便可以自動進行切換，這能讓擁有高分辨率DVD驅(qū)動器的筆記型計算機用戶，能夠在其數(shù)字HDTV或數(shù)字顯示器上觀看高分辨率電影。

HDMI和DVI概述

HDMI和 DVI兩者主要異同之處概述如下：

■HDMI
HDMI是兩者之中較新的一種格式，建基于舊式的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)，并通過稱為高分辨率內(nèi)容保護（HDCP） 的數(shù)字加密協(xié)議形式提供更強的內(nèi)容保護功能。由于HDMI連接涵蓋視頻和音頻數(shù)據(jù)，因此可在數(shù)據(jù)源和接收器之間實現(xiàn)單一連接。兩種格式都遵循相同的電子規(guī)范，所以，像FSHDMI04等無源視頻開關便不能區(qū)分出HDMI或DVI信號。這種共享的電子格式稱為最小化轉(zhuǎn)換差分信號（Transition Minimized Differential Signaling；TMDS），在每一鏈路中使用了由3個數(shù)據(jù)對與1個頻率對組成的4個差分對。HDMI在兩種基本數(shù)字配置之一（即單鏈或雙鏈路） 傳輸數(shù)據(jù)。任一給定鏈路的最大頻寬是4.95Gbps（3 個TMDS 信道并行傳輸，每個信道的信號傳輸率為1.65Gbps），相對于最大的頻率頻率為165 MHz。

數(shù)據(jù)和頻率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。對分辨率要求低于每秒165萬像素的視頻顯示器而言，單一鏈路連接已經(jīng)足夠；假若清晰度要求在每秒165萬和350萬像素之間，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頻率對，因此最大的頻率頻率始終為165 MHz。圖2顯示了基本的雙鏈路架構(gòu)，并可供單鏈路或雙鏈路連接使用。


　
■DVI
DVI是市場上第一個標準化的純數(shù)字視頻連接。與HDMI一樣，它對單或雙鏈路配置的需求取決于所選的顯示器分辨率，以及顯示器類型和相應的更新頻率。DVI端子在計算機應用中仍然相當普及，許多系統(tǒng)都具有DVI輸出以便實現(xiàn)至數(shù)字 LCD 顯示器的直接數(shù)字連接。舉例說，一個更新頻率為60Hz的高分辨率 LCD顯示器(1920x1080）可利用單鏈路DVI和約130MHz的頻率頻率連接。這可參考圖3 的DVI規(guī)格參考。


　
HDMI / DVI應用挑戰(zhàn)和關鍵規(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TMDS對將以高達1.65Gbps的速率傳輸數(shù)據(jù)，較高速USB快三倍。因此當利用高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行設計時，新的應用挑戰(zhàn)紛紛出現(xiàn)。例如以前微不足道的雜散電容、線載和信號失配，都可能導致誤碼率增加，甚至造成發(fā)射或接收數(shù)據(jù)的失效。此外，HDMI和DVI規(guī)范的編寫者從不會設想在發(fā)射器和接收器之間的信號路徑中插入無源的高頻低損耗開關，當仔細閱讀HDMI 和 DVI的規(guī)范時，便可明顯發(fā)現(xiàn)這一點，因為在電子規(guī)范中幾乎沒有什么變化余地留給附加的非理想型開關器件。因此，HDMI 和 DVI高性能開關生產(chǎn)商必須針對應用的特定需求謹慎制定其產(chǎn)品，否則將不能在系統(tǒng)中正常運作。以下是一些關鍵的功能特性，以判斷開關能否在高速環(huán)境下工作。 [!--empirenews.page--]

■導通電容相對導通阻抗的權(quán)衡
開關的導通電容是判斷開關對TMDS數(shù)據(jù)流影響的最重要因素。過大的開關電容會導致弧形邊緣，造成較慢的上升和下降速度，致使系統(tǒng)的抖動增加，使相應的誤碼率提高。

通道的電容失配對HDMI 和 DVI規(guī)范的影響至巨，使得要滿足非常嚴苛的偏移規(guī)范難上加難。例如，當以最高速率傳輸數(shù)據(jù)時，差分對內(nèi)延遲差不能超過0.15Tbit，亦即不能大于90ps。HDMI / DVI開關設計人員必須面對的一個設計權(quán)衡問題，在于導通電容和導通阻抗之間，低導通電容和高頻寬性能需要付出增加導通阻抗的代價，這個權(quán)衡問題無法避免，也正是HDMI / DVI開關必須針對有關應用進行設計的基本原因之一。

許多設計人員都很熟悉電壓驅(qū)動應用，并因此很自然地設想導通阻抗是開關選擇中最重要的規(guī)格。這種設想出于在電壓源應用中，導通阻抗往往會引起插損和信號衰減。但幸運地，HDMI 和 DVI信號并沒有這個問題，因為它們使用具有終端電阻的電流源來建立信號電平。圖4所示為如何建立TMDS信號的基本原理圖。


　
當知道TMDS信號的典型信號范圍為AVCC 到 AVCC-0.5V，就能夠得出結(jié)論，電流源將設置為通過50奧姆的偏置電阻（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，開關上的插入損耗要比電壓驅(qū)動應用少得多。利用恒定的10mA電流源，不論電阻上的電壓降為多少，都能在接收器輸入端提供正確的電壓；由于沒有理想的電流源，故需記住導通阻抗的開關不應該過大。

綜上所述，HDMI / DVI開關的導通電容應該很小。當面對導通電容和導通阻抗的權(quán)衡問題時，應當選擇較低的導通電容，因為導通電容對系統(tǒng)性能的影響相對較大。

■頻寬
第二個重要的開關特性是頻寬。要以最大的速率傳輸數(shù)據(jù)，HDMI / DVI開關就必須具有至少825MHz的頻寬。這個數(shù)字的依據(jù)是基于已知數(shù)據(jù)以1.65Gbps的速率傳輸，并同時在上升和下降沿被觸發(fā)。由此得知，在0 到 825MHz的頻率范圍上，開關的信號損耗不得大于3dB。

當傳輸最高視頻分辨率信號時，沒有這種性能的開關會使數(shù)據(jù)流急劇衰減，從而導致HDMI 或 DVI接收器無法對數(shù)據(jù)進行恢復。此外，較窄的頻寬會縮短系統(tǒng)可接受的纜線長度，使到最終設計對于消費者的吸引力大減?；谶@些原因，HDMI / DVI開關至少應該具有825MHz的頻寬。

■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)線路上增加開關對于信號反射產(chǎn)生的影響。雖然HDMI / DVI開關不可能完美地匹配傳輸線的線阻抗，但是這些開關仍可通過設計使信號反射減至最小。透過選擇具有低導通電容和導通阻抗的HDMI開關，便可以將總系統(tǒng)反射降至最小。

在信號反射方面，最好選擇較低的導通電容和較高的導通阻抗，這會造成開關輸入端的電壓駐波比（VSWR） 具有較大的幅值，有助于補償稍高的導通阻抗導致的任何損耗，并同時增加眼圖波罩余量（Eye Mask Margin）。

總結(jié)
HDMI是消費視頻市場的下一個焦點，有機會像USB一樣在數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸領域中廣泛普及。透徹理解導通電容、導通阻抗和頻寬的重要權(quán)衡取舍，方能設計出充分發(fā)揮HDMI所有長處的系統(tǒng)；當為系統(tǒng)增加多個 HDMI 連接器時，HDMI開關可以大幅降低設計復雜性并減少系統(tǒng)成本。