- HDMI和DVI結口概述
- HDMI / DVI應用規范對比
- 導通電容相對導通阻抗的權衡
- 阻抗匹配以減少反射
- 具有足夠高的頻寬
新一代顯示器需求多個(gè)HDMI輸入端子
市場(chǎng)對高解析度顯示器的需求不斷增長(cháng)。據消費電子協(xié)會(huì )（CEA）指出，2005年年底有13％ 的美國家庭都擁有數字電視。而到2008年，這個(gè)數字會(huì )增加到65％。CEA最近一次的調查則指出，有71％ 的家庭表明他們下一個(gè)購買(mǎi)的電視將具備數字有線(xiàn)功能。
目前商店里大多數的高畫(huà)質(zhì)電視（HDTV）都具有高解析度模擬高解析度分量視頻輸入YPbPr輸入端子，以及單一的高解析度數字輸入端子，如DVI或 HDMI?，F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(xiàn)電視公司的數字高解析節目?jì)热?。在這種應用中，許多高解析度顯示器中已有單個(gè)HDMI輸入端子，因此沒(méi)有空間再放置其他HDMI資料源。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字化的高解析體驗。預期到明年，高解析度DVD標準的大戰將偃旗息鼓，迫使市場(chǎng)快速採用具有HDMI輸出的高解析度DVD播放器。
上述市場(chǎng)趨勢在在透露出顯示器必須擁有多個(gè)HDMI輸入端子。顯示器設計人員意識到家用數位設備即將出現迅勐增長(cháng)，因此正在下一個(gè)高解析度顯示器產(chǎn)品中增加更多的數字輸入埠。雖然設計人員能夠利用更昂貴的HDMI接收器晶片來(lái)滿(mǎn)足這個(gè)需要，但許多都仍然選擇保留現有的單輸入HDMI接收器，并使用HDMI / DVI開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行轉換，因為這個(gè)抉擇能提供最短的設計周期，以及最低的系統成本，而更低的系統成本也將直接驅動(dòng)HDTV快速普及。
本文將討論使用HDMI開(kāi)關(guān)在現有數字電視設計上增加多個(gè)數字HDMI / DVI輸入埠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解釋HDMI 和 DVI之間的區別，以及HDMI 和 DVI 視頻共用的一些關(guān)鍵規格和參數。此外，本文也將以快捷半導體的相關(guān)元件為例，提供相關(guān)設計指引。
系統應用
HDMI開(kāi)關(guān)能夠復制使用現時(shí)已具備單HDMI輸入端子的設計，因此有助于簡(jiǎn)化設計和降低系統成本。首批受益的應用包括各種格式的高解析度視頻顯示器、CRT、LCD、DLP和電漿（PDP）平面顯示器等。無(wú)需使用更新更昂貴的雙重輸入接收器，只是增加第二個(gè)埠，HDMI開(kāi)關(guān)就可以對現有已採用單HDMI輸入端子的設計迅速進(jìn)行升級。
以FSHDMI04 這類(lèi)HDMI開(kāi)關(guān)為例，只需簡(jiǎn)單地插入到選定的HDMI接收器和兩個(gè)HDMI連接器之間即可。若針對一個(gè)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(gè)至少165MHz的簡(jiǎn)單5V 方型 SPDT開(kāi)關(guān)，例如FSAL200 或 FSAV330。這些控制信號用于接收器（Sink） 和資料源（Source） 之間的首次交換，而資料源以此來(lái)決定接收器能夠處理什麼樣的視頻解析度，只需要FSHMDI04加上第二個(gè)用于控制資料的開(kāi)關(guān)，即可在單輸入設計上完全實(shí)現第二個(gè)HDMI輸入埠。
[page]這種配置能讓用戶(hù)將數字機上盒（STB） 、游戲平臺或未來(lái)具HDMI功能的高解析度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(hù)必須拔去STB才可通過(guò)HDMI線(xiàn)纜播放電影或視頻游戲。對此，用戶(hù)還可採用另一種方案，利用HDMI線(xiàn)纜保留STB的連接，并使用模擬高解析度分量視頻輸入（YPbPr）連接DVD播放機或游戲機。雖然這種方法可以提供高解析度節目?jì)热?，但卻需要在模擬和數字格式之間進(jìn)行兩次轉換，因此其終端品質(zhì)會(huì )較HDMI提供的純數字連接低。
筆記型電腦也是未來(lái)將採用HDMI開(kāi)關(guān)的主要應用之一?，F在，許多筆記型電腦都具有適用于現有DVD的標準解析度S視頻輸出端子，但由于預期高解析度DVD標準將會(huì )很快獲得接納，加上新一代游戲機將適用于高解析度游戲，下一代筆記型電腦和塢站（Docking Station）轉向HDMI輸出是很自然的事。在這類(lèi)應用中，HDMI開(kāi)關(guān)應容許筆記型電腦和塢站外接HDMI連接器，當筆記型電腦插接或未插接時(shí)便可以自動(dòng)進(jìn)行切換，這能讓擁有高解析度DVD驅動(dòng)器的筆記型電腦用戶(hù)，能夠在其數字HDTV或數字顯示器上觀(guān)看高解析度電影。
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規范。DVI只能處理視頻資料，HDMI 卻可包含音頻及視頻資料，并通過(guò)稱(chēng)為高解析度內容保護（HDCP） 的數字加密協(xié)定形式提供更強的內容保護功能。由于HDMI連接涵蓋視頻和音頻資料，因此可在資料源和接收器之間實(shí)現單一連接。兩種格式都遵循相同的電子規范，所以，像FSHDMI04等無(wú)源視頻開(kāi)關(guān)便不能區分出HDMI或DVI信號。這種共用的電子格式稱(chēng)為最小化轉換差分信號（Transition Minimized Differential Signaling；TMDS），在每一鏈路中使用了由3個(gè)資料對與1個(gè)時(shí)脈對組成的4個(gè)差分對。HDMI在兩種基本數位配置之一（即單鏈或雙鏈路） 傳輸資料。任一給定鏈路的最大頻寬是4.95Gbps（3 個(gè)TMDS 通道平行傳輸，每個(gè)通道的信號傳輸率為1.65Gbps），相對于最大的時(shí)脈頻率為165 MHz。
資料和時(shí)脈頻率不同的原因在于資料以稱(chēng)作圖元的10位元資料包發(fā)送。對解析度要求低于每秒165萬(wàn)圖元的視頻顯示器而言，單一鏈路連接已經(jīng)足夠；假若清晰度要求在每秒165萬(wàn)和350萬(wàn)圖元之間，可使用第二條鏈路并行發(fā)送資料。由于兩條鏈路共用一個(gè)時(shí)脈對，因此最大的時(shí)脈頻率始終為165 MHz。圖2顯示了基本的雙鏈路架構，并可供單鏈路或雙鏈路連接使用。
■DVI
DVI是市場(chǎng)上第一個(gè)標準化的純數字視頻連接。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解析度，以及顯示器類(lèi)型和相應的更新頻率。DVI端子在電腦應用中仍然相當普及，許多系統都具有DVI輸出以便實(shí)現至數字LCD 顯示器的直接數位連接。舉例說(shuō)，一個(gè)更新頻率為60Hz的高解析度 LCD顯示器(1920x1080）可利用單鏈路DVI和約130MHz的時(shí)脈頻率連接。這可參考圖3 的DVI規格參考。
[page]HDMI / DVI應用挑戰和關(guān)鍵規范
HDMI 和 DVI的資料速率都非常高，并允許傳輸未經(jīng)壓縮的數位視頻。在單鏈路HDMI連接中，每TMDS對將以高達1.65Gbps的速率傳輸資料，較高速USB快三倍。因此當利用高速資料傳輸協(xié)定進(jìn)行設計時(shí)，新的應用挑戰紛紛出現。例如以前微不足道的雜散電容、線(xiàn)載和信號失配，都可能導致誤碼率增加，甚至造成發(fā)射或接收資料的失效。此外，HDMI和DVI規范的編寫(xiě)者從不會(huì )設想在發(fā)射器和接收器之間的信號路徑中插入無(wú)源的高頻低損耗開(kāi)關(guān)，當仔細閱讀HDMI 和 DVI的規范時(shí)，便可明顯發(fā)現這一點(diǎn)，因為在電子規范中幾乎沒(méi)有什麼變化余地留給附加的非理想型開(kāi)關(guān)器件。因此，HDMI 和 DVI高性能開(kāi)關(guān)生產(chǎn)商必須針對應用的特定需求謹慎制定其產(chǎn)品，否則將不能在系統中正常運作。以下是一些關(guān)鍵的功能特性，以判斷開(kāi)關(guān)能否在高速環(huán)境下工作。
■導通電容相對導通阻抗的權衡
開(kāi)關(guān)的導通電容是判斷開(kāi)關(guān)對TMDS資料流程影響的最重要因素。過(guò)大的開(kāi)關(guān)電容會(huì )導致弧形邊緣，造成較慢的上升和下降速度，致使系統的抖動(dòng)增加，使相應的誤碼率提高。
通道的電容失配對HDMI 和 DVI規范的影響至巨，使得要滿(mǎn)足非常嚴苛的偏移規范難上加難。例如，當以最高速率傳輸資料時(shí)，差分對內延遲差不能超過(guò)0.15Tbit，亦即不能大于90ps。HDMI / DVI開(kāi)關(guān)設計人員必須面對的一個(gè)設計權衡問(wèn)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(jià)，這個(gè)權衡問(wèn)題無(wú)法避免，也正是HDMI / DVI開(kāi)關(guān)必須針對有關(guān)應用進(jìn)行設計的基本原因之一。
許多設計人員都很熟悉電壓驅動(dòng)應用，并因此很自然地設想導通阻抗是開(kāi)關(guān)選擇中最重要的規格。這種設想出于在電壓源應用中，導通阻抗往往會(huì )引起插損和信號衰減。但幸運地，HDMI 和 DVI信號并沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因為它們使用具有終端電阻的電流源來(lái)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，就能夠得出結論，電流源將設置為通過(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(xiàn)是由電流驅動(dòng)，開(kāi)關(guān)上的插入損耗要比電壓驅動(dòng)應用少得多。利用恆定的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(méi)有理想的電流源，故需記住導通阻抗的開(kāi)關(guān)不應該過(guò)大。
綜上所述，HDMI / DVI開(kāi)關(guān)的導通電容應該很小。當面對導通電容和導通阻抗的權衡問(wèn)題時(shí)，應當選擇較低的導通電容，因為導通電容對系統性能的影響相對較大。
■頻寬
第二個(gè)重要的開(kāi)關(guān)特性是頻寬。要以最大的速率傳輸資料，HDMI / DVI開(kāi)關(guān)就必須具有至少825MHz的頻寬。這個(gè)數字的依據是基于已知資料以1.65Gbps的速率傳輸，并同時(shí)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(kāi)關(guān)的信號損耗不得大于3dB。
當傳輸最高視頻解析度信號時(shí)，沒(méi)有這種性能的開(kāi)關(guān)會(huì )使資料流程急劇衰減，從而導致HDMI 或 DVI接收器無(wú)法對資料進(jìn)行恢復。此外，較窄的頻寬會(huì )縮短系統可接受的纜線(xiàn)長(cháng)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(kāi)關(guān)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資料線(xiàn)路上增加開(kāi)關(guān)對于信號反射產(chǎn)生的影響。雖然HDMI / DVI開(kāi)關(guān)不可能完美地匹配傳輸線(xiàn)的線(xiàn)阻抗，但是這些開(kāi)關(guān)仍可通過(guò)設計使信號反射減至最小。透過(guò)選擇具有低導通電容和導通阻抗的HDMI開(kāi)關(guān)，便可以將總系統反射降至最小。
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(huì )造成開(kāi)關(guān)輸入端的電壓駐波比（VSWR） 具有較大的幅值，有助于補償稍高的導通阻抗導致的任何損耗，并同時(shí)增加眼圖波罩余量（Eye Mask Margin）。
HDMI是消費視頻市場(chǎng)的下一個(gè)焦點(diǎn)，有機會(huì )像USB一樣在數位資料傳輸領(lǐng)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衡取捨，方能設計出充分發(fā)揮HDMI所有長(cháng)處的系統；當為系統增加多個(gè) HDMI 連接器時(shí)，HDMI開(kāi)關(guān)可以大幅降低設計復雜性并減少系統成本。
