使用HDMI開關(guān)為顯示器增加多個(gè)數(shù)字輸入端口

作者:Fairchild（快捷半導(dǎo)體高級(jí)應(yīng)用工程師）

新一代顯示器需求多個(gè)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(fèi)電子協(xié)會(huì)（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(gè)數(shù)字會(huì)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(gè)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(jī)上盒（STB），許多消費(fèi)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(yīng)用中，許多高分辨率顯示器中已有單個(gè)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(jī)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(yàn)。預(yù)期到明年，高分辨率DVD標(biāo)準(zhǔn)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(gè)HDMI輸入端子。顯示器設(shè)計(jì)人員意識(shí)到家用數(shù)字設(shè)備即將出現(xiàn)迅猛增長，因此正在下一個(gè)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(shè)計(jì)人員能夠利用更昂貴的HDMI接收器芯片來滿足這個(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開關(guān)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因?yàn)檫@個(gè)抉擇能提供最短的設(shè)計(jì)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(dòng)HDTV快速普及。

本文將討論使用HDMI開關(guān)在現(xiàn)有數(shù)字電視設(shè)計(jì)上增加多個(gè)數(shù)字HDMI / DVI輸入端口的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解釋HDMI 和 DVI之間的區(qū)別，以及HDMI 和 DVI 視頻共享的一些關(guān)鍵規(guī)格和參數(shù)。此外，本文也將以快捷半導(dǎo)體的相關(guān)組件為例，提供相關(guān)設(shè)計(jì)指引。

系統(tǒng)應(yīng)用

HDMI開關(guān)能夠復(fù)制使用現(xiàn)時(shí)已具備單HDMI輸入端子的設(shè)計(jì)，因此有助于簡化設(shè)計(jì)和降低系統(tǒng)成本。首批受益的應(yīng)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(gè)埠，HDMI開關(guān)就可以對現(xiàn)有已采用單HDMI輸入端子的設(shè)計(jì)迅速進(jìn)行升級(jí)。

以FSHDMI04 這類HDMI開關(guān)為例，只需簡單地插入到選定的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(hào)，建議使用一個(gè)至少165MHz的簡單5V 方型 SPDT開關(guān)，例如FSAL200 或 FSAV330。這些控制信號(hào)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(gè)用于控制數(shù)據(jù)的開關(guān)，即可在單輸入設(shè)計(jì)上完全實(shí)現(xiàn)第二個(gè)HDMI輸入埠。


　
這種配置能讓用戶將數(shù)字機(jī)上盒（STB） 、游戲平臺(tái)或未來具HDMI功能的高分辨率DVD播放機(jī)連接到其顯示器上。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(jī)或游戲機(jī)。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(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換，因此其終端質(zhì)量會(huì)較HDMI提供的純數(shù)字連接低。

筆記型計(jì)算機(jī)也是未來將采用HDMI開關(guān)的主要應(yīng)用之一。現(xiàn)在，許多筆記型計(jì)算機(jī)都具有適用于現(xiàn)有DVD的標(biāo)準(zhǔn)分辨率S視頻輸出端子，但由于預(yù)期高分辨率DVD標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)很快獲得接納，加上新一代游戲機(jī)將適用于高分辨率游戲，下一代筆記型計(jì)算機(jī)和塢站（Docking Station）轉(zhuǎn)向HDMI輸出是很自然的事。在這類應(yīng)用中，HDMI開關(guān)應(yīng)容許筆記型計(jì)算機(jī)和塢站外接HDMI連接器，當(dāng)筆記型計(jì)算機(jī)插接或未插接時(shí)便可以自動(dòng)進(jìn)行切換，這能讓擁有高分辨率DVD驅(qū)動(dòng)器的筆記型計(jì)算機(jī)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(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子規(guī)范，所以，像FSHDMI04等無源視頻開關(guān)便不能區(qū)分出HDMI或DVI信號(hào)。這種共享的電子格式稱為最小化轉(zhuǎn)換差分信號(hào)（Transition Minimized Differential Signaling；TMDS），在每一鏈路中使用了由3個(gè)數(shù)據(jù)對與1個(gè)頻率對組成的4個(gè)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(gè)TMDS 信道并行傳輸，每個(gè)信道的信號(hào)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(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的更新頻率。DVI端子在計(jì)算機(jī)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。舉例說，一個(gè)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(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TMDS對將以高達(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)，新的應(yīng)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(hào)失配，都可能導(dǎo)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(huì)設(shè)想在發(fā)射器和接收器之間的信號(hào)路徑中插入無源的高頻低損耗開關(guān)，當(dāng)仔細(xì)閱讀HDMI 和 DVI的規(guī)范時(shí)，便可明顯發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樵陔娮右?guī)范中幾乎沒有什么變化余地留給附加的非理想型開關(guān)器件。因此，HDMI 和 DVI高性能開關(guān)生產(chǎn)商必須針對應(yīng)用的特定需求謹(jǐn)慎制定其產(chǎn)品，否則將不能在系統(tǒng)中正常運(yùn)作。以下是一些關(guān)鍵的功能特性，以判斷開關(guān)能否在高速環(huán)境下工作。 [!--empirenews.page--]

■導(dǎo)通電容相對導(dǎo)通阻抗的權(quán)衡
開關(guān)的導(dǎo)通電容是判斷開關(guān)對TMDS數(shù)據(jù)流影響的最重要因素。過大的開關(guān)電容會(huì)導(dǎo)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(dòng)增加，使相應(yīng)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(yán)苛的偏移規(guī)范難上加難。例如，當(dāng)以最高速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，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(guān)設(shè)計(jì)人員必須面對的一個(gè)設(shè)計(jì)權(quán)衡問題，在于導(dǎo)通電容和導(dǎo)通阻抗之間，低導(dǎo)通電容和高頻寬性能需要付出增加導(dǎo)通阻抗的代價(jià)，這個(gè)權(quán)衡問題無法避免，也正是HDMI / DVI開關(guān)必須針對有關(guān)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本原因之一。

許多設(shè)計(jì)人員都很熟悉電壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，并因此很自然地設(shè)想導(dǎo)通阻抗是開關(guān)選擇中最重要的規(guī)格。這種設(shè)想出于在電壓源應(yīng)用中，導(dǎo)通阻抗往往會(huì)引起插損和信號(hào)衰減。但幸運(yùn)地，HDMI 和 DVI信號(hào)并沒有這個(gè)問題，因?yàn)樗鼈兪褂镁哂薪K端電阻的電流源來建立信號(hào)電平。圖4所示為如何建立TMDS信號(hào)的基本原理圖。


　
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(dòng)，開關(guān)上的插入損耗要比電壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)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(dǎo)通阻抗的開關(guān)不應(yīng)該過大。

綜上所述，HDMI / DVI開關(guān)的導(dǎo)通電容應(yīng)該很小。當(dāng)面對導(dǎo)通電容和導(dǎo)通阻抗的權(quán)衡問題時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇較低的導(dǎo)通電容，因?yàn)閷?dǎo)通電容對系統(tǒng)性能的影響相對較大。

■頻寬
第二個(gè)重要的開關(guān)特性是頻寬。要以最大的速率傳輸數(shù)據(jù)，HDMI / DVI開關(guān)就必須具有至少825MHz的頻寬。這個(gè)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(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)，沒有這種性能的開關(guān)會(huì)使數(shù)據(jù)流急劇衰減，從而導(dǎo)致HDMI 或 DVI接收器無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。此外，較窄的頻寬會(huì)縮短系統(tǒng)可接受的纜線長度，使到最終設(shè)計(jì)對于消費(fèi)者的吸引力大減?；谶@些原因，HDMI / DVI開關(guān)至少應(yīng)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(guān)對于信號(hào)反射產(chǎn)生的影響。雖然HDMI / DVI開關(guān)不可能完美地匹配傳輸線的線阻抗，但是這些開關(guān)仍可通過設(shè)計(jì)使信號(hào)反射減至最小。透過選擇具有低導(dǎo)通電容和導(dǎo)通阻抗的HDMI開關(guān)，便可以將總系統(tǒng)反射降至最小。

在信號(hào)反射方面，最好選擇較低的導(dǎo)通電容和較高的導(dǎo)通阻抗，這會(huì)造成開關(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)增加眼圖波罩余量（Eye Mask Margin）。

總結(jié)
HDMI是消費(fèi)視頻市場的下一個(gè)焦點(diǎn)，有機(jī)會(huì)像USB一樣在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中廣泛普及。透徹理解導(dǎo)通電容、導(dǎo)通阻抗和頻寬的重要權(quán)衡取舍，方能設(shè)計(jì)出充分發(fā)揮HDMI所有長處的系統(tǒng)；當(dāng)為系統(tǒng)增加多個(gè) HDMI 連接器時(shí)，HDMI開關(guān)可以大幅降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并減少系統(tǒng)成本。