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利用WideEye技术扩展HDMI信号的传输距离

吴一亮 | WideEye,HDMI,传输距离 | 2010-11-22
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随着通信和消费类电子产品对信号速率和声音图像质量要求越来越高,高速电路成为电路设计工程师们关注的热点。其中设计中的难点是如何克服码间串扰、趋肤效应等对高速信号产生的严重影响。

正是由于这种原因,传输速率高达5Gbps的HDMI接口标准规定,信号源与接收端之间的距离不能超过15米;同时在接口电路设计的时候,HDMI接口需要与后端芯片离得尽量近。这些规定无疑为项目设计和用户使用带来了不便。

硅谷数模半导体公司利用在高速数模混合接口电路设计方面的专利技术WideEye,极大地增强了HDMI接收端的接收性能,在正常传输情况下支持HDMI芯片与后端芯片间距1.5米,而用CAT 5e线缆,可使HDMI信号的传输距离达40米。下面将结合高速信号传输过程中遇到的问题,来具体阐述WideEye技术是如何给HDMI接收性能带来提升的。

高速信号传输的问题

在传统电视设计中,并没有高速数字信号的概念,而随着数字电视,甚至是数字高清电视的引入,高速信号传输成为消费类电子领域遇到的新挑战。概括来说就是要面对低频电路不会碰到的传输线效应。高频电路的传输线特性可以用方程T(f)=exp(-ksl(1+j)f)来大致表示。这个方程表明,在传输线上,信号的高频分量不仅会比低频分量有更大的损耗,而且会有更大的相移。

高频分量的更大损耗就是趋肤效应,即随着频率的增加,大部分电流将集中于外部导体上,这会导致高频信号的过多损耗。这种趋肤效应从眼图上看,就是眼图的垂直距离减小。当眼图垂直距离减小到一定程度(如上沿低于抽样判决的高电平)时,就会产生误判决,反应到系统中就是误码。

高频分量的相移将带来码间串扰。码间串扰通常由反射噪声、串扰噪声和电源/地噪声引起。它表现为信号的抖动,反应在眼图上就是信号的上升/下降沿被拉长、变缓。

使用WideEye均衡来改进高频信号的接收性能

前面讨论了高速电路设计中常会遇到的两个问题。这两个问题决定了高性能的高速信号接收芯片必须具备恢复幅度小、码间串扰严重的信号的能力。

通常为了消除趋肤效应,工程师会在高速信号发送端对其高频分量进行预加重。但过多的预加重会导致传输线上信号幅度过大,从而引起串扰,使系统的EMC性能下降。同时,预加重并不能减弱码间串扰的影响。所以在高性能的高速系统中,接收端均衡是非常必要的。高速电路接收端均衡是指,在接收端通过一系列的数字信号处理来降低传输线效应对高速信号的影响,主要就是克服趋肤效应和码间串扰。

对于趋肤效应,均衡器采用对高频分量放大的方法来处理。即将已经衰减的高频分量放大到抽样判决可以正确识别的水平。而对于码间串扰,均衡器的作用就是传输线效应的逆向处理。由于传输线可以近似为低通滤波器,故均衡器就应该是高通滤波器。均衡器的模型如图1所示。

 


图1:克服趋肤效应和码间串扰的均衡器模型

设计一个性能优异的均衡器是有很多挑战的。一方面,必须根据信号高频分量衰减的程度来决定均衡器的参数,从而正确地放大高频分量的幅度;另一方面,在放大信号的同时,噪声也必然被放大,所以如何保证恢复后数据的高信噪比也是一大难题。硅谷数模半导体公司应用其在高速数模混合信号传输领域十余年的技术积累,设计出拥有特殊架构和算法的DSP自适应均衡器,成功解决了上述难题,从而为HDMI接口带来了无与伦比的接收性能,经过该均衡器恢复的结果见图2。

 


图2:Analogix DSP自适应均衡器恢复结果实例

WideEye均衡使HDMI芯片拥有超强的接收性能

使用WideEye技术的Analogix HDMI芯片拥有了超强的接收性能,包括优异的误码率性能。ANX9011/9021芯片实现的误码率达到10-12。而HDMI标准规定HDMI接收端恢复数据的误码率不得高于10-9,故所实现的误码率仅为标准规定值的1/1,000。该误码率保证了数字电视的清晰度,同时也为设计工程师提供了很大的设计冗余。

ANX90xx系列芯片支持1080i信号在CAT 5e网线的传输距离达到40米。这样可从以下两个方面获得收益:

1. 有效扩展了HDMI信号的传输距离

标准中规定支持高清信号在HDMI线缆上传输15米。但这个距离在许多应用中是远远不够的,比如投影仪使用环境。

2. 有效地降低了成本

通过两个方面实现了成本的降低。一方面是HDMI线缆本身的成本很昂贵;另一方面,为了扩展HDMI信号的传输距离,有时需要另外配置价格高昂的HDMI的中继器。

WideEye所应用的DSP自适应均衡技术除了可以应用于消费类电子领域,也可以广泛地应用在其它高速电路中用于提高接收性能。

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