電路設計中HDMI的信號完整性分析

李波 屈原 周潤景 魏曉敏

摘 要：本文以TMDS差分傳輸線為研究對象，通過前仿真和后仿真研究信號完整性問題。前仿真使用Hyperlynx軟件，得到了符合HDMI規范的布局布線約束規則，然后在Cadence里繪制PCB板，利用Ansys軟件完成了后仿真研究，最后，以該論文中的電路板實測結果與仿真結果對比，分析和驗證了基于HDMI的高速差分傳輸線的信號完整性分析的正確與意義所在。

關鍵詞：HDMI;信號完整性;仿真;眼圖

1 引言

目前在電視機和計算機等主要電子設備中，模擬量的接口出現了干擾數字圖像信號的傳輸，高清晰度多媒體接口HDMI（High Definition Multimedia Interface）的出現實現了數字信號的完整性（SI，Signal Integrity）。HDM是唯一支持不壓縮全數字化的視頻和音頻接口技術，適合影像傳輸的專用型數字化接口，可同時傳送音頻和影像信號。隨著科學技術的飛速發展，電子設備正朝著體積小、速度快、價格低目標發展著。但是，信號的完整性一直是電子產品研發需要考慮的問題。

早在二十世紀九十年代，西方國家就有人在高速電路和信號完整性的研究上取得很大的成就。近幾年我國高速電路信號完整性的研究度越來越受關注，吳伯春、龔清萍等專家已開始這方面的研究[1]，賀嬌對PCB板上典型傳輸線進行了散射參數仿真和差分眼圖分析[2]。竇康并對PCB的的關鍵信號的信號完整性進行仿真分析及應用[3]。在華為小米等大企業中有了負責信號完整性的部門。在檢測HDMI傳輸信號的完整性時會使用到信號完整性分析儀，但是現有的信號完整性分析儀結構簡單，在使用時接入的線纜存在互相纏繞的狀況發生，線纜纏繞容易導致短路的狀況發生，同時設備內部電子零部件容易因為外界的震動而損壞，并且當不使用該設備時顯示屏容易受到損壞，給該設備的使用帶來了一定的影響。

在設計高速電路板時，如果信號完整性存在問題，不嚴重的情況下會使系統的性能下降，嚴重的會使系統報廢。因此，信號完整性問題已是設計高速電路板時亟待解決的問題。現在高速PCB設計主要采用融入SI仿真，然后根據仿真獲得的約束條件返回來再完善高速PCB的設計。

該論文的其余部分組織如下：第二部分介紹了HDMI的通信通道;第三部分采用Hyperlynx和Ansys軟件對HDMI信號進行完整性仿真分析;第四部分對論文進行小結。

2 HDMI的通信通道

HDMI有DDC、TMDS和CEC三個通信通道。TMDS（Time Minimized Differential Signal）主要是實現視、音頻信息和輔助信息的發送和接收，本文中使用TMDS通道，TMDS高速數據通道是指TMDS通道，TMDS主要是最小化傳輸差分信號技術。

3 HDMI信號完整性仿真分析

HDMI信號完整性仿真包括前仿真和后仿真兩部分，前仿真使用Hyperlynx軟件對HDMI的TMDS電路建模如圖1所示，前仿真主要包括：TMDS差分對內偏移分析、TMDS差分對間偏移分析和TMDS差分線耦合分析，仿真后提出滿足協議的TMDS差分線布局約束，按照前仿真的布局布線規則約束，在Cadence里繪制好PCB板，導入到SIwave軟件里進行后仿真，如圖2所示。后仿真包括頻域分析和時域分析，以差信號與共模信號匹配為例。

3.1 差分信號與共模信號匹配

按照T型匹配網絡進行差分對的短接匹配，差模信號和共模信號均匹配，電路原理圖如圖3所示，眼圖結果如圖4所示。

3.2 實測對比

關于HDMI1.2版本源端眼圖實測圖如下圖5所示。

與PCB板仿真得到的眼圖相比較，主要參數眼高、眼寬、抖動要求等基本匹配，仿真結果比較理想。

4 結論

本文以HDMI的最小化差分信號為基礎，進行了高速電路中的傳輸線信號完整性仿真研究。采用Hperlynx進行前仿真，SIwave后仿真。最后將測試結果與仿真相對比，驗證高速電路設計中仿真環節的必要性和可靠性。

參考文獻：

[1]吳伯春，龔清萍.信號完整性分析技術[J].航空電子技術，2004（35）.

[2]賀嬌.高速PCB板傳輸線信號完整性分析[D].華中科技大學，2016.

[3]竇康.高速PCB的信號完整性分析與硬件設計[D].西安電子科技大學，2015.

[4]劉蕾蕾，王元慶.廣義傳輸線方程結合Pade逼近分析分割地參考面的影響[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2011（06）.