電路設(shè)計(jì)中HDMI的信號(hào)完整性分析

李波 屈原 周潤(rùn)景 魏曉敏

摘 要：本文以TMDS差分傳輸線為研究對(duì)象，通過(guò)前仿真和后仿真研究信號(hào)完整性問(wèn)題。前仿真使用Hyperlynx軟件，得到了符合HDMI規(guī)范的布局布線約束規(guī)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(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，分析和驗(yàn)證了基于HDMI的高速差分傳輸線的信號(hào)完整性分析的正確與意義所在。

關(guān)鍵詞：HDMI;信號(hào)完整性;仿真;眼圖

1 引言

目前在電視機(jī)和計(jì)算機(jī)等主要電子設(shè)備中，模擬量的接口出現(xiàn)了干擾數(shù)字圖像信號(hào)的傳輸，高清晰度多媒體接口HDMI（High Definition Multimedia Interface）的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的完整性（SI，Signal Integrity）。HDM是唯一支持不壓縮全數(shù)字化的視頻和音頻接口技術(shù)，適合影像傳輸?shù)膶?zhuān)用型數(shù)字化接口，可同時(shí)傳送音頻和影像信號(hào)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備正朝著體積小、速度快、價(jià)格低目標(biāo)發(fā)展著。但是，信號(hào)的完整性一直是電子產(chǎn)品研發(fā)需要考慮的問(wèn)題。

早在二十世紀(jì)九十年代，西方國(guó)家就有人在高速電路和信號(hào)完整性的研究上取得很大的成就。近幾年我國(guó)高速電路信號(hào)完整性的研究度越來(lái)越受關(guān)注，吳伯春、龔清萍等專(zhuān)家已開(kāi)始這方面的研究[1]，賀嬌對(duì)PCB板上典型傳輸線進(jìn)行了散射參數(shù)仿真和差分眼圖分析[2]。竇康并對(duì)PCB的的關(guān)鍵信號(hào)的信號(hào)完整性進(jìn)行仿真分析及應(yīng)用[3]。在華為小米等大企業(yè)中有了負(fù)責(zé)信號(hào)完整性的部門(mén)。在檢測(cè)HDMI傳輸信號(hào)的完整性時(shí)會(huì)使用到信號(hào)完整性分析儀，但是現(xiàn)有的信號(hào)完整性分析儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在使用時(shí)接入的線纜存在互相纏繞的狀況發(fā)生，線纜纏繞容易導(dǎo)致短路的狀況發(fā)生，同時(shí)設(shè)備內(nèi)部電子零部件容易因?yàn)橥饨绲恼饎?dòng)而損壞，并且當(dāng)不使用該設(shè)備時(shí)顯示屏容易受到損壞，給該設(shè)備的使用帶來(lái)了一定的影響。

在設(shè)計(jì)高速電路板時(shí)，如果信號(hào)完整性存在問(wèn)題，不嚴(yán)重的情況下會(huì)使系統(tǒng)的性能下降，嚴(yán)重的會(huì)使系統(tǒng)報(bào)廢。因此，信號(hào)完整性問(wèn)題已是設(shè)計(jì)高速電路板時(shí)亟待解決的問(wèn)題。現(xiàn)在高速PCB設(shè)計(jì)主要采用融入SI仿真，然后根據(jù)仿真獲得的約束條件返回來(lái)再完善高速PCB的設(shè)計(jì)。

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(duì)HDMI信號(hào)進(jìn)行完整性仿真分析;第四部分對(duì)論文進(jìn)行小結(jié)。

2 HDMI的通信通道

HDMI有DDC、TMDS和CEC三個(gè)通信通道。TMDS（Time Minimized Differential Signal）主要是實(shí)現(xiàn)視、音頻信息和輔助信息的發(fā)送和接收，本文中使用TMDS通道，TMDS高速數(shù)據(jù)通道是指TMDS通道，TMDS主要是最小化傳輸差分信號(hào)技術(shù)。

3 HDMI信號(hào)完整性仿真分析

HDMI信號(hào)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(duì)HDMI的TMDS電路建模如圖1所示，前仿真主要包括：TMDS差分對(duì)內(nèi)偏移分析、TMDS差分對(duì)間偏移分析和TMDS差分線耦合分析，仿真后提出滿足協(xié)議的TMDS差分線布局約束，按照前仿真的布局布線規(guī)則約束，在Cadence里繪制好PCB板，導(dǎo)入到SIwave軟件里進(jìn)行后仿真，如圖2所示。后仿真包括頻域分析和時(shí)域分析，以差信號(hào)與共模信號(hào)匹配為例。

3.1 差分信號(hào)與共模信號(hào)匹配

按照T型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行差分對(duì)的短接匹配，差模信號(hào)和共模信號(hào)均匹配，電路原理圖如圖3所示，眼圖結(jié)果如圖4所示。

3.2 實(shí)測(cè)對(duì)比

關(guān)于HDMI1.2版本源端眼圖實(shí)測(cè)圖如下圖5所示。

與PCB板仿真得到的眼圖相比較，主要參數(shù)眼高、眼寬、抖動(dòng)要求等基本匹配，仿真結(jié)果比較理想。

4 結(jié)論

本文以HDMI的最小化差分信號(hào)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了高速電路中的傳輸線信號(hào)完整性仿真研究。采用Hperlynx進(jìn)行前仿真，SIwave后仿真。最后將測(cè)試結(jié)果與仿真相對(duì)比，驗(yàn)證高速電路設(shè)計(jì)中仿真環(huán)節(jié)的必要性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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

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

[3]竇康.高速PCB的信號(hào)完整性分析與硬件設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué)，2015.

[4]劉蕾蕾，王元慶.廣義傳輸線方程結(jié)合Pade逼近分析分割地參考面的影響[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（06）.