HDMI高清音視頻系統(tǒng)的高速PCB的研究及實現(xiàn)

李俊杰，曹旭東，梁華慶，曹生彪，張少華

(中國石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249)

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HDMI高清音視頻系統(tǒng)的高速PCB的研究及實現(xiàn)

李俊杰，曹旭東，梁華慶，曹生彪，張少華

(中國石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249)

為了能夠消除高速PCB技術(shù)中信號完整性的問題，需要在高速PCB設(shè)計過程中解決時序、噪聲、電磁干擾等關(guān)鍵問題。研究了HDMI高清音視頻系統(tǒng)的高速PCB設(shè)計過程中出現(xiàn)的串?dāng)_、電磁干擾、振鈴和電源完整性等信號問題，提出削弱或消除以上噪聲的方法。用Altium Designer，PADS軟件繪制電路原理圖和PCB，借助Hyper Lynx和ADS仿真軟件進行前端和后端可靠性驗證，最后通過對完成布線的PCB進行信號完整性驗證。測試結(jié)果表明此方案設(shè)計的HDMI高清音視頻系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在智能設(shè)備的升級替換和建設(shè)方面有重要的借鑒作用。

高速PCB；信號完整性；HDMI；音視頻

現(xiàn)代的電子系統(tǒng)向著封裝小、規(guī)模大、速度快的趨勢發(fā)展，與此同時，在超大規(guī)模集成電路中，芯片的密度越來越大，這就不可避免地會帶來一些問題，即如何分析和處理高速電路設(shè)計中互連線和疊層特征等因素。當(dāng)今電子產(chǎn)品的時鐘頻率達到幾百上千MHz，信號的上升沿和下降沿變得越來越陡。因此，設(shè)計此類產(chǎn)品時，PCB的布局布線規(guī)則和板材介電常數(shù)對系統(tǒng)的電氣特性至關(guān)重要。

高速PCB電路設(shè)計是當(dāng)前眾多電子產(chǎn)品研發(fā)的必要流程和重要環(huán)節(jié)，時序問題、噪聲干擾、電磁滋擾等是高速PCB電路設(shè)計的主要難題，這些問題的解決將關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計的正常運行[1]。

本文在HDMI高清音視頻系統(tǒng)中，以高速PCB仿真與設(shè)計作為主要研究內(nèi)容，利用Hyper Lynx和ADS軟件進行PCB布局布線前端仿真，按照仿真結(jié)果確定元器件和接插件的分布以及走線規(guī)則，最后通過對完成布線的PCB進行信號完整性驗證[2]，確保設(shè)計的產(chǎn)品達到進入市場的標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

HDMI是分辨率很高的音視頻接口，攜帶4組差分對，完成音視頻信息的高速傳輸[3]。該系統(tǒng)是基于新唐的51單片機W78E516D和Xilinx的XC3S400，當(dāng)圖像分辨率為1 080p時，20 bit并行數(shù)據(jù)流傳輸速率高達148.5 MHz。為了保證音頻和視頻數(shù)據(jù)輸出的并行性，提高傳輸質(zhì)量，本文采用GV7601對音視頻信號進行硬解碼，并且輸出的MCLK提供給Audio設(shè)備ADAV803，輸出的PCLK提供給Video設(shè)備SIL9030。

音頻通道選擇由8051通過四線制SPI配置，音頻信號以I2S協(xié)議給ADAV803，由8051以I2C兼容性串口進行編程控制，進行Audio Code成模擬信號到耳機等發(fā)聲器；由8051通過I2C編程SIL9030寄存器，將輸入的YCbCr 4∶2∶2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成YCbCr 4∶4∶4，然后傳送到HDMI Link。系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 HDMI系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的要求，硬件主要包括電源模塊、音頻和視頻處理單元、音頻模數(shù)處理單元和視頻處理單元4個部分。圖2所示為實際設(shè)計的電路板。

圖2 HDMI音視頻電路板

2.1 系統(tǒng)PCB疊層設(shè)計

該HDMI音視頻系統(tǒng)元器件的封裝密集、布局布線空間小、信號頻率高等因素決定設(shè)置6層PCB。

PCB疊層設(shè)計如圖3所示。頂層是電氣層，用于布線；第2層是內(nèi)電層，整層都是數(shù)字地網(wǎng)絡(luò)；第3、4層是電氣層，用于布線；第5層是內(nèi)電層，用于不同電源網(wǎng)絡(luò)的分割；底層是電氣層，用于布線[4]。

2.2 電源單元設(shè)計

該HDMI高清音視頻系統(tǒng)需要的電源種類多，布局復(fù)雜，圖4所示為主要電平轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓電路，系統(tǒng)輸入電源為5 V，通過LT1764穩(wěn)壓模塊輸出3.3 V的電源，3.3 V電源再分別通過MIC39150-2.5BU，LD1117S12，F(xiàn)AN1117AS18X穩(wěn)壓模塊輸出2.5 V，1.2 V和1.8 V電源。

圖3 高速PCB疊層分布

圖4 系統(tǒng)電源電路

圖4中的VDD3.3，VDD2.5和VDD1.2通過磁珠隔離輸出VCC3.3，VCC2.5和VCC1.2，放置較大的極性電容和小容值的無極性電容給XC3S400供電；VDD3.3和VDD1.2通過0 Ω電阻隔離輸出3.3 V_A和1.2 V_A給GV7601供電；VDD3.3通過磁珠隔離輸出P3.3 VA，通過0 Ω電阻隔離輸出AVDD3.3給ADAV803供電；VDD5通過SMDC110自恢復(fù)保險絲輸出9030_5V；VDD33通過BLM21PG221SN1D隔離輸出9030_AVCC，再通過3個0 Ω電阻隔離輸出9030_PVCC1，9030_PVCC2和9030_IOCC；VDD18通過BLM21PG221SN1D隔離輸出9030_CVCC18，這些電源是給SIL9030供電的。圖5所示為POWER1電源內(nèi)電層的分割圖。

圖5 系統(tǒng)電路板的電源分布

2.3 音視頻輸入單元設(shè)計

音視頻數(shù)據(jù)以串行的形式進入GV7601，經(jīng)過解析輸出數(shù)據(jù)流的速率有270 Mbit/s、1.485 Gbit/s和2.97 Gbit/s三種模式，在基于同軸電纜的視頻系統(tǒng)中，逐行分量數(shù)字視頻高達1 920×1 080。圖6所示為音視頻輸入單元基本電路。

應(yīng)用投入導(dǎo)向規(guī)模效率可變BCC模型，運用DEAP2.1軟件，對2009年和2016年我國各區(qū)域高技術(shù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新效率進行測算，結(jié)果見表2。

圖6 音視頻輸入電路

2.4 音頻輸出單元設(shè)計

ADAV803是ADI公司的立體音頻編解碼器，其操作指令是通過一個I2C兼容型串行接口，對各個控制寄存器的設(shè)定進行編程控制。ADC提供采樣頻率可選，分辨率高達24位的輸出字。圖7所示為左右兩個聲道音頻信號進出的電路圖。

圖7 音視輸出電路圖

2.5 視頻輸出單元設(shè)計

SIL9030是Silicon Image公司生產(chǎn)的第二代數(shù)字接口產(chǎn)品，是以HMDI接口單元為背景，增加了音頻數(shù)據(jù)傳輸功能，支持1 080p的視頻分辨率。SIL9030是一款高性能的HDMI發(fā)送器，被廣泛應(yīng)用于DVD播放器、A/V接收機和D-VHS唱片機等家庭影音產(chǎn)品[5]。W78E516D通過I2C總線與它通信，完成視頻編碼，輸出3路YCbCr(4∶2∶2)的TMDS數(shù)據(jù)流和1路時鐘信號到HDMI接口[2]，如圖8所示。

圖8 視頻輸出單元電路圖

3 電源完整性設(shè)計

當(dāng)前電源完整性(PI)指的是電能從電源端被傳遞到負載的線性度，可以從交流和直流兩方面進行分析。PCB電路系統(tǒng)中以阻容器件為主，信號線容易造成電感效應(yīng)，這三者之間存在著相互作用。信號經(jīng)過感性傳輸線會產(chǎn)生一個壓降，導(dǎo)致正在給IC供電的電源電壓降低，影響電子單元的正常工作。在高頻電路中，容性和感性容易造成諧振，降低信號傳輸質(zhì)量，甚至引發(fā)IC誤操作[6]。

要驅(qū)動整個系統(tǒng)的負載需要提供很大的電流，這會使電源產(chǎn)生壓降，為了保持電源電壓容差不超過負載的極限值，必須進行DC分析。例如設(shè)計中沿導(dǎo)軌1.8 V的電位差下降必須小于0.1 V，否則就會發(fā)生故障。電源分配網(wǎng)絡(luò)的特征阻抗隨著頻率響應(yīng)造成SI、抖動和EMI等問題，因此AC分析也必不可少[7]。

4 高速PCB信號環(huán)路設(shè)計

4.1 內(nèi)電層分割設(shè)計

在一個電路系統(tǒng)中可能存在多種電源和地，靠鋪銅、打孔已經(jīng)不能連接信號的回流路徑，這時多是采用分割內(nèi)電層的技術(shù)，按照電源網(wǎng)絡(luò)的分布情況分割電源內(nèi)電層，對于地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電層，一般不予分割。如圖9所示，將電源層分割成多個相互獨立的部分，并標(biāo)注相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，此時會造成信號參考層的分裂，返回信號是無法穿越這條裂縫的，只能通過耦合電容和過孔返回地層。

圖9 電源分割情況下的信號回流路徑(截圖)

在2個參考層的間隙放置高頻和低頻耦合電容，能夠減小信號回路面積。一些芯片具有多組電源管腳，在設(shè)計過程中每一個電源管腳附近都選配一個耦合電容，一是可以濾除噪聲干擾，給芯片提供文波較小的電源，一是為信號搭建最佳的返回路徑[9]。高速PCB布線應(yīng)盡量避開信號線穿越裂縫上方，而且要保持地層完整，這樣才能得到較好的信號完整性。

4.2 過孔連接信號環(huán)路

信號從驅(qū)動端到達接收端有時需要放置過孔切換層次，在高速數(shù)字電路設(shè)計中一般會有2個參考層，信號線在參考層之間的電氣層布線，信號不可能透過絕緣介質(zhì)返回驅(qū)動端，使用過孔連接參考層可以縮短信號環(huán)路。

電源層和地層對于信號來說都是參考層，設(shè)置疊層分布時應(yīng)該減小二者之間的間距。如果信號傳輸過程中是以電源層為參考層，沿過孔表面切換到其他電氣層，這時信號的參考平面可能變成地層，雖然也能返回驅(qū)動端，但是會產(chǎn)生地陷或電源塌陷等信號完整性問題。所以，切換布線層后一般在過孔附近安裝耦合電容，為信號搭建有利的返回路徑。如圖10所示，這樣就能保證整個環(huán)路的參考平面相同，避免產(chǎn)生信號完整性和電磁干擾等問題。

圖10 信號通過耦合電容返回驅(qū)動端

5 電磁兼容性設(shè)計

電磁輻射主要由干擾源、傳導(dǎo)介質(zhì)和受害源三者組成。干擾源可以是自然因素，如熱噪聲和雷電噪聲等，還可能來自人為干擾，如家用電器、高頻儀器、手機和電視廣播等[10]。電磁干擾通常是以耦合的形式摻雜有用信號作為載體傳導(dǎo)。本文使用Hyper Lynx仿真軟件對初步設(shè)計完成的PCB做輻射強度分析。選擇系統(tǒng)中的關(guān)鍵信號線EBI_D4，分別設(shè)置探針位置3 m和10 m，提供220 MHz的激勵源，得到FCC和CISPR國際標(biāo)準(zhǔn)的仿真數(shù)據(jù)，如圖11和圖12所示。

圖11 信號線EBI_D4的3 m探針電磁輻射仿真分析(截圖)

圖12 信號線EBI_D4的10 m探針電磁輻射仿真分析(截圖)

6 HDMI接口PCB的設(shè)計及仿真

高速PCB設(shè)計與普通低速PCB設(shè)計不同，布線完成后，還要利用信號完整性分析軟件對整板PCB進行EMC分析和仿真，這期間會多次調(diào)整走線參數(shù)以達到改善PCB信號完整性的目的。PCB前端仿真使用的是理想傳輸線模型，一次只能對有限數(shù)量信號線進行仿真，而PCB后端仿真中的傳輸線是實際的PCB走線，摻雜了過孔、切換層次等影響特征阻抗的因素，這種情況下得到的仿真結(jié)果真實性強[11]。

6.1 蛇形等長線設(shè)計

該系統(tǒng)的PCB設(shè)計應(yīng)該按照“高速”標(biāo)準(zhǔn)繪制，為了保證并行數(shù)據(jù)流的同步性，必須控制所有的傳輸線等長及它們的間距，然而由于布局布線空間限制，此處采用蛇形走線技術(shù)完成等長布線。蛇形線可以減小一組并行相關(guān)信號的延時，實現(xiàn)同組信號的等長布線，保證系統(tǒng)各單元通信的正確性。

系統(tǒng)的關(guān)鍵走線是GV7601和SIL9030之間的并行數(shù)據(jù)線，查看手冊要求傳輸線阻抗匹配50 Ω，在二者之間各端接33 Ω的排阻消除反射、振鈴等問題。如果蛇形等長線太長，會對流動的信號產(chǎn)生感性作用，使信號在傳輸過程中發(fā)生相移和波動，造成接收端信號質(zhì)量惡化。那么，應(yīng)該怎樣確定蛇形等長線的長度呢？這里以GV7601為驅(qū)動器，以SIL9030為接收器，查看GV7601的IBIS模型，其dV/dt_r值為5.86373×101/2.82828×1010，即2.07 ns，介電常數(shù)為4.3的板材布線長度不能超過1/6×2.07×5.79=50.8 mm，經(jīng)過多次修改，最終設(shè)置布線長度為31.75 mm，寬度為0.18 mm，線間距為0.38 mm。圖13所示為部分蛇形等長線。

圖13 系統(tǒng)蛇形等長線(截圖)

6.2 TMDS差分總線的設(shè)計

TMDS通道傳輸?shù)氖欠迪嗟?，相位對稱的差分信號，包括編解碼數(shù)據(jù)和時鐘，接收端通過二者的差值得出邏輯“1”和“0”。對于TMDS時鐘頻率高于112 MHz的場合，為了保證信號質(zhì)量，不建議使用防靜電二極管和共模電感，而是在HDMI發(fā)送端放置RC網(wǎng)絡(luò)[12]，因為放置防靜電設(shè)備會增加TMDS數(shù)據(jù)和時鐘傳輸線的電容，導(dǎo)致差分阻抗不連續(xù)。圖14所示為SiL9030和HDMI接口之間的8條TMDS傳輸線，在布線過程中應(yīng)避免使用過孔，同時控制100 Ω的差分阻抗。

圖14 頻率高于112 MHz時HDMI接口的布局布線

6.3 TMDS差分對耦合分析

進行PCB繪制之前，在Hyper Lynx的Line Sim建立仿真平臺，不斷修正線間距、傳輸線類型和差分對耦合長度等因素，最終設(shè)置該評估板的TMDS差分總線PCB設(shè)計的布線參數(shù)為：線寬0.15 mm，線長58.42 mm，差分對中的兩條走線間距0.2 mm且等長，4組差分對相互間隔0.26 mm，為了減少過孔效應(yīng)，傳輸線采用微帶線在頂層，RC網(wǎng)絡(luò)對稱布局在底層。設(shè)計差分線，最基本的原則是等長和等間距。等長的目的是保持TMDS傳輸線信號的每個時刻都是同步的，消除共模干擾；等間距的目的是保證TMDS傳輸線的差分阻抗處處一致，而且兩條差分線應(yīng)盡量靠近，防止產(chǎn)生反射。圖15所示為TMDS差分對的PCB布線。

圖15 TMDS差分對的PCB布線(截圖)

PCB布線完成并不能保證所設(shè)計的走線一定符合指標(biāo)，對其進行仿真分析是必要的。選擇SIL9030的9030_TX1P和9030_TX1N差分對作為驅(qū)動端，提供112 MHz的時鐘源，在Board Sim中進行仿真，查看信號傳輸質(zhì)量。

7 結(jié)束語

現(xiàn)如今，HDMI產(chǎn)品種類繁多，諸如數(shù)字機頂盒、4K超高清電視、智能教育平臺等不斷進入千家萬戶，所以產(chǎn)品的穩(wěn)定性成為市場占有率的決定性因素。本文設(shè)計的高清HDMI音視頻評估板充分考慮了電源分布、阻抗匹配、反射、串?dāng)_等信號完整性問題，包括蛇形等長線和TMDS差分總線的設(shè)計。完成了原理圖和板級仿真驗證，能夠提高設(shè)計的成功率，對于此類產(chǎn)品的研發(fā)有一定的參考價值。

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李俊杰(1989— )，碩士生，主研電子信息與通信技術(shù)、油田測井儀器；

曹旭東(1968— )，副教授，研究生導(dǎo)師，主要從事DSP、SOPC、ARM等嵌入式微處理器的應(yīng)用技術(shù)研究和計算機軟件系統(tǒng)設(shè)計及石油物探、測井儀器的研制；

梁華慶(1964— )，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事石油探測與鉆采過程的微弱信號的檢測與信息處理、電法測井?dāng)?shù)值模擬、數(shù)據(jù)反演方面的理論與方法的研究。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Design of high-speed PCB in HDMI high definition audio and video system

LI Junjie， CAO Xudong， LIANG Huaqing， CAO Shengbiao， ZHANG Shaohua

(CollegeofGeophysicsandInformationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum-Beijing，Beijing102249，China)

In order to eliminate the incompleteness of signals in high-speed PCB technology， there are some key issues should be solved， including timing， noise， electromagnetic and so on， in the design process of the high-speed PCB technology. In the process of high-speed PCB of HDMI high definition audio and video， the problems like crosstalk， electromagnetic interference， ringing effect and power integrity and so on are studied， and the ways to weaken or eliminate those noises are proposed. Circuit schematics and PCB are drawn by using Altium Designer， PADS software and the reliability of the front and rear parts is verified by means of Hyper Lynx and ADS simulation software. Finally， the completeness of signal through the wiring of the PCB is verified. The test results indicate that this program designed for HDMI high definition audio and video is stable， there are important references in the replacement and upgrade of smart devices and building.

high speed PCB； signal integrity； HDMI； audio and video

李俊杰，曹旭東，梁華慶，等. HDMI高清音視頻系統(tǒng)的高速PCB的研究及實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2016，40(12)：34-39. LI J J， CAO X D， LIANG H Q，et al. Design of high-speed PCB in HDMI high definition audio and video system[J]. Video engineering，2016，40(12)：34-39.

TN919

A

10.16280/j.videoe.2016.12.007

國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧油田的應(yīng)用示范項目(CNGI-12-03-043)

2016-06-14