高解析度多媒體介面(HDMI)在成為消費性電子的標準配備介面後，也在車用、投影機顯示中逐漸得到廣泛的應用。對於原先不是專業從事消費視訊/音訊領域的設計工程師而言，設計高頻率HDMI介面會有一些挑戰須克服，本文將以ADV7842/ADV7511參考設計方案實例介紹和講解HDMI輸入和輸出介面的設計和基本要求、HDMI相容性測試(HDMI Compliance Test)的要求，以及最常見的問題和推薦的解決方法。
近2年HDMI市場應用正快速擴大，此一技術已走出了傳統的電視、投影機、遊戲機和A/V接收器(A/V Receivers)的範圍，變成了高解析度影音、數位相機和家庭攝影機的必備介面，且在智慧型手機和車載顯示的應用也正在蓬勃興起。設計工程師必須對HDMI輸入和輸出介面的設計要求和相容性測試有一個基本的了解，從而在進行電路和印刷電路板(PCB)的設計時可提前周全考慮，並避免系統重複設計之類的問題。
改善相容性問題 高整合度HDMI I/O晶片立功
ADV7842是一款整合了類比和HDMI Receiver(HDMI Rx)輸入的視訊I/O晶片。ADV7511是一款HDMI Transmitter晶片。接下來將以這兩款晶片做成的HDMI I/O參考線路(圖1為電路圖，圖2是實際PCB圖)討論高速、高準確度視訊PCB設計時最常見的問題和推薦的解決方法。
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| 圖1 ADV7842-ADV7511 AV參考線路方塊圖 |
在PCB上HDMI連接端子(HDMI Connector)到HDMI Rx數據輸入接腳的長度應減至最短，所以HDMI Rx晶片置放的位置應盡量靠近HDMI連接端子(圖2)。過長的連線會受其他外部源的影響而產生雜訊。此外，連線短也有助於控制差動阻抗。HDMI TMDS傳輸線的差動阻抗要控制在100歐姆(Ohm)左右。差動阻抗與板材、板厚、疊層結構、線寬、線距都密切相關。建議用戶跟電路板廠協商相關參數，才能在設計時避免再次改板或者調整設計。
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| 圖2 ADV7842-ADV7511 AV參考線路實際PCB |
降低HDMI電源耗損 類比/數位線路設計至關重要
為了達到好的(尤其是傳輸速度快的高解析度影音訊號時)設計性能，HDMI Rx的供電電源設計和布局合理性非常重要。下面將討論HDMI Rx電源設計問題。
首先是HDMI Rx類比線路部分，在設計時注意將重要電源與其他的1.8伏特(V)電源用磁珠隔離開來。電源須配置旁路電容(ADV7842是用10nf和100nf)。電容離電源接腳越近越好。另外，在接近電流源的地方須置放一個大的去耦電容(例如10μF)。
其次，設計人員須注意的問題是HDMI Rx數位線路部分，設計時注意將重要電源與其他的3.3V電源用磁珠隔離開來。電源須配置旁路電容(ADV7842是用10nf和100nf)，電容則離電源接腳越近越好。
第三，在設計電源PCB布板的時候請特別考慮採用獨一的接地層(Single Ground Plane)、在阻抗匹配允許的情況下盡量考慮用頂層或底層做電源和接地層、在阻抗匹配允許的情況下考慮用盡可能薄的電介質層將電源層和接地層隔開等幾點，而在PCB電源層中則應盡量避免在其他層上以單線連接電源層。如果不可以避免，應該增加適當的旁路電容(Bypass Capacitor)，且為大電流的供電電源走線時，須考慮其上的電壓降，如果某一電源不可以用電源層相連接，則用盡可能粗的走線連接，已盡量降低走線抗阻。除此之外，不同層的電源(比如在類比電源上方的數位電源層)的耦合應盡量避免，而電流的返回路徑應確保是低阻抗。
最後，採用旁路電容時的注意事項有以下四點。首先是旁路電容應置放在離接腳盡可能近的地方；其次連接接腳的線應盡可能短而寬；第三連接地的線也應盡可能短而寬；最後每個Pad在可能的條件下用多於一個的孔(Via)但孔之間的間隔應至少和孔的深度一樣。
HDMI測試要求與注意事項
根據HDMI CT(Compliance Test)規格的要求，所有的HDMI接收設備都須提供延伸顯示能力識別(EDID)訊息。以往，多數客戶會選擇在資料通道顯示(DDC)匯流排上外掛電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)以儲存EDID訊息。為了進一步降低用戶的整體物料清單成本(BOM)，ADV7842整合了內部記憶體(RAM)用於儲存EDID訊息，上電後，用戶將EDID訊息寫入即可。
利用ADV7842提供的串列周邊介面(SPI)Master介面，用戶還可外掛一顆SPI EEPROM，這樣用戶可以將EDID訊息永久燒入SPI EEPROM。ADV7842可將SPI EEPROM內的訊息讀入內部的RAM。如此一來，即可減輕軟體的負擔。當然，這些功能都有相應的暫存器提供致能控制，用戶可關閉這些功能，而使用傳統的外掛方式，以相容過去的設計。
有了硬體的支援，當然EDID的內容也要符合HDMI CT規格的要求。事實上，在HDMI預測試過程中在一些與EDID測試相關的項目經常會失敗。其實，如果熟悉這些項目規範的相關要求，通過相對來說是比較容易的。
另外一個經常在EDID測試中遇到的問題是客戶不能將EDID中的SVD(Short Video Descriptor)模組，與提交的CDF(Capabilities Declaration Form)一致，在CDF中表明支援的格式在EDID的SVD模組中沒有表明支援，或者是相反。ADV7842進一步提高了產品的強固性，提供了對更多視訊格式的支援，例如支援在新的HDMI規格中加入的三維(3D)視訊訊號格式。
在這裡還須提到一個HDMI CT測試問題，以供各位參考。在對視訊格式支援的測試中，對所有用戶聲明能夠支援的視訊格式都會進行測試，且會測試支援50Hz的設備對於50Hz±0.5%(即49.75Hz和50.25Hz)，和支援59.94Hz或者60Hz的設備對59.64Hz和60.3Hz現場頻率變化的支援能力。現場頻率的變化範圍，ADV7842完全可以支援，但是用戶在軟體設計中須注意到這些對視訊格式容忍度的要求。
在HDMI 1.4的標準中，雖對3D Timing有明確的定義，但為了保證產品在市場上的相容性在設計時對HDMI產品的視訊格式做全面的測試是十分重要的。上一段提到了對3D Timing的支援。
ADV7842對3D Timing做了很完整的測試。在表1中標識出了所有ADV7842已測試過的常用和必須支援的3D Timing。其中，灰色所標識出的為必須要支援的3D Timing。
綜上所述，本文概括性地討論了HDMI I/O設計和測試中常見到的和須注意的問題以及解決的方法。視訊訊號越快，上面所討論的問題就越顯著，所以在選擇HDMI I/O晶片，特別是接收器(HDMI Rx)時要選擇經過HDMI CT嚴格測試過的產品以避免發生相容性問題。
(本文作者皆任職於ADI)