在工業控制領域，經常看到使用高解析度多媒體介面(HDMI)纜線來連接顯示器，進而監控整個生產過程中的各個關鍵指標。有時顯示器離整個生產線特別遠，HDMI纜線不夠長，往往須要導入訊號隔離方案，好讓訊號能傳遞更遠的距離。
本文將介紹「光纖訊號隔離」和「專用晶片訊號隔離」兩種不同的HDMI訊號隔離方案，希望對讀者有所啟發。
什麼情況下HDMI需要訊號隔離
如圖1所示，這是一個使用HDMI纜線來連接顯示器與人機互動介面(HMI)的應用。一般情況下，HDMI的纜線長度可以支援15公尺(m)，進而可以方便地布線到觸控式螢幕顯示器和控制室。
圖1 工業控制領域，透過HDMI連接顯示器
資料來源：ADI
但是在惡劣的工業環境中，將HDMI的纜線長度進一步延長可能會帶來挑戰，因為電磁相容(EMC)危害會影響布線，干擾訊號傳輸。這時往往需要考慮對於HDMI進行訊號隔離，降低EMC對訊號傳輸的影響，進而延長傳輸距離。
傳統上，在高速介面上增加訊號隔離是一項非常重要的任務。一般超過250Mbps的資料速率，便超出了光耦合器(Optical Coupler)和大多數數位隔離器的能力。
例如，對於一個在60Hz下傳輸24位元顏色、解析度為1,920×1,080(1080P)的視訊鏈路，如果要對這個視訊鏈路進行訊號隔離，需要4.4Gbps總頻寬的隔離器，才能保證視訊的流暢傳輸。
光纖訊號隔離解決方案介紹
光纖訊號隔離解決方案中，銅介質到光纖的轉換需要一個序列器、一個解序器和電-光轉換器。同時要求光纖須具有足夠的頻寬(圖2)。這種方案速度快，傳輸距離長，可以長距離傳輸4K視訊，但是相對的成本也非常高。
圖2 HDMI訊號到光纖
資料來源：ADI
採用專用訊號隔離晶片
當然，使用標準數位隔離器也可以實現這個功能。以每個標準數位隔離器150Mbps的速度運行。該方案還需要一個序列器(Sequencer)、一個解序器，如果要實現4.4Gbps的總頻寬，相當於需要30多個標準數位隔離器(圖3)。顯然，這種方案不太合理，這裡就不繼續討論下去了。
圖3 HDMI訊號到數位隔離器
資料來源：ADI
另一個技術選項是使用專用的晶片解決這個問題。例如，使用ADI的ADN4654系列低電壓差分訊號(LVDS)數位隔離器(圖4)。
圖4 HDMI訊號到Gbps LVDS隔離器
資料來源：ADI
透過利用ADN4654的Gbps資料速率，可以降低系統的複雜性，並且僅使用兩顆ADN4654即可實現4.4Gbps頻寬。每顆元件有兩個通道，總共有四個通道，每個通道上的工作速率可以高達1.1Gbps。
EVAL-CN0422-EBZ是一塊隨插即用的評估板(圖5)，針對HDMI 1.3a埠，可實現訊號隔離。與iCoupler隔離技術結合在一起，透過絕緣屏障傳輸必要的電源和高速視訊及控制訊號。
圖5 ADN4654評估板EVAL-CN0422-EBZ
資料來源：ADI
HDMI 1.3a通訊協定中的視訊資料透過四個TMDS(最小化傳輸差分訊號)通道傳輸：三個資料通道(對應紅綠藍)和一個時脈通道，且每個通道必須單獨隔離(圖6)。
圖6 HDMI視訊資料透過TMDS通道傳輸
如圖7所示，雖然TMDS與LVDS(低電壓差分訊號)稍有不同，但可以使用CML(電流式邏輯)，亦即透過一些簡單的被動元件來實現與LVDS相容設備的相容性。
圖7 使用簡單的被動元件來實現TMDS與LVDS相容
資料來源：ADI
這些被動元件與兩個雙通道Gbps頻寬ADN4654隔離LVDS收發器結合使用，以隔離四條TMDS通道。可實現高達110MHz的像素時脈頻率，以60Hz的畫面播放速率支援720p解析度。
藉助訊號隔離方式 延長HDMI傳輸距離
使用訊號隔離的方法，可以延長HDMI的傳輸距離。特別是利用專用訊號隔離晶片，可以有效地在HDMI來源端和HDMI接收端之間實現安全、無雜訊連接，為開發者提供了隔離高頻寬介面的新選項。
(本文作者任職於Digi-Key)