利用HDMI开关增强数字高清显示器的连通性

目前商店里大多数的高清电视都具有模拟高清分量视频输入(YPbPr)输入端子以及单一的高清数字输入端子(如DVI或HDMI)。现在，利用带有HDMI输出端子的机顶盒，许多消费者都能够接收有线电视公司的数字高清节目内容。在这种应用中，许多高清显示器中已有唯一的HDMI输入端子，因此不能连接其它HDMI数据源。
 

图1：高带宽HDMI开关FSHDMI04应用结构框图

微软和索尼的下一代游戏平台都具有HDMI输出，让玩家能尽情享受全数字化的高清体验。预计到明年，高清DVD标准的大战将有定论，市场上将迅速推出采用HDMI输出的高清DVD播放器。这些市场趋势显示出对于带多个HDMI输入端子显示器的需求。显示器设计工程师意识到家用数字设备即将出现迅猛增长，因此正在下一代高清显示器产品中增加更多的数字输入端口。

虽然设计工程师能够利用更贵的HDMI接收器芯片来满足这个需要，但许多都仍然选择保留现有的单输入HDMI接收器，并使用HDMI/DVI开关来进行转换，因为这种选择能实现最短的设计周期，以及更重要的是最低的总体系统成本。由于系统成本是驱动HDTV普及的一个主要因素，故享有总体成本的优势非常重要。

系统应用

HDMI开关能够复用当前已具备单HDMI输入端子的设计，因此有助于简化设计和降低总体系统成本，首批因这些产品而受益的主要应用包括各种格式的高清视频显示器、CRT、LCD、DLP和等离子等。这些产品中无需使用更新更贵的双输入接收器，只是增加第二个端口，HDMI开关就可以对现有已采用单HDMI输入端子的设计迅速进行升级。HDMI开关(如FSHDMI04)只需简单地插入到选定的HDMI接收器和两个HDMI连接器之间。

对于一个完整的解决方案，还需要能发送更高电压及更低频率的控制信号。建议使用一个至少165MHz的简单5V四通道SPDT开关(例如FSAL200或FSAV330)。这些控制信号用于接收器和数据源之间的首次握手，数据源根据这些控制信号来确定接收器能够处理什么样的视频分辨率。只需要FSHMDI04和第二个用于发送控制数据的开关，就可以在单输入设计上完全实现第二个HDMI输入接口。

这种配置能让用户将数字机顶盒(STB)和游戏机或未来具HDMI功能的高清DVD播放机连接到显示器上。利用标准的单输入显示器，用户必须拔去STB才可通过HDMI线缆播放电影或视频游戏。对此，用户还可采用另一种方案，利用HDMI线缆保留STB的连接，并使用YPbPr连接DVD播放机或游戏机。虽然这种方法可以连接高清节目内容，但却需要在模拟和数字格式之间进行两次转换，因此其最终质量会较HDMI提供的纯数字连接低。

未来将会采用HDMI开关的主要应用之一是笔记本电脑。现在，许多笔记本电脑都具有适用于现有DVD的标准清晰度S视频输出端子，但由于预期高清DVD标准将会很快获得采用，加上新一代游戏机将适用于高清游戏，下一代笔记本电脑和坞站(docking station)转向HDMI输出是很自然的事。在这种应用中，HDMI开关应允许笔记本电脑和坞站外接HDMI连接器，当笔记本电脑插接或未插接时便可以自动进行切换，这就使得拥有高清DVD驱动器的笔记本电脑用户能够在其数字高清电视或数字显示器上观看高清电影。

HDMI和DVI概述

HDMI是两者之中较新的一种格式，基于老的DVI规范。DVI只能处理视频数据，HDMI却可包含音频及视频数据，并通过称为高清内容保护(HDCP)的数字加密协议形式提供更强的内容保护功能。由于HDMI连接涵盖视频和音频数据，因此可在数据源和接收器之间实现单一连接。两种格式都遵循相同的电气规格，所以像FSHDMI04等无源视频开关便不能区分出HDMI或DVI信号。这种共享的电气规格称为最小化传输差分信令(TMDS)，在每一链路中使用了由3个数据对与1个时钟对组成的4个差分对。HDMI在两种基本数字配置之一(单链路或双链路)上传输数据。任一给定链路的最大带宽是4.95Gbps(3个TMDS对每个并行传输的速率为1.65Gbps)，对应于165MHz的最大时钟频率。

数据和时钟频率不同的原因在于数据以称作像素的10位数据包发送。对清晰度要求低于165兆像素/秒的显示器而言，单一链路连接已经足够。假若清晰度要求在165兆像素/秒和350兆像素/秒之间，可使用第二条链路并行发送数据。由于两条链路共享一个时钟对，因此最大的时钟频率始终为165MHz。

DVI是市场上第一个标准化的纯数字视频连接。像HDMI一样，它对单或双链路配置的需求取决于所选的显示器清晰度、显示器类型和相应的刷新频率。DVI连接在电脑应用中仍然相当普及，许多系统都具有DVI输出以便实现至数字LCD显示器的直接数字连接。例如，一个刷新频率为60Hz的高清LCD显示器(1,920x1,080)可利用单链路DVI和约130MHz的时钟频率连接。

由于DVI和HDMI的基本电气特性都是基于同一标准，像FSHDMI04这样的开关适用于这两种数字视频格式。

HDMI/DVI的应用挑战和关键规范

HDMI和DVI的数据速率都非常高，并允许传输未经压缩的数字视频。在单链路HDMI连接中，每个TMDS对将以高达1.65Gbps的速率传输数据，较高速USB快三倍。因此当利用高速数据传输协议进行设计时，出现了新的应用挑战。在这个环境中，以前微不足道的寄生电容、线载(line loading)和信号失配都可能导致误码率的增加，甚至造成发送或接收数据的失败。

此外，HDMI和DVI规范的编写者从不会想到在发送器和接收器之间的信号路径中插入无源高频低损耗开关。认真阅读HDMI和DVI的规范便可明显发现这一点，因为在电气规范中几乎没有留给加入的非理想开关器件带来的变化余地。因此，HDMI和DVI高性能开关生产商必须针对应用的特定需求谨慎定制其产品，否则将不能在系统中正常工作。以下是一些关键的功能特性，根据这些特性可以判定开关能否在高速环境下工作。

1. 导通电容与导通阻抗

开关的导通电容是判断开关对TMDS数据流影响的最重要因素。过大的开关电容会导致信号弧形边缘，造成较慢的上升和下降速度。其结果是，系统的抖动增加，相应的误码率增大。通道的电容失配对HDMI和DVI规范的影响很大，使得要满足非常严苛的偏移(skew)规范更加困难。

例如，当以最高速率传输数据时，差分对内偏移不能超过0.15Tb，亦即不能大于90ps。HDMI/DVI开关设计工程师必须面对的一个设计问题是导通电容和导通阻抗的折衷。低导通电容和高带宽性能需要付出增加导通阻抗的代价。这个折衷是不可避免的，这也正是HDMI/DVI开关必须针对有关应用进行设计的基本原因之一。

许多设计工程师都很熟悉电压驱动应用，并因此很自然地认为导通阻抗是开关选择中最重要的规格。这是因为在电压源应用中，导通阻抗往往会引起插入损耗和信号衰减。但幸运的是，HDMI和DVI信号并没有这个问题，因为它们使用具有终结电阻的电流源来建立信号电平。

当知道TMDS信号的典型信号范围为AVCC到AVCC-0.5V就能够得出结论，电流源将设置为通过50欧姆的偏置电阻(RT)提供10mA电流，以建立接收器输入电压。由于TMDS传输线是由电流驱动，开关上的插入损耗要比电压驱动应用少得多。采用恒定的10mA电流源，不论电阻上的电压降为多大，都能在接收器输入端提供正确的电压(由于没有理想的电流源，故需记住开关的导通阻抗不能过大)。

因此，HDMI/DVI开关的导通电容应该很小。当面对导通电容/导通阻抗的折衷问题时，应当选择较低的导通电容，因为导通电容对系统性能的影响相对较大。

2. 带宽

第二个重要的开关特性是带宽。要以最大的速率传输数据，HDMI/DVI开关就必须具有至少825MHz的带宽(因为数据速率传输为1.65Gbps，并同时在上升和下降沿触发)。由此得知在0到825MHz的频率范围上，开关的信号损耗不得大于3dB。当传输最高视频分辨率信号时，如果开关不能达到这种性能，将会使数据流严重衰减，从而导致HDMI或DVI接收器无法对数据进行恢复。此外，较窄的带宽会缩短系统可接受的缆线长度，使得最终的设计对于消费者的吸引力大减。基于这些原因，HDMI/DVI开关至少应该具有825MHz的带宽。

3. 阻抗匹配以减少反射

最后，必须考虑阻抗匹配以及在高速数据线路上增加开关对于信号反射产生的影响。虽然HDMI/DVI开关不可能完美地匹配传输线的线阻抗，但是这些开关仍可通过设计使信号反射减至最小。通过选择具有低导通电容和导通阻抗的HDMI开关，便可以将总系统反射降至最小。就信号反射而言，最好选择较低的导通电容和较高的导通阻抗，这会使开关输入端的电压驻波比(VSWR)具有较大的幅值，有助于补偿稍高的导通阻抗导致的任何损耗，并同时允许加性眼图波罩余量(eye mask margin)。