李俊杰，曹旭东，梁华庆，曹生彪，张少华

(中国石油大学(北京) 地球物理与信息工程学院，北京102249)



HDMI高清音视频系统的高速PCB的研究及实现

李俊杰，曹旭东，梁华庆，曹生彪，张少华

(中国石油大学(北京) 地球物理与信息工程学院，北京102249)

为了能够消除高速PCB技术中信号完整性的问题，需要在高速PCB设计过程中解决时序、噪声、电磁干扰等关键问题。研究了HDMI高清音视频系统的高速PCB设计过程中出现的串扰、电磁干扰、振铃和电源完整性等信号问题，提出削弱或消除以上噪声的方法。用Altium Designer，PADS软件绘制电路原理图和PCB，借助Hyper Lynx和ADS仿真软件进行前端和后端可靠性验证，最后通过对完成布线的PCB进行信号完整性验证。测试结果表明此方案设计的HDMI高清音视频系统工作稳定，在智能设备的升级替换和建设方面有重要的借鉴作用。

高速PCB；信号完整性；HDMI；音视频

现代的电子系统向着封装小、规模大、速度快的趋势发展，与此同时，在超大规模集成电路中，芯片的密度越来越大，这就不可避免地会带来一些问题，即如何分析和处理高速电路设计中互连线和叠层特征等因素。当今电子产品的时钟频率达到几百上千MHz，信号的上升沿和下降沿变得越来越陡。因此，设计此类产品时，PCB的布局布线规则和板材介电常数对系统的电气特性至关重要。

高速PCB电路设计是当前众多电子产品研发的必要流程和重要环节，时序问题、噪声干扰、电磁滋扰等是高速PCB电路设计的主要难题，这些问题的解决将关系到系统设计的正常运行[1]。

本文在HDMI高清音视频系统中，以高速PCB仿真与设计作为主要研究内容，利用Hyper Lynx和ADS软件进行PCB布局布线前端仿真，按照仿真结果确定元器件和接插件的分布以及走线规则，最后通过对完成布线的PCB进行信号完整性验证[2]，确保设计的产品达到进入市场的标准。

1 系统方案设计

HDMI是分辨率很高的音视频接口，携带4组差分对，完成音视频信息的高速传输[3]。该系统是基于新唐的51单片机W78E516D和Xilinx的XC3S400，当图像分辨率为1 080p时，20 bit并行数据流传输速率高达148.5 MHz。为了保证音频和视频数据输出的并行性，提高传输质量，本文采用GV7601对音视频信号进行硬解码，并且输出的MCLK提供给Audio设备ADAV803，输出的PCLK提供给Video设备SIL9030。

音频通道选择由8051通过四线制SPI配置，音频信号以I2S协议给ADAV803，由8051以I2C兼容性串口进行编程控制，进行Audio Code成模拟信号到耳机等发声器；由8051通过I2C编程SIL9030寄存器，将输入的YCbCr 4∶2∶2数据转换成YCbCr 4∶4∶4，然后传送到HDMI Link。系统设计框架如图1所示。

图1 HDMI系统框架

2 系统硬件设计

根据设计的要求，硬件主要包括电源模块、音频和视频处理单元、音频模数处理单元和视频处理单元4个部分。图2所示为实际设计的电路板。

图2 HDMI音视频电路板

2.1 系统PCB叠层设计

该HDMI音视频系统元器件的封装密集、布局布线空间小、信号频率高等因素决定设置6层PCB。

PCB叠层设计如图3所示。顶层是电气层，用于布线；第2层是内电层，整层都是数字地网络；第3、4层是电气层，用于布线；第5层是内电层，用于不同电源网络的分割；底层是电气层，用于布线[4]。

2.2 电源单元设计

该HDMI高清音视频系统需要的电源种类多，布局复杂，图4所示为主要电平转换稳压电路，系统输入电源为5 V，通过LT1764稳压模块输出3.3 V的电源，3.3 V电源再分别通过MIC39150-2.5BU，LD1117S12，FAN1117AS18X稳压模块输出2.5 V，1.2 V和1.8 V电源。

图3 高速PCB叠层分布

图4 系统电源电路

图4中的VDD3.3，VDD2.5和VDD1.2通过磁珠隔离输出VCC3.3，VCC2.5和VCC1.2，放置较大的极性电容和小容值的无极性电容给XC3S400供电；VDD3.3和VDD1.2通过0 Ω电阻隔离输出3.3 V_A和1.2 V_A给GV7601供电；VDD3.3通过磁珠隔离输出P3.3 VA，通过0 Ω电阻隔离输出AVDD3.3给ADAV803供电；VDD5通过SMDC110自恢复保险丝输出9030_5V；VDD33通过BLM21PG221SN1D隔离输出9030_AVCC，再通过3个0 Ω电阻隔离输出9030_PVCC1，9030_PVCC2和9030_IOCC；VDD18通过BLM21PG221SN1D隔离输出9030_CVCC18，这些电源是给SIL9030供电的。图5所示为POWER1电源内电层的分割图。

图5 系统电路板的电源分布

2.3 音视频输入单元设计

音视频数据以串行的形式进入GV7601，经过解析输出数据流的速率有270 Mbit/s、1.485 Gbit/s和2.97 Gbit/s三种模式，在基于同轴电缆的视频系统中，逐行分量数字视频高达1 920×1 080。图6所示为音视频输入单元基本电路。

应用投入导向规模效率可变BCC模型，运用DEAP2.1软件，对2009年和2016年我国各区域高技术产业技术创新效率进行测算，结果见表2。

图6 音视频输入电路

2.4 音频输出单元设计

ADAV803是ADI公司的立体音频编解码器，其操作指令是通过一个I2C兼容型串行接口，对各个控制寄存器的设定进行编程控制。ADC提供采样频率可选，分辨率高达24位的输出字。图7所示为左右两个声道音频信号进出的电路图。

图7 音视输出电路图

2.5 视频输出单元设计

SIL9030是Silicon Image公司生产的第二代数字接口产品，是以HMDI接口单元为背景，增加了音频数据传输功能，支持1 080p的视频分辨率。SIL9030是一款高性能的HDMI发送器，被广泛应用于DVD播放器、A/V接收机和D-VHS唱片机等家庭影音产品[5]。W78E516D通过I2C总线与它通信，完成视频编码，输出3路YCbCr(4∶2∶2)的TMDS数据流和1路时钟信号到HDMI接口[2]，如图8所示。

图8 视频输出单元电路图

3 电源完整性设计

当前电源完整性(PI)指的是电能从电源端被传递到负载的线性度，可以从交流和直流两方面进行分析。PCB电路系统中以阻容器件为主，信号线容易造成电感效应，这三者之间存在着相互作用。信号经过感性传输线会产生一个压降，导致正在给IC供电的电源电压降低，影响电子单元的正常工作。在高频电路中，容性和感性容易造成谐振，降低信号传输质量，甚至引发IC误操作[6]。

要驱动整个系统的负载需要提供很大的电流，这会使电源产生压降，为了保持电源电压容差不超过负载的极限值，必须进行DC分析。例如设计中沿导轨1.8 V的电位差下降必须小于0.1 V，否则就会发生故障。电源分配网络的特征阻抗随着频率响应造成SI、抖动和EMI等问题，因此AC分析也必不可少[7]。

4 高速PCB信号环路设计

4.1 内电层分割设计

在一个电路系统中可能存在多种电源和地，靠铺铜、打孔已经不能连接信号的回流路径，这时多是采用分割内电层的技术，按照电源网络的分布情况分割电源内电层，对于地网络内电层，一般不予分割。如图9所示，将电源层分割成多个相互独立的部分，并标注相应的网络标号，此时会造成信号参考层的分裂，返回信号是无法穿越这条裂缝的，只能通过耦合电容和过孔返回地层。

图9 电源分割情况下的信号回流路径(截图)

在2个参考层的间隙放置高频和低频耦合电容，能够减小信号回路面积。一些芯片具有多组电源管脚，在设计过程中每一个电源管脚附近都选配一个耦合电容，一是可以滤除噪声干扰，给芯片提供文波较小的电源，一是为信号搭建最佳的返回路径[9]。高速PCB布线应尽量避开信号线穿越裂缝上方，而且要保持地层完整，这样才能得到较好的信号完整性。

4.2 过孔连接信号环路

信号从驱动端到达接收端有时需要放置过孔切换层次，在高速数字电路设计中一般会有2个参考层，信号线在参考层之间的电气层布线，信号不可能透过绝缘介质返回驱动端，使用过孔连接参考层可以缩短信号环路。

电源层和地层对于信号来说都是参考层，设置叠层分布时应该减小二者之间的间距。如果信号传输过程中是以电源层为参考层，沿过孔表面切换到其他电气层，这时信号的参考平面可能变成地层，虽然也能返回驱动端，但是会产生地陷或电源塌陷等信号完整性问题。所以，切换布线层后一般在过孔附近安装耦合电容，为信号搭建有利的返回路径。如图10所示，这样就能保证整个环路的参考平面相同，避免产生信号完整性和电磁干扰等问题。

图10 信号通过耦合电容返回驱动端

5 电磁兼容性设计

电磁辐射主要由干扰源、传导介质和受害源三者组成。干扰源可以是自然因素，如热噪声和雷电噪声等，还可能来自人为干扰，如家用电器、高频仪器、手机和电视广播等[10]。电磁干扰通常是以耦合的形式掺杂有用信号作为载体传导。本文使用Hyper Lynx仿真软件对初步设计完成的PCB做辐射强度分析。选择系统中的关键信号线EBI_D4，分别设置探针位置3 m和10 m，提供220 MHz的激励源，得到FCC和CISPR国际标准的仿真数据，如图11和图12所示。

图11 信号线EBI_D4的3 m探针电磁辐射仿真分析(截图)

图12 信号线EBI_D4的10 m探针电磁辐射仿真分析(截图)

6 HDMI接口PCB的设计及仿真

高速PCB设计与普通低速PCB设计不同，布线完成后，还要利用信号完整性分析软件对整板PCB进行EMC分析和仿真，这期间会多次调整走线参数以达到改善PCB信号完整性的目的。PCB前端仿真使用的是理想传输线模型，一次只能对有限数量信号线进行仿真，而PCB后端仿真中的传输线是实际的PCB走线，掺杂了过孔、切换层次等影响特征阻抗的因素，这种情况下得到的仿真结果真实性强[11]。

6.1 蛇形等长线设计

该系统的PCB设计应该按照“高速”标准绘制，为了保证并行数据流的同步性，必须控制所有的传输线等长及它们的间距，然而由于布局布线空间限制，此处采用蛇形走线技术完成等长布线。蛇形线可以减小一组并行相关信号的延时，实现同组信号的等长布线，保证系统各单元通信的正确性。

系统的关键走线是GV7601和SIL9030之间的并行数据线，查看手册要求传输线阻抗匹配50 Ω，在二者之间各端接33 Ω的排阻消除反射、振铃等问题。如果蛇形等长线太长，会对流动的信号产生感性作用，使信号在传输过程中发生相移和波动，造成接收端信号质量恶化。那么，应该怎样确定蛇形等长线的长度呢？这里以GV7601为驱动器，以SIL9030为接收器，查看GV7601的IBIS模型，其dV/dt_r值为5.86373×101/2.82828×1010，即2.07 ns，介电常数为4.3的板材布线长度不能超过1/6×2.07×5.79=50.8 mm，经过多次修改，最终设置布线长度为31.75 mm，宽度为0.18 mm，线间距为0.38 mm。图13所示为部分蛇形等长线。

图13 系统蛇形等长线(截图)

6.2 TMDS差分总线的设计

TMDS通道传输的是幅值相等，相位对称的差分信号，包括编解码数据和时钟，接收端通过二者的差值得出逻辑“1”和“0”。对于TMDS时钟频率高于112 MHz的场合，为了保证信号质量，不建议使用防静电二极管和共模电感，而是在HDMI发送端放置RC网络[12]，因为放置防静电设备会增加TMDS数据和时钟传输线的电容，导致差分阻抗不连续。图14所示为SiL9030和HDMI接口之间的8条TMDS传输线，在布线过程中应避免使用过孔，同时控制100 Ω的差分阻抗。

图14 频率高于112 MHz时HDMI接口的布局布线

6.3 TMDS差分对耦合分析

进行PCB绘制之前，在Hyper Lynx的Line Sim建立仿真平台，不断修正线间距、传输线类型和差分对耦合长度等因素，最终设置该评估板的TMDS差分总线PCB设计的布线参数为：线宽0.15 mm，线长58.42 mm，差分对中的两条走线间距0.2 mm且等长，4组差分对相互间隔0.26 mm，为了减少过孔效应，传输线采用微带线在顶层，RC网络对称布局在底层。设计差分线，最基本的原则是等长和等间距。等长的目的是保持TMDS传输线信号的每个时刻都是同步的，消除共模干扰；等间距的目的是保证TMDS传输线的差分阻抗处处一致，而且两条差分线应尽量靠近，防止产生反射。图15所示为TMDS差分对的PCB布线。

图15 TMDS差分对的PCB布线(截图)

PCB布线完成并不能保证所设计的走线一定符合指标，对其进行仿真分析是必要的。选择SIL9030的9030_TX1P和9030_TX1N差分对作为驱动端，提供112 MHz的时钟源，在Board Sim中进行仿真，查看信号传输质量。

7 结束语

现如今，HDMI产品种类繁多，诸如数字机顶盒、4K超高清电视、智能教育平台等不断进入千家万户，所以产品的稳定性成为市场占有率的决定性因素。本文设计的高清HDMI音视频评估板充分考虑了电源分布、阻抗匹配、反射、串扰等信号完整性问题，包括蛇形等长线和TMDS差分总线的设计。完成了原理图和板级仿真验证，能够提高设计的成功率，对于此类产品的研发有一定的参考价值。

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李俊杰(1989— )，硕士生，主研电子信息与通信技术、油田测井仪器；

曹旭东(1968— )，副教授，研究生导师，主要从事DSP、SOPC、ARM等嵌入式微处理器的应用技术研究和计算机软件系统设计及石油物探、测井仪器的研制；

梁华庆(1964— )，女，博士，教授，博士生导师，主要从事石油探测与钻采过程的微弱信号的检测与信息处理、电法测井数值模拟、数据反演方面的理论与方法的研究。

责任编辑：闫雯雯

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，曹旭东，梁华庆，等. HDMI高清音视频系统的高速PCB的研究及实现[J].电视技术，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

国家发改委下一代互联网技术在智慧油田的应用示范项目(CNGI-12-03-043)

2016-06-14