电路设计中HDMI的信号完整性分析

李波 屈原 周润景 魏晓敏

摘 要：本文以TMDS差分传输线为研究对象，通过前仿真和后仿真研究信号完整性问题。前仿真使用Hyperlynx软件，得到了符合HDMI规范的布局布线约束规则，然后在Cadence里绘制PCB板，利用Ansys软件完成了后仿真研究，最后，以该论文中的电路板实测结果与仿真结果对比，分析和验证了基于HDMI的高速差分传输线的信号完整性分析的正确与意义所在。

关键词：HDMI;信号完整性;仿真;眼图

1 引言

目前在电视机和计算机等主要电子设备中，模拟量的接口出现了干扰数字图像信号的传输，高清晰度多媒体接口HDMI（High Definition Multimedia Interface）的出现实现了数字信号的完整性（SI，Signal Integrity）。HDM是唯一支持不压缩全数字化的视频和音频接口技术，适合影像传输的专用型数字化接口，可同时传送音频和影像信号。随着科学技术的飞速发展，电子设备正朝着体积小、速度快、价格低目标发展着。但是，信号的完整性一直是电子产品研发需要考虑的问题。

早在二十世纪九十年代，西方国家就有人在高速电路和信号完整性的研究上取得很大的成就。近几年我国高速电路信号完整性的研究度越来越受关注，吴伯春、龚清萍等专家已开始这方面的研究[1]，贺娇对PCB板上典型传输线进行了散射参数仿真和差分眼图分析[2]。窦康并对PCB的的关键信号的信号完整性进行仿真分析及应用[3]。在华为小米等大企业中有了负责信号完整性的部门。在检测HDMI传输信号的完整性时会使用到信号完整性分析仪，但是现有的信号完整性分析仪结构简单，在使用时接入的线缆存在互相缠绕的状况发生，线缆缠绕容易导致短路的状况发生，同时设备内部电子零部件容易因为外界的震动而损坏，并且当不使用该设备时显示屏容易受到损坏，给该设备的使用带来了一定的影响。

在设计高速电路板时，如果信号完整性存在问题，不严重的情况下会使系统的性能下降，严重的会使系统报废。因此，信号完整性问题已是设计高速电路板时亟待解决的问题。现在高速PCB设计主要采用融入SI仿真，然后根据仿真获得的约束条件返回来再完善高速PCB的设计。

该论文的其余部分组织如下：第二部分介绍了HDMI的通信通道;第三部分采用Hyperlynx和Ansys软件对HDMI信号进行完整性仿真分析;第四部分对论文进行小结。

2 HDMI的通信通道

HDMI有DDC、TMDS和CEC三个通信通道。TMDS（Time Minimized Differential Signal）主要是实现视、音频信息和辅助信息的发送和接收，本文中使用TMDS通道，TMDS高速数据通道是指TMDS通道，TMDS主要是最小化传输差分信号技术。

3 HDMI信号完整性仿真分析

HDMI信号完整性仿真包括前仿真和后仿真两部分，前仿真使用Hyperlynx软件对HDMI的TMDS电路建模如图1所示，前仿真主要包括：TMDS差分对内偏移分析、TMDS差分对间偏移分析和TMDS差分线耦合分析，仿真后提出满足协议的TMDS差分线布局约束，按照前仿真的布局布线规则约束，在Cadence里绘制好PCB板，导入到SIwave软件里进行后仿真，如图2所示。后仿真包括频域分析和时域分析，以差信号与共模信号匹配为例。

3.1 差分信号与共模信号匹配

按照T型匹配网络进行差分对的短接匹配，差模信号和共模信号均匹配，电路原理图如图3所示，眼图结果如图4所示。

3.2 实测对比

关于HDMI1.2版本源端眼图实测图如下图5所示。

与PCB板仿真得到的眼图相比较，主要参数眼高、眼寬、抖动要求等基本匹配，仿真结果比较理想。

4 结论

本文以HDMI的最小化差分信号为基础，进行了高速电路中的传输线信号完整性仿真研究。采用Hperlynx进行前仿真，SIwave后仿真。最后将测试结果与仿真相对比，验证高速电路设计中仿真环节的必要性和可靠性。

参考文献：

[1]吴伯春，龚清萍.信号完整性分析技术[J].航空电子技术，2004（35）.

[2]贺娇.高速PCB板传输线信号完整性分析[D].华中科技大学，2016.

[3]窦康.高速PCB的信号完整性分析与硬件设计[D].西安电子科技大学，2015.

[4]刘蕾蕾，王元庆.广义传输线方程结合Pade逼近分析分割地参考面的影响[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2011（06）.