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DVI和HDMI原本應用於短距離視訊和資料等傳輸,其可忽略掉電纜損耗的影響。但目前有許多應用要求採用更長的電纜進行傳輸,如將電腦圖片傳送至遠端顯示,以及將視訊影像傳送至家庭劇院和娛樂場所等。由於顯示器的解析度、更新頻率和顏色深度持續提升,所需的資料速率也隨之增加,由先前的DVI 1.0和HDMI 1.2a的1.65Gbit/s增加至HDMI 1.3的3.4Gbit/s。惟以高寬頻資料傳輸的電纜會導致訊號鈍化,造成衰減、抖動、偏移和干擾出現,此會限制源端到顯示端間的連接距離,並造成螢幕閃光、雜訊閃爍和音頻失真。
電纜等化器實現電纜均衡  

設計電纜等化器是為了解決由較長的電纜傳送視訊而造成的諸多負面效應。透過一個高通濾波器電纜等化器可有效地重新打開差分訊號的眼圖(圖1),增益曲線與電纜的衰減曲線成反比,電纜的衰減主要是由集膚效應(Skin Effect)和介電質損耗(Dielectric Losses)兩部分組成。

在1.65Gbit/s速率下,使用長度為25公尺的28 AWG DVI電纜,Vinpp為1000毫安培,示波器捕捉到的均衡之前和之後的眼圖。 
圖1 在1.65Gbit/s速率下,使用長度為25公尺的28 AWG DVI電纜,Vinpp為1000毫安培,示波器捕捉到的均衡之前和之後的眼圖。

 

在超過40公尺的24 AWG DVI或HDMI電纜上,市面上已有電纜等化器能以1.65Gbit/s全速率和25公尺以上的低成本28 AWG電纜實現均衡。在解析度範圍的頂端,電纜等化器能以2.25Gbit/s速率,支援超過30公尺的高色深度(每種顏色12位元、每一畫素36位元)24 AWG HDMI電纜,也可使用超過20公尺的標準CAT5電纜連接,由於其低成本、已大量安裝的基礎(Installation Base)以及在管道中布置新電纜簡易性,所以在視訊布線得到廣泛應用。  

電纜等化器的特性還包括使用美國國家半導體的SMBus介面(類似於恩智浦的I2C匯流排介面)、三接腳外置介面(BST1/2/3)可編程八種等級的均衡增益、堅實的8,000伏特人體模型靜電放電(HBM ESD)保護以及為DVI雙鏈路應用而並行應用的兩種等化器(圖2)能力。

在DVI雙鏈路應用中使用兩個DS16EV5110而推薦的連接。 
圖2 在DVI雙鏈路應用中使用兩個DS16EV5110而推薦的連接。

 

電纜衰減理論  

電纜等化器可用來彌補頻散和電纜的集膚損耗造成的訊號鈍化。這些損耗絕大部分取決於電纜鋪設的品質,並將隨著使用較細的導線、電纜長度或絞合密度的分配不良、差的絕緣電介質或間距以及差的遮罩性能而鈍化。除了其他負面影響如干擾、時延差和抖動之外,這些電纜還會產生衰減因而降低訊號的幅值,減小邊沿斜率並分割或者分散高頻訊號至其單獨分量中。結果會是差分訊號(圖3)眼圖的關閉,即為降低的視訊品質,並增加位元錯誤率(BER),以物理現象為例,如視訊閃爍、圖像閃爍和音頻失真,都歸結為訊號損耗。

眼圖顯示較長電纜所增加的抖動和衰減,以上所示的為以1.65Gbit/s速率分別使用5公尺和10公尺DVI電纜傳輸的眼圖。 
圖3 眼圖顯示較長電纜所增加的抖動和衰減,以上所示的為以1.65Gbit/s速率分別使用5公尺和10公尺DVI電纜傳輸的眼圖。

 

總體抖動(Tj)是由確定性抖動(Dj)和隨機抖動(Rj)組成。設計電纜等化器的增益曲線來匹配電纜在工作頻率上的發送損負效應(圖4、5),以此抵消確定性損耗(Dj)。因為隨機損耗也非常重要,設計電纜等化器使其具有合適的增益,頻寬和雜訊等綜合性能,以業界最佳的隨機抖動(3ps rms)來提供最佳化的整體性能(使用20公尺28 AWG STP DVI電纜產生0.13UI總體抖動)。
3公尺、10公尺和20公尺DVI電纜(28AWG)的傳輸損耗,垂直線數為720p/1080I、1080p60、和高色深1080p60。 
圖4 3公尺、10公尺和20公尺DVI電纜(28AWG)的傳輸損耗,垂直線數為720p/1080I、1080p60、和高色深1080p60。

 

20公尺DVI電纜,以及15公尺、20公尺和25公尺CAT5電纜的傳輸損耗。垂直解析度為720p/1080i、1080p60和高色深1080p60;用最高解析度的曲線交叉點將確定最佳的等化器增益設定。未遮罩的CAT5電纜會導致附加的雜訊和干擾。請注意底部跡線代表28 AWG DVI電纜。 
圖5 20公尺DVI電纜,以及15公尺、20公尺和25公尺CAT5電纜的傳輸損耗。垂直解析度為720p/1080i、1080p60和高色深1080p60;用最高解析度的曲線交叉點將確定最佳的等化器增益設定。未遮罩的CAT5電纜會導致附加的雜訊和干擾。請注意底部跡線代表28 AWG DVI電纜。

 

將DS16EV5110的性能最佳化  

使用SMBus介面或提供的三種外置接腳來配置增益設定,其中兩接腳可作永久帶選(Strapped),若希望使用簡單的高/低設定來覆蓋大多數等化器增益曲線,則電纜小於20公尺時採用二進位b100;大於20公尺時採用b110(表2)。評估電路板採用有八種設定值的三位雙列直插撥號開關,來實現簡單的手動調節和可視的等化器增益細調。  

由於電纜衰減會隨頻率增高而增加,因此等化器的增益應設定在可支援的最高解析度(圖4、5)。表1列出一些通用解析度和與均衡得益相關的頻率,請注意該頻率為資料速率的一半,由最差情況1010資料模式產生。表2為對應三種關鍵頻率的等化器增益,並解釋電纜等化器的增益曲線斜率如何變化為使用相同電纜的更低解析度,自動提供較低的增益。由於等化器會自動處理較低的解析度,一旦為電纜設定正確的增益,將不再需要改變增益設定。因此,對於任何固定的電纜安裝,此過程只須進行一次。

表1 與TMDS資料速率和均衡頻率相關的常用解析度
標準 解析度 TMDS資料速率 均衡頻率
VGA 640×480 252 Mbit/s 126 MHz
SVGA 800×600 400 Mbit/s 200 MHz
XGA 1,024×768 650 Mbit/s 325 MHz
720p 60fps HDTV 1,280×720 742.5 Mbit/s 371.25 MHz
1080i 30fps HDTV 1,920×1,080 742.5 Mbit/s 371.25 MHz
SXGA 1,280×1,024 1080 Mbit/s 540 MHz
1080p 60fps HDTV 1,920×1,080 1485 Mbit/s 742.5 MHz
UXGA 1,600×1,200 1620 Mbit/s 810 MHz
DVI1.0/HDMI 1.2a Max - 1650 Mbit/s 825 MHz
36位元色深,1080p 60fps HDTV 1,920×1,080 2250 Mbit/s 1125 MHz
表2 EQ增益控制表
BST_2、BST_1、BST_0 bxxx 在371MHz 720p/1,080i處的均衡 在825MHz 1.65Gbit/s處的均衡 在1.125GHz色深度, 1,080p: 2.25Gbit/s處的均衡
0 0 0 (Default) 5 dB 9 dB 12 dB
0 0 1 7 dB 14 dB 18 dB
0 1 0 10 dB 18 dB 23 dB
0 1 1 12 dB 21 dB 27 dB
1 0 0 14 dB 24 dB 30 dB
1 0 1 16 dB 26 dB 32 dB
1 1 0 18 dB 28 dB 34 dB
1 1 1 19 dB 30 dB 36 dB

舉例而言,若衰減是基於40公尺的24AWG DVI電纜的30dB和1.65Gbit/s的位元率,那麼增益提升設定應接近30dB的最大值(b111)。然而,若改變電纜為20公尺長度和衰減下降至21dB,則應改變提升設定來反映變化,設定均衡增益接近21dB(b011)。儘管40公尺長度的電纜所使用的30dB設定也可用於新的20公尺電纜長度,較低的21dB設定更為適當,因為其在較高頻率處將限制一些增益,此會改善抖動和有助於減小雜訊、干擾。  

當電纜等化器無欠均衡也無過均衡集膚效應和電纜的介質損耗,則可將確定性抖動降到最低。最精確的設定方法是用一個通訊分析儀,將確定性抖動和隨機抖動分成特定的位誤差率,從而找到將確定性抖動最小化的設定值。另一方法是在高頻寬示波器使用直方圖函數,便能找到可最小化總體抖動的設定值。因為許多實驗室並未配備此種測試設備,通常使用解析度要求很高的如HD DVD播放器、電腦和PS3遊戲機等來進行一種簡單的視覺化測試就已足夠。  

電纜和連接器的選擇  

訊號衰減是由集膚效應損耗、未完全遮罩造成的雜訊注入、阻抗分配不良、線纜長度不等、電介質間距以及線纜組成等原因所造成。設計電纜等化器的目的是提高系統性能,使之能在更長的距離採用低成本電纜。然而,若希望總體訊號品質最佳和電纜最長,建議採用品質極高的電纜和更粗規格的線徑(22 AWG最佳,28 AWG最常用),採用最直接的可能路徑儘量省略多餘的電纜,並通過減少連接器、適配器、焊接點和連接端的數目,來減少由於阻抗分配不良和發射造成的回路損耗。電纜的布局應避開容易產生雜訊的接地端,高電磁干擾(EMI)環境和電纜中的彎折或環路。設計電纜等化器是為了均衡確定性抖動和衰減,並不會對來自雜訊輸入的抖動和隨機的尖峰作補償,這點在使用低成本電纜時尤為重要,如無遮罩的CAT5(圖5)。  

目前市面上並沒有標準的DVI、HDMI或CAT5/5e/6/6a/7電纜。由於每一製造商都會針對不同的客戶需求,提供從最低成本到最高性能的產品,因此具體性能也會有很大的差別。每一製造商在設計電纜和連接器時,均會考量價格與效能折衷的方案,如線纜規格和成分、電介質成分和間距、線纜和線對之間的偏移或長度的精確性,以及線對和電纜的遮罩等。  

即便綜合以上所述,有些取捨仍然無法避免。為獲得嚴密的偏移誤差,每一線纜和線對皆須在長度緊密匹配。DVI電纜和1類HDMI電纜僅允許線對內偏移為151微微秒(0.25T位元)和線對間偏移2.42奈秒(0.4T畫素)。2類HDMI電纜具有更嚴格的要求,允許的線對內偏移為111微微秒,允許的線對間偏移僅為1.78奈秒。每個TMDS雙絞線匹配的絞合率非常必要,但匹配的絞合率也會增加線對間的電容值,最終增加極大的干擾。DVI和HDMI電纜對每個雙絞線加遮罩,並對整個電纜再加遮罩以抵消此效應,從而防止雜訊引入到電纜中。嚴密的容差,附加的遮罩和複雜的連接器,最終將會產生一成本高昂的電纜。  

DVI和HDMI電纜最常遇到的問題是體積和成本。為努力降低成本並簡化電纜布線,CAT5及其衍生產品漸漸廣受歡迎。與DVI和HDMI電纜類似,基本CAT5電纜連接不存在標準的特性,其參數變化很大。與DVI和HDMI電纜連接不同的是,CAT5不包含減少干擾和雜訊的遮罩(圖5),當遇到由於長度失衡和製造容差產生的阻抗變化和偏移時,CAT5具有更大的容差性能。  

通常情況下,類別越高、電纜越好。從CAT5(100MHz)開始隨著類別的增加,CAT5e(100MHz帶遠端線對間干擾指標)、CAT6(250MHz)、CAT6a(500MHz帶有電纜干擾指標)以及CAT7(600MHz),電纜的品質隨之提高,可減少衰減、干擾、回路損耗以及抑制雜訊。更粗規格的線徑,更嚴格的生產指標以及改善的遮罩性能均會提高電纜的性能,但這些改變也會增加電纜的價格。系統性能和成本要求將決定合適的電纜類別和每一不同應用的性能。  

CAT7最接近DVI和HDMI電纜的規格,因設計時均會就每對絞線和整個電纜添加遮罩以滿足非常嚴苛的要求,但是電纜安裝會顯得麻煩且成本高昂。在CAT7中採用的遮罩連接器可向後相容到RJ45,還提供附加的接腳使電纜遮罩良好接地。  

相較於CAT7,CAT6a的性能其次,但比CAT7更易於現場端接;此外,相較於CAT5e和CAT6,CAT6a具有更高的頻寬需求,並因外部電纜干擾的限制須使用遮罩。對於在標準CAT電纜運行高速最小化傳輸差分訊號(TMDS)線路為絕佳選擇。請牢記使用的連接器須針對所用電纜最高類別來選取。  

某些製造商如Belden,設計的CAT布線滿足低偏移且線纜長度緊密匹配,即使在安裝和布線中有彎折現象,黏合的雙絞線電纜可確保在整個電纜中每對雙絞線之間的距離保持恆定。此方法對於解決干擾、迴路損耗和雜訊非常有效。  

無論是CATx、DVI或者HDMI電纜,若雙絞線在導線組分與對於線徑、間距、絞合和介質等因素容差相同,則衰減曲線和確定性抖動均類似。DS16EV5110有助於糾正任一電纜。然而,CAT5電纜缺乏遮罩和寬容差特點會表現出干擾、雜訊、回路損耗和隨機性抖動增加,將難以實現均衡。可將低速CAT5或CAT5e電纜用於包含DDC、熱插拔檢測、+5V、CEC和接地等控制訊號的輔助電纜。  

電路板設計須減少功耗/雜訊問題  

電纜等化器的封裝可為DVI和HDMI連接器提供容易的對接和直通路徑。因阻抗變化會造成反射,須確保高速TMDS線纜靠近連接器放置,以迅速避開線纜內部的反射問題,此外也要確保TMDS接腳和連接器間所有跡線等長以減少偏移(圖6、7)。

DS16EV5110評估電路板布局(帶有DVI連接器)-頂側 
圖6 DS16EV5110評估電路板布局(帶有DVI連接器)-頂側

 

DS16EV5110評估電路板布局(帶有DVI連接器)-底側 
圖7 DS16EV5110評估電路板布局(帶有DVI連接器)-底側

 

電纜等化器採用LLP-48封裝,因下方有大片散熱焊盤而有極佳功耗特性,可確保工作系統環境溫度在85℃以下。另外,可採用幾個小過孔將此散熱焊盤連到電路板底面的附加銅箔區,會有額外散熱功效(圖6、7)。在本應用中因為雜訊抑制非常重要,推薦採用帶陶瓷輸出電容的線性穩壓器(LDO)穩壓器,以獲得極佳的雜訊和負載瞬態性能。  

(本文作者Jason Rubadue任職於美國國家半導體)

Reference: 新通訊 2008 年 2 月號 84 期《 技術前瞻 》

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