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高清传输-HDMI信号的完整性分析

时间2014/09/24
人物Lee
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[导读] 相对于结构问题的直观性而言,连接器的高频特性具有一定的“隐性”,从结构上直观的判断高频性能是比较困难的,透过有效的仿真分析,可以比较明确的判断高频性能,从而为高频连接器的设计提供了良好的参考依据。

输线的特征阻抗取决于其结构及材料的选择。图1是一个HDMI线缆的街头部分,其典型结构如图2所示,主要包括线材和连接器部分。

  HDMI线缆
图1:HDMI线缆(局部)

  图1:HDMI线缆(局部) 图2:HDMI线缆头部结构

  为了能够保证线缆的特征阻抗,首先要保证线材的特征阻抗能够尽量接近目标特征阻抗。图3是HDMI Type A/C线缆所用线材的截面图,确定了材料之后,可以使用2D场求解器确定其特征阻抗,经适当的调整结构参数就可以确定线材个部分的设计尺寸。

  

  图3:Type A/C线材模型

  连接器是线缆能够实现可分离连接的关键结构。由于连接器的结构比较复杂,在阻抗控制方面远不及线材容易实现,所以一般的业界规格里面,对连接器区段的阻抗匹配的规格略有放松。即便是如此,对于高速互联的连接器,在控制阻抗方面仍然面临很大的挑战。图4是一款HDMI线缆的特征阻抗测试的结果,该结果表明该连接器区域内存在较大的特这阻抗偏差(超出规格),而且存在特征阻抗较大区域的时间过长等一些列的问题。

  

  图4:某型HDMI连接器特征阻抗测试结果

  透过三维高频结构分析,能够有效预测连接器区段内的散射矩阵,获得结构的高频特性评估的依据。和结构的力学评估类似,高频结构分析,也大致需要以下几个步骤:首先建立结构的三维,接着指定各个零件的高频材料特性,其次必须设定适当的边界条件及背景分析,最后就可以加入求解设定并进行结构的高频分析,图5给出了高频结构分析的模型局部效果。

  

  图5:HDMI cable to board连接器高频结构分析模型

  通过结构高频分析,可以得到结构的散射矩阵或者RLGC矩阵,然后就可以使用SPICE软件进行时域及频域的分析(图:6),通过特定的运算与转换就可以得到包括特征阻抗(图7)在内的各种高频特性的仿真结果。

   图6 HDMI cable to board连接器SPICE模型

  图7 HDMI连接器特征阻抗仿真结果

 HDMI线缆的高频特性改善

  在HDMI产品的改善过程中,同样可以透过仿真来协助问题的快速解决。与在设计过程中必须要建立完整的实体模型不同,在改善产品的高频特性的过程中,只需要针对实际测量过程中出现问题的区域进行局部建模分析(图8)及调整优化(图9),使用最少的资源,在最短的时间内找到最有效的解决方案。

  HDMI连接器简化模型
 图8 HDMI连接器简化模型

  图9 不良及改善方案的仿真结果比较

  前述的HDMI产品透过上述的仿真给出的方案改善了特征阻抗超出规格的问题。

  结语

  相对于结构问题的直观性而言,连接器的高频特性具有一定的“隐性”,从结构上直观的判断高频性能是比较困难的,透过有效的仿真分析,可以比较明确的判断高频性能,从而为高频连接器的设计提供了良好的参考依据。

  高频特性是一项系统工程,产品的材料选用,端子、塑料件、外部五金件的设计,都对连接器的高频特性有着直接和间接的影响。对产品的设计参数往往是牵一发而动全身,因此,采用传统的失误法或定性的经验调整法,势必造成设计改进过程中成本的巨大浪费,透过高频仿真分析,可以最大限度的加快解题的收敛速度,大量的节省改善的成本。

  设计和仿真的结果必然要付诸于实际生产,设计方案必然影响到制造的成本。

  

  图10 完善设计方案


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