在工業(yè)控制領(lǐng)域, 經(jīng)常看到使用HDMI電纜線來連接顯示器，從而監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程中的各個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。有時(shí)顯示器離整個(gè)生產(chǎn)線特別遠(yuǎn)，HDMI電纜線不夠長，我們往往需要引入信號(hào)隔離方案，使得信號(hào)能傳遞更遠(yuǎn)的距離。

本文將介紹兩種不同的HDMI信號(hào)隔離方案——光纖信號(hào)隔離方案和專用芯片信號(hào)隔離方案——希望對(duì)大家有所啟發(fā)。

什么情況下HDMI需要信號(hào)隔離？

如下圖，這是一個(gè)使用HDMI電纜線來連接顯示器與人機(jī)交互界面（HMI）的應(yīng)用。一般情況下，HDMI的電纜長度可以支持15米，從而可以方便地布線到觸摸屏顯示器和控制室。

圖1：工業(yè)控制領(lǐng)域，通過HDMI連接顯示器(圖片來源：ADI)

但是在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，將HDMI的電纜長度進(jìn)一步延長可能會(huì)帶來挑戰(zhàn)，因?yàn)镋MC危害會(huì)影響布線，干擾信號(hào)傳輸。這時(shí)往往需要考慮對(duì)于HDMI進(jìn)行信號(hào)隔離，降低EMC對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀瑥亩娱L傳輸距離。

 

傳統(tǒng)上，在高速接口上增加信號(hào)隔離是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。一般超過250Mbps的數(shù)據(jù)速率超出了光耦和大多數(shù)數(shù)字隔離器的能力。

 

比如，對(duì)于一個(gè)在60Hz下傳輸24位顏色、分辨率為1920×1080（1080p）的視頻鏈路，如果要對(duì)這個(gè)視頻鏈路進(jìn)行信號(hào)隔離，我們需要4.4Gbps總帶寬的隔離器，才能保證視頻的流暢傳輸。

光纖信號(hào)隔離解決方案

光纖信號(hào)隔離解決方案中，銅介質(zhì)到光纖的轉(zhuǎn)換需要一個(gè)串行器、一個(gè)反串行器和電-光轉(zhuǎn)換器。同時(shí)要求光纖具有足夠的帶寬。這種方案速度快，傳輸距離長，可以長距離傳輸4K視頻，但是相對(duì)的成本也非常高。

圖2：HDMI信號(hào)到光纖 (圖片來源：ADI)

專用信號(hào)隔離芯片

當(dāng)然，使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器也可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。我們以每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器150Mbps的速度運(yùn)行。該方案還需要一個(gè)串行器、一個(gè)解串器，如果要實(shí)現(xiàn)4.4Gbps的總帶寬，相當(dāng)于需要30多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器。顯然，這種方案不太合理，我們就不繼續(xù)討論下去了。

圖3：HDMI信號(hào)到數(shù)字隔離器 (圖片來源：ADI)

 

另一個(gè)技術(shù)選項(xiàng)是使用專用的芯片解決這個(gè)問題。比如，使用ADI的ADN4654系列低電壓差分信號(hào)（LVDS）數(shù)字隔離器。

圖4：HDMI信號(hào)到千兆LVDS隔離器 (圖片來源：ADI)

 

通過利用ADN4654的千兆數(shù)據(jù)速率，可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且僅使用兩片ADN4654即可實(shí)現(xiàn)4.4Gbps帶寬。每個(gè)設(shè)備有兩個(gè)通道，總共有四個(gè)通道，每個(gè)通道上的工作速率可以高達(dá)1.1Gbps。

• ADN4654 Demo板EVAL-CN0422-EBZ

EVAL-CN0422-EBZ是一塊即插即用的評(píng)估板，針對(duì)HDMI 1.3a端口，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。與iCoupler^?隔離技術(shù)結(jié)合在一起，通過絕緣屏障傳輸必要的電源和高速視頻及控制信號(hào)。

圖5：ADN4654評(píng)估板：EVAL-CN0422-EBZ（圖片來源：ADI）

HDMI 1.3a協(xié)議中的視頻數(shù)據(jù)通過四個(gè)TMDS（最小化傳輸差分）通道傳輸：三個(gè)數(shù)據(jù)通道（對(duì)應(yīng)紅綠藍(lán)）和一個(gè)時(shí)鐘通道。每個(gè)車道必須單獨(dú)隔離。

 

圖6：HDMI視頻數(shù)據(jù)通過TMDS通道傳輸

 

如圖7，雖然TMDS與LVDS（低電壓差分）稍有不同，但可以使用CML（電流模式邏輯），即一些簡單的無源組件來實(shí)現(xiàn)與LVDS兼容設(shè)備的兼容性。

圖7：使用簡單的無源組件來實(shí)現(xiàn)TMDS與LVDS兼容（圖片來源：ADI）

 

這些無源組件與兩個(gè)雙通道千兆ADN4654隔離LVDS收發(fā)器結(jié)合使用，以隔離四條TMDS通道。可實(shí)現(xiàn)高達(dá)110MHz的像素時(shí)鐘頻率，以60Hz的幀速率支持720p分辨率。

 

本文小結(jié)

使用信號(hào)隔離的方法，可以延長HDMI的傳輸距離。特別是利用專用信號(hào)隔離芯片，可以有效地在HDMI源端和HDMI接收端之間實(shí)現(xiàn)安全、無噪連接，為開發(fā)者提供了隔離高帶寬接口的新選項(xiàng)。