- HDMI和DVI結口概述
- HDMI / DVI應用規范對比
- 導通電容相對導通阻抗的權衡
- 阻抗匹配以減少反射
- 具有足夠高的頻寬
新一代顯示器需求多個HDMI輸入端子
市場對高解析度顯示器的需求不斷增長。據消費電子協會（CEA）指出，2005年年底有13％ 的美國家庭都擁有數字電視。而到2008年，這個數字會增加到65％。CEA最近一次的調查則指出，有71％ 的家庭表明他們下一個購買的電視將具備數字有線功能。
目前商店里大多數的高畫質電視（HDTV）都具有高解析度模擬高解析度分量視頻輸入YPbPr輸入端子，以及單一的高解析度數字輸入端子，如DVI或 HDMI。現在，利用帶有HDMI輸出端子的機上盒（STB），許多消費者都能夠接收有線電視公司的數字高解析節目內容。在這種應用中，許多高解析度顯示器中已有單個HDMI輸入端子，因此沒有空間再放置其他HDMI資料源。微軟（Microsoft）和索尼（Sony）的下一代游戲機都具有HDMI輸出，讓玩家能盡情享受全數字化的高解析體驗。預期到明年，高解析度DVD標準的大戰將偃旗息鼓，迫使市場快速採用具有HDMI輸出的高解析度DVD播放器。
上述市場趨勢在在透露出顯示器必須擁有多個HDMI輸入端子。顯示器設計人員意識到家用數位設備即將出現迅勐增長，因此正在下一個高解析度顯示器產品中增加更多的數字輸入埠。雖然設計人員能夠利用更昂貴的HDMI接收器晶片來滿足這個需要，但許多都仍然選擇保留現有的單輸入HDMI接收器，并使用HDMI / DVI開關來進行轉換，因為這個抉擇能提供最短的設計周期，以及最低的系統成本，而更低的系統成本也將直接驅動HDTV快速普及。
本文將討論使用HDMI開關在現有數字電視設計上增加多個數字HDMI / DVI輸入埠的優點，同時解釋HDMI 和 DVI之間的區別，以及HDMI 和 DVI 視頻共用的一些關鍵規格和參數。此外，本文也將以快捷半導體的相關元件為例，提供相關設計指引。
系統應用
HDMI開關能夠復制使用現時已具備單HDMI輸入端子的設計，因此有助于簡化設計和降低系統成本。首批受益的應用包括各種格式的高解析度視頻顯示器、CRT、LCD、DLP和電漿（PDP）平面顯示器等。無需使用更新更昂貴的雙重輸入接收器，只是增加第二個埠，HDMI開關就可以對現有已採用單HDMI輸入端子的設計迅速進行升級。
以FSHDMI04 這類HDMI開關為例，只需簡單地插入到選定的HDMI接收器和兩個HDMI連接器之間即可。若針對一個完整的解決方案，還需要切換較高電壓及較低頻率的控制信號，建議使用一個至少165MHz的簡單5V 方型 SPDT開關，例如FSAL200 或 FSAV330。這些控制信號用于接收器（Sink） 和資料源（Source） 之間的首次交換，而資料源以此來決定接收器能夠處理什麼樣的視頻解析度，只需要FSHMDI04加上第二個用于控制資料的開關，即可在單輸入設計上完全實現第二個HDMI輸入埠。
[page]這種配置能讓用戶將數字機上盒（STB） 、游戲平臺或未來具HDMI功能的高解析度DVD播放機連接到其顯示器上。利用標準的單輸入顯示器，用戶必須拔去STB才可通過HDMI線纜播放電影或視頻游戲。對此，用戶還可採用另一種方案，利用HDMI線纜保留STB的連接，并使用模擬高解析度分量視頻輸入（YPbPr）連接DVD播放機或游戲機。雖然這種方法可以提供高解析度節目內容，但卻需要在模擬和數字格式之間進行兩次轉換，因此其終端品質會較HDMI提供的純數字連接低。
筆記型電腦也是未來將採用HDMI開關的主要應用之一。現在，許多筆記型電腦都具有適用于現有DVD的標準解析度S視頻輸出端子，但由于預期高解析度DVD標準將會很快獲得接納，加上新一代游戲機將適用于高解析度游戲，下一代筆記型電腦和塢站（Docking Station）轉向HDMI輸出是很自然的事。在這類應用中，HDMI開關應容許筆記型電腦和塢站外接HDMI連接器，當筆記型電腦插接或未插接時便可以自動進行切換，這能讓擁有高解析度DVD驅動器的筆記型電腦用戶，能夠在其數字HDTV或數字顯示器上觀看高解析度電影。
HDMI和DVI概述
HDMI和DVI兩者主要異同之處概述如下：
■HDMI
HDMI是兩者之中較新的一種格式，建基于舊式的DVI規范。DVI只能處理視頻資料，HDMI 卻可包含音頻及視頻資料，并通過稱為高解析度內容保護（HDCP） 的數字加密協定形式提供更強的內容保護功能。由于HDMI連接涵蓋視頻和音頻資料，因此可在資料源和接收器之間實現單一連接。兩種格式都遵循相同的電子規范，所以，像FSHDMI04等無源視頻開關便不能區分出HDMI或DVI信號。這種共用的電子格式稱為最小化轉換差分信號（Transition Minimized Differential Signaling；TMDS），在每一鏈路中使用了由3個資料對與1個時脈對組成的4個差分對。HDMI在兩種基本數位配置之一（即單鏈或雙鏈路） 傳輸資料。任一給定鏈路的最大頻寬是4.95Gbps（3 個TMDS 通道平行傳輸，每個通道的信號傳輸率為1.65Gbps），相對于最大的時脈頻率為165 MHz。
資料和時脈頻率不同的原因在于資料以稱作圖元的10位元資料包發送。對解析度要求低于每秒165萬圖元的視頻顯示器而言，單一鏈路連接已經足夠；假若清晰度要求在每秒165萬和350萬圖元之間，可使用第二條鏈路并行發送資料。由于兩條鏈路共用一個時脈對，因此最大的時脈頻率始終為165 MHz。圖2顯示了基本的雙鏈路架構，并可供單鏈路或雙鏈路連接使用。
■DVI
DVI是市場上第一個標準化的純數字視頻連接。與HDMI一樣，它對單或雙鏈路配置的需求取決于所選的顯示器解析度，以及顯示器類型和相應的更新頻率。DVI端子在電腦應用中仍然相當普及，許多系統都具有DVI輸出以便實現至數字LCD 顯示器的直接數位連接。舉例說，一個更新頻率為60Hz的高解析度 LCD顯示器(1920x1080）可利用單鏈路DVI和約130MHz的時脈頻率連接。這可參考圖3 的DVI規格參考。
[page]HDMI / DVI應用挑戰和關鍵規范
HDMI 和 DVI的資料速率都非常高，并允許傳輸未經壓縮的數位視頻。在單鏈路HDMI連接中，每TMDS對將以高達1.65Gbps的速率傳輸資料，較高速USB快三倍。因此當利用高速資料傳輸協定進行設計時，新的應用挑戰紛紛出現。例如以前微不足道的雜散電容、線載和信號失配，都可能導致誤碼率增加，甚至造成發射或接收資料的失效。此外，HDMI和DVI規范的編寫者從不會設想在發射器和接收器之間的信號路徑中插入無源的高頻低損耗開關，當仔細閱讀HDMI 和 DVI的規范時，便可明顯發現這一點，因為在電子規范中幾乎沒有什麼變化余地留給附加的非理想型開關器件。因此，HDMI 和 DVI高性能開關生產商必須針對應用的特定需求謹慎制定其產品，否則將不能在系統中正常運作。以下是一些關鍵的功能特性，以判斷開關能否在高速環境下工作。
■導通電容相對導通阻抗的權衡
開關的導通電容是判斷開關對TMDS資料流程影響的最重要因素。過大的開關電容會導致弧形邊緣，造成較慢的上升和下降速度，致使系統的抖動增加，使相應的誤碼率提高。
通道的電容失配對HDMI 和 DVI規范的影響至巨，使得要滿足非常嚴苛的偏移規范難上加難。例如，當以最高速率傳輸資料時，差分對內延遲差不能超過0.15Tbit，亦即不能大于90ps。HDMI / DVI開關設計人員必須面對的一個設計權衡問題，在于導通電容和導通阻抗之間，低導通電容和高頻寬性能需要付出增加導通阻抗的代價，這個權衡問題無法避免，也正是HDMI / DVI開關必須針對有關應用進行設計的基本原因之一。
許多設計人員都很熟悉電壓驅動應用，并因此很自然地設想導通阻抗是開關選擇中最重要的規格。這種設想出于在電壓源應用中，導通阻抗往往會引起插損和信號衰減。但幸運地，HDMI 和 DVI信號并沒有這個問題，因為它們使用具有終端電阻的電流源來建立信號電平。圖4所示為如何建立TMDS信號的基本原理圖。
當知道TMDS信號的典型信號范圍為AVCC 到 AVCC-0.5V，就能夠得出結論，電流源將設置為通過50歐姆的偏置電阻（RT） 提供10mA 電流，以建立接收器輸入電壓。由于TMDS傳輸線是由電流驅動，開關上的插入損耗要比電壓驅動應用少得多。利用恆定的10mA電流源，不論電阻上的電壓降為多少，都能在接收器輸入端提供正確的電壓；由于沒有理想的電流源，故需記住導通阻抗的開關不應該過大。
綜上所述，HDMI / DVI開關的導通電容應該很小。當面對導通電容和導通阻抗的權衡問題時，應當選擇較低的導通電容，因為導通電容對系統性能的影響相對較大。
■頻寬
第二個重要的開關特性是頻寬。要以最大的速率傳輸資料，HDMI / DVI開關就必須具有至少825MHz的頻寬。這個數字的依據是基于已知資料以1.65Gbps的速率傳輸，并同時在上升和下降沿被觸發。由此得知，在0 到 825MHz的頻率范圍上，開關的信號損耗不得大于3dB。
當傳輸最高視頻解析度信號時，沒有這種性能的開關會使資料流程急劇衰減，從而導致HDMI 或 DVI接收器無法對資料進行恢復。此外，較窄的頻寬會縮短系統可接受的纜線長度，使到最終設計對于消費者的吸引力大減。基于這些原因，HDMI / DVI開關至少應該具有825MHz的頻寬。
■阻抗匹配以減少反射
最后，必須考慮阻抗匹配以及在高速資料線路上增加開關對于信號反射產生的影響。雖然HDMI / DVI開關不可能完美地匹配傳輸線的線阻抗，但是這些開關仍可通過設計使信號反射減至最小。透過選擇具有低導通電容和導通阻抗的HDMI開關，便可以將總系統反射降至最小。
在信號反射方面，最好選擇較低的導通電容和較高的導通阻抗，這會造成開關輸入端的電壓駐波比（VSWR） 具有較大的幅值，有助于補償稍高的導通阻抗導致的任何損耗，并同時增加眼圖波罩余量（Eye Mask Margin）。
HDMI是消費視頻市場的下一個焦點，有機會像USB一樣在數位資料傳輸領域中廣泛普及。透徹理解導通電容、導通阻抗和頻寬的重要權衡取捨，方能設計出充分發揮HDMI所有長處的系統；當為系統增加多個 HDMI 連接器時，HDMI開關可以大幅降低設計復雜性并減少系統成本。
