高清传输-HDMI信号的完整性分析

[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。

　　
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。

　　
　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