视频应用中的CRC测试

        摘要：量化复杂视频信号链中微小工程变更的影响，常常是件吃力不讨好的工作。诸如循环冗余校验(CRC)之类的简单错误检测算法，尽管有多方面的局限性，但不失为一种有效的工具。本文以ADI公司功能全面的单芯片影音前端ADV7850为基础，详细介绍了一种有效视频应用的CRC测试方法。

　　1 数字视频系统

　　近年来，消费、专业和汽车应用中数字视频传输媒体大行其道，促使许多视频产品设计和制造商转移焦点。实现出色模拟性能的要求已经走到尽头，取而代之的是实现尽可能高的数字数据速率的要求。传输媒体包括DVI、HDMI、LVDS、MHL和APIX。

　　在这场追逐更高数据速率的竞赛中，的增长是主要驱动因素之一。近年来，HDMI规范进一步发展，最大支持视频分辨率的数据速率已达到2.25GHz到3GHz，在将来的规范升级中极有可能会进一步提高。

　　开发一个集成所有这些器件的可靠视频信号链以支持如此高数据速率的视频格式，正在成为视频产品设计和制造商的重大挑战。 为了成功支持此类视频格式，电缆质量、电源设计、信号完整性、PCB质量和芯片设置都必须处于绝对最佳水平。 但是，视频产品设计和制造商如何才能轻松评估各种调整对上述系统要素的影响呢

　　2 循环冗余校验

　　循环冗余校验(CRC)是W. Wesley Patterson于1961年发明的一种冗余校验方法。它可以检测数字数据中的错误，主要用于数据传输中，例如32位CRC被用于以太网数据传输。 CRC的局限性包括：CRC只能检测数字数据中的错误，无法在检测到错误后予以纠正，只有更复杂的算法(如纠错码(ECC)或前向纠错(FEC)等)才具有纠错功能;CRC无法确定接收数据中的错误数目。

　　CRC实现方案有很多种，但基本前提是一样的：数据发送器先计算并追加校验位数(常称作“校验和”)到数据上，再发送数据。

　　误码率测试是一种引入注目的CRC测试替代方案，其主要优势在于它能协助量化数据受损的程度。 误码率测试要求将一个参考图案输入系统，然后将系统的输出与参考图案进行比较分析，差异的数量即表示发生误码的数量。 如果输出图案与参考图案完全一致，则无误码，系统工作在“最有效点”上。如果输出图案与参考图案不同，则差异的数量可在某种意义上指示数据受损的程度。

　　虽然误码率测试是一项非常强大的工具，但它需要输入已知图案并能对照已知图案分析输出，这也是它的一个主要缺点。 对参考图案的需求(以便能够量化数据受损程度)，大大降低了其灵活性。 误码率测试只能应用于已知图案，CRC则可应用于任何静态数据图案，也就是说，它可以非常灵活地用在各种情况下： 从原型系统的开发和评估到产品线路测试结束，直至现场调试客户反映的问题。

　　3 ADV7850

　　ADV7850是ADI公司首款针对消费和专业影音市场而开发的完整影音前端器件。 该器件包含：一个4路输入HDMI接收器，支持高达4k x 2k @ 30 Hz的视频分辨率;一个视频和图形数字化仪，工作频率高达162MHz;一路高速串行视频输出;一个3D梳状视频解码器;以及一个音频编解码器。

　　除了用作功能全面的单芯片影音前端之外，ADV7850还集成了一个采用CRC的帧检查器。 它位于ADV7850输出端之前，接近ADV7850信号链的末端，可检查HDMI输入的完整视频路径。该特性不可用于模拟输入，因为以最高170MHz频率工作的模数转换器(ADC)会引入最低有效位(LSB)误差。

　　ADV7850中的帧检查器利用CRC-16-CCITT多项式(x16 + x12 + x5 + 1)来分析用户可配置数量的帧，通过一个I2C位2使能。一旦使能，帧检查器就会分析各视频通道(绿、红、蓝)上的每个数据像素(从480p的30万像素到4k x 2k的800万像素)，从而计算每个帧(帧数由用户配置，最多255)的校验和。 要分析的帧数通过I2C控制寄存器进行配置。

　　帧检查器完成分析后，通过I2C报告每个通道(HDMI在红色、绿色和蓝色通道上传输数据)的一组结果。 如上所述，对于静态输入，对CRC执行多次迭代应当产生一致的结果。两个帧之间只要有一个像素不同(最多有1600万像素的数据)，校验和结果就会不同。

　　无论该像素差异是由视频源上的噪声或传输介质间歇产生的噪声引起，还是由ADV7850的配置错误引起，它都会指出错误。

　　这样，系统设计师就能优化系统并重新测试。

　　帧检查器的功能当然非常好，但只有将其投入实际应用，才能体现其真正的价值。 ADV7850的帧检查器可以在视频产品的整个开发周期中使用，也可以在制造周期中使用。

　　4 CRC的各个阶段

　　(1)开发阶段

　　CRC可以在视频产品开发阶段的多个方面派上用场，用来衡量视频信号链的性能;用在热效应测试中;用在电源测试中;用在布局变化评估中，用在最终软件配置变化中;甚至用在线缆选择中(如果产品要搭配线缆的话)。

　　(2)合规测试

　　视频产品在作为HDMI合规产品上市并贴上HDMI标签之前，必须在正式许可的HDMI认证测试中心(ATC)进行一系列严格的测试。这些测试确保了产品符合HDMI合规测试规范(与HDMI主体规范共同发布)中规定的所有要求。在这套测试中，最难的测试是分析视频接收器在时钟通道和数据通道上抖动条件的鲁棒性。

　　如果没有指定的设备，可以将ADV7850中的帧检查器当作一种低成本的替代测试设备，用于进行预合规初期迭代测试;通过该检查器可以了解接收器是否能正确接收和解码HDMI数据(可能对此造成影响的因素从配置写入操作是否正确到电源设计，多种多样，不一而足)。

　　如果有指定设备，仍然可以使用该帧检查器，因为它能确定接收器是否能正确接收和解码数据。这一分析层次超出了CTS的范围，其要求的只是肉眼检查。

　　(3)HDMI线缆选择

　　许多视频产品设计和制造商，尤其是专业音频/视频市场，依赖HDMI线缆来实现视频在系统组件之间的传输。HDMI线缆以19条导线制成;HDMI规格根据不同的速率等级，规定了5种不同的HDMI线缆类别。

　　线缆因带宽受限，往往会把特定类型的噪声或抖动带进视频流中;称为符号间干扰(ISI)抖动。ISI抖动是当前符号与后续符号之间的干扰。这种“模糊的”符号使得接收器对数据的解码和解读变得更加困难。

　　在评估这类不同线缆时，CRC测试大有用武之地;以系统效果稳定可靠的、值得信赖的已知好线为基准，负责评估工作的工程师可以比较价格更低或者更长的线缆对CRC结果的影响——取得目标数据点，为确定这些线缆是否合适提供参照。

　　以下是一个可能的典型测试场景：视频产品设计和制造商当前正在使用一条某个系统搭载的特定线缆，该线缆的性能水平合理、可靠;从线缆接收到的数据，性能出现了下降，在1080p下，对HDMI合规测试规范抖动容限掩模有轻微影响(见图1)，但在ADV7850恢复数据中并不会造成任何问题。对从该线缆接收到的视频数据运行帧检查器，结果，全部通道均合格，最高达255帧。

　　如果在产品升级时，硬件增加了4k x 2k支持(1080p 8位时钟和数据速率提高一倍)，则需重新验证线缆。如果以简单的方式来检查线缆对4k x 2k数据的影响，则会得到令人担忧的结果(见图2)。

　　现在，线缆中的损耗导致信号性能大幅下降;在功能测试中，ADV7850可能仍然能恢复数据，但是，全部数据仍然毫发无损吗 数据中现在存在可能引发严重系统问题(如HDCP雪花噪声，如前所述)的随机或间歇性比特误差吗

　　运用ADV7850的帧检查器功能，评估工程师可以精确确认是否发生任何数据错误;在帧检查器工作期间，也可能需要对线缆进行延伸测试，如加热/冷却/弯曲等。

　　(4)电源测试

　　电源是设计中需要处理的最重要的一个方面，而且被许多人认为是最为棘手的问题。许多因素都可能影响电源输出的质量;电源输出可能会影响到系统的许多特性。电源一般给视频流带来一种特定的噪声或抖动，称为周期性抖动。(见图3)

　　设计师必须选择是使用线性压差稳压器(LDO)，还是使用开关模式电源(SMPS);要使用哪种频率开关稳压器，应该用哪种滤波器来抑制进入系统的任何谐波;把电路层布设在单层还是多层;各层是否有可能在邻接层重叠;去耦电容架构如何实现——甚至是所选去耦电容的位置、大小和材料;所有这些因素以及诸多其他因素都可能造成显著影响。

　　在电路板单次改动时，以及在电路板多次改动之间，如果要评估电源设计变化的影响，可以采用CRC测试。通过改变系统上采用的去耦电容，并在每次改动后运行一次CRC测试，系统评估工程师可以衡量出哪种去耦架构下的系统最为稳定。

　　系统评估工程师还可以衡量原型系统后续改动的变化情况，方法是在未做出其他重大布局和原理改动的情况下，运行CRC测试。最后，CRC测试可以用来了解改动的影响，这可能体现在系统可能存在的容差，比如，电源器件容差而造成的电源电压电平变化。

　　(5)布局变化

　　高速数字视频信号链布局中使用的技术非常复杂，需要专文进行探讨。HDMI规范要求，走线的差分阻抗为100欧姆，但要支持4k x 2k视频数据会带来额外的挑战;在如此高的数据速率之下，信号完整性成为一个大问题，而走线宽度和走线长度等因素则成为需要考虑的重要因素。

　　后续改动之间的布局变化的影响可以通过CRC测试获得。对于具有根本变化的原型板，如采用不同的电路板材料，不同层叠方式，不同HDMI走线宽度等，通过比较两次后续改动后的输出，可以获得变化的影响。

　　(6)热效应测试

　　确认视频产品能在其额定温度范围内正常工作，这是评估过程中一个极其重要的阶段。视频产品设计和制造商必须确保，其产品中的环境温度不超过芯片供应商的额定值，并且在产品将面对的整个环境温度范围内(如消费类产品为0℃至+70℃，汽车产品为-40℃至+85℃/+125℃)，产品性能保持稳定、可靠。(见图4)

　　在这类测试中，通常将一个原型系统置于可以在产品额定温度范围内(如-40℃至+85℃)循环的温控炉中。对系统输出进行观察，确保输出在整个温度范围、视频频率和视频图案能保持稳定。

　　运用CRC测试可以轻松实现这种测试的自动化，并能无限制地运行。通过自动控制温控炉、视频发生器和CRC分析工具，评估工程师可以轻松扫描温度、改变视频格式和图案，同时逐帧监控视频数据的CRC结果。

　　如果在视频图案和格式保持不变的情况下无变化，则可继续测试;如果在视频图案和格式保持不变时CRC发生变化，则应记录环境变量(如温度、视频格式、视频图案等)，然后继续测试。这类测试可以轻松设置成通宵运行，或者在周末运行，从而在无人值守的情况下完成数百小时的鲁棒性测试。

　　(7)软件配置变化

　　现代半导体器件在某些方面需要进行调节，具体取决于其所在的原型系统，比如，时钟和数据关系可能需要调节，以适应特别长或特别短的信号路由。在这种情况下，可以利用CRC测试来协助调节可用的控制手段，如均衡器设置、PLL设置、时钟和数据相位关系，从而最大程度地提高系统的稳定性。

　　(8)制造阶段

　　当视频产品设计和制造商需要通过检查其成品的全部或横截图，以验证其生产工艺的稳定性和正确性时，CRC不失为一种理想的工具，可以用来衡量某些连接器(即HDMI)、外部无源和有源器件(如HDMI ESD器件)以及CRC处理器件(如HDMI接收器)是否焊接正确。

　　CRC可按多种方式用在最终测试中;可以在视频产品本身中实现是CRC;可以把CRC集成到线路测试设备的分立端。在视频产品中实现CRC需要在视频信号链中采用一种半导体解决方案，该方案需要具备提供CRC测试的能力(如FPGA或微控制器)。

　　在分立器件中实现CRC可能会降低视频产品的物料成本，却要增加分立器件的成本。但这种方式确实具有以下好处，它能够测试整个系统的稳定性;嵌入视频信号链的CRC测试解决方案的覆盖范围取决于测试解决方案在信号链中所处的位置;如果CRC测试解决方案靠近信号链起始位置，则其覆盖范围可能处于低中水平;如果CRC测试解决方案靠近信号链末端，其覆盖范围可能就处于中高水平。

　　在此基础上，生产质量控制部门可以基于对装置取得的CRC测试结果，设置合格和不合格标准;将不合格装置送回去进行调试(这一过程也可能涉及CRC测试)，把合格装置送往包装和发货。

　　结论

　　CRC测试是工程师手中众多系统开发、制造和调试测试方法中的一种强大工具。尽管它无法量化某些问题(如比特误差率测试)使系统性能下降的确切程度，但它却具有更高的灵活性(可以运用于任何静态图案——无需提前知道图案)，实现起来也非常容易。