HyperLynx（九）HDMI仿真实例

1.眼图和眼图模板
2.HDMI眼图模板
3.在HyperLynx中设置眼图模板
4.HDMI仿真
5.HDMI设计规则总结

1.眼图和眼图模板
眼图是指一系列的数字信号在示波器或图形软件中显示的图形。简单地说就是把一连串
接收端接收到的脉冲信号(000，001，010， 011, 100, 101, 110,111) 同时叠加在示波器
或图形软件中以形成眼图，如图所示：

随着信号传输速率越来越高，眼图几乎成了所有高速信号评估信号完整性的一个重要指标，因为眼图中包含了很多信号信息。由于眼图是通过大量的信号位累加得到的，所以通过眼图可以看到信号波形的变化，如单调性、串扰、上升时间、下降时间、过冲、输入高电平、输入低电平和抖动等。
为了使眼图在使用时更加简单和直观，很多总线在定义眼图时，通常会同时定义一个眼图模板。眼图模板对于信号而言没有任何实际的物理意义，仅相当于一个禁止区域，如图所示：

通常把禁止区1和禁止区2称为外模板，表示眼图波形不能超过的最大值(HDMI在 TP1处最大值为780mV)和最小值(HD MI在TP1 处最小值为-780mV);禁止区3称为内
模板，表示眼图波形在幅值方向上的输人高电平(HDMI在TP1处为200mV)和输入低电平
(HDMI在TP1处为-200mV)，在水平方方向上表示抖动的容限，100 表示1个位宽(UI)的宽度，其最大容限为 0.3UI。
眼图的特性是累加了一连串的脉冲波形，所以眼图可以测量信号的重复性。假如整个互连通信系统无任何噪声时，通道的一致生也非常好，并且衰减也非常小，那么眼图上的轨迹应基本为相同的波形叠加在一起，如图所示：

若有外部的噪声干扰或者通道有一定的衰减，再或者传输通道的一致性不好，那么这
时信号的眼图轨迹会发生些改变，信号的变化也会不一样在垂直方向上叠加使纵向轨迹
变粗，在水平方向上抖动的增加也会使横向轨迹变粗，误码率也有可能会随之增加，这时的眼图如图所示：

如果信号受到的干扰非常大，或者信号衰减非常大，眼图可能会闭合，如图所示：

当然，这类闭合的眼图不一定就不符合设计要求，还需要看是哪一类的总线，有的总线对噪声和抖动的容限比较宽。因此在眼图中加入眼图模板就能直接判断是否符合设计。

2.HDMI眼图模板

HDMI连接测试点的示意图
如图所示为源端测试点TP1处的眼图模板，在仿真TMDS数据信号时，在TP1处获得的眼图一定要满足此眼图模板的要求。

纵坐标表示幅值，单位为mV，横坐标表示信号一个单位的位宽，以百分比显示，单位是1。

如图所示为接收设备测试点TP2处的眼图模板，在仿真TMDS数据信号时，在TP1处获得的眼图一定要满足此眼图模板的要求。

纵坐标表示幅值，单位为mV，横坐标表示信号一个单位的位宽，以百分比显示，单位是1。

3.在HyperLynx中设置眼图模板
在HyperLynx中仿真眼图时，可以在软件中调用眼图模板来辅助判断是否符合设计要求。在数字示波器中，选择眼图操作，选择全局激励源，如图所示：

这时候单击配置按钮，弹出如图所示的对话框：

单击眼图模板（eye mark）一栏，选择模板名字（Mark ）的下拉菜单，可以选择软件自带的模板，包含usb2.0，SAS，PCIE,SATA等总线的模板，如图所示：

软件自带的眼图模板有限，如果没有找到当前仿真总线的眼图模板，工程师也可以自定义模板。以HDMI TP1 测试点处的眼图模板为例，可参考上面提到的的源端设备TP1处交流(AC)电气参数。
在模板设置中，纵向设置的是幅值，单位为伏特(V)，一共需要设置5个参数，从上往下依次是最大值为0.78V、输入高电平阈值0.2V、中心值0V、输入低电平阈值-0.2V和最小值-0.78V;横向是时间轴，表示的是一个完整的位宽，单位是百分号(%)，一共需要设置6个参数，从左至右依次是0、15、25、75、85 和 100，如图所示。

设置完成后单击回按钮保存，在弹出的对话框中输入眼图模板的名字为 HDMI_TP1，如图所示。

设置完成后，单击 OK 按钮。当需要使用眼图模板时，在 HyperLynx数字示波器的显示处勾选眼图模板(Eye mask)选项，即可调入眼图模板，如图所示:

眼图模板对于信号完整性工程师来说非常有用，特别是初学者，对于一些问题无法快速判断时，套用模板就可以快速判断结果是否满足总线设计要求，其他的总线自定义眼图模板和调用都类似。

4.HDMI仿真

（1）HDMI源设备仿真拓扑结构
HDMI规范中对HDMI源设备的测试和仿真拓扑结构有明确的要求，参考规范，反正拓扑结构简化建模如图所示：

叠层信息如图所示：

HDMI仿真拓扑包括一个简单的HDMI接口，接口由一个通过板线驱动负载的发射器组成，这里用到的模型是HDMI兼容的TMDS341的TMDSI/O引脚，一个三项DVI/HDMI开关。这个信道的数率高达1.65Gbps。
当然在一个实际的HDMI前仿真过程中，包含了信号发送芯片、传输链路和无源器件（共摸电感和连接器）。仿真目的一是评估布线长度、等长关系、过孔设计、布线间距等；二是评估物料的选型，如共摸电感、连接器的选择等。具体的仿真拓扑还要根据实际项目建模。
建模完成之后，在数字示波器中设置仿真相关参数，使用眼图模式操作，采用全局激励源，使用位置顺序为7的PRBS的编码方式，信号的速率为3.4Gb/s,调用前设置好的HDMI_TP1的眼图模板。同时在显示区域勾选眼图模块模块，如图所示：

由于HDMI采用的是TMDS差分信号，所以在仿真眼图时也需要使用差分结构。从仿真电路上分析，电阻R1和R2都是单端线上的上拉电阻，需要手动设置为差分。选择如图所示的(Insert diff probe)(插入差分探针)选项，即会弹出如图所示的自定义差分探针的对话框。在正引脚一栏的下拉菜单中选择电阻R1.1，用相同的方法在负引脚一栏选择R2.1。

选择完成后单击OK按钮，在探针显示栏中就会增加一个探针选项R2.1(at pin)/R11(at pin)，这就是差分探针，如图所示

如果在仿真时需要设置更多的差分探针，以及重复的自定义差分探针，那么就要注意元器件引脚的选择，以免引脚选择混乱。完成多所有的设置后即可开始仿真。

（2）HDMI仿真分析方法
仿真后在显示区域上会出现眼图和眼图模板，如图所示：

如果眼图碰到了内模板，此仿真结果与预期的会有差异，但这并不代表这个结果不符合规范和设计要求，因为模板和眼图明显不对称，需要通过调整模板使眼图和模板对称。单击Adjust Mask按钮即可调整模板。

显然，仿真结果可以满足规范和设计要求。在沉测量区域，单击测量眼图宽度四和测量眼图高度x·按钮即可测量眼宽和眼高，测量值分别为400.4ps和834.9mV。

（3）HDMI布线长度仿真
在设计PCB之前，工程师需要制定HDMI的布线规则，对于这类的高速总线，传输线的长度通常对总线的信号完整性起着关键的作用，所以一般都会在设计前设定一个最长的值，通过多组长度数据的仿真得到使眼图最差的长度。使用前面的拓扑结构对传输线的长度进行扫描仿真，初始值为2inch，终值为6inch，步长为1inch，总共扫描五次如图所示：

扫描后的结果

分析对比各个长度对应的眼图，长度为2inch时，眼图的裕量比较大，长度越长，后面的眼图裕量越小。因此为了控制风险，最大长度最好不要超过3inch。
从眼宽和眼高的数据分析，在其他参数保持不变的情况下，随着长度的增加，眼宽和眼高都会变小，抖动会增加。

（4）HDMI差分对内长度偏差仿真
规范中明确要求内长度偏差在0.15倍位宽之内，以上使用的仿真速率为1.6Gb/s，那么对内长度偏差应控制在93ps内。
仿真对内长度偏差时，肯定有一段传输线会比较长，另外一段比较短，所以建模时，在传输线TL2后增加一段传输线TL3。仿真拓扑电路建模如图所示：

对内长度偏差设置：仿真时，用标准的操作，激励源使用上升沿，查看 R1 和 R2 的波形，具体设置如图上所示。

设置完成并仿真后，得到的波形如图所示。

由于规范定义了对内长度偏差需要控制在 93ps 以内，那么通过扫描 TL3 的长度，找到符合设计要求的最长值。 TL3 扫描参数设置如图所示，起始值为 0.001inch、终止值为 1inch、步长为 0.1inch，总仿真次数为 11 次。

设置完成后，开始扫描仿真，在波形显示区域或加入两个光标，第1个光标放在第1个波形相交点，第2个光标放放置在距离第1个光标93 ps 的位置，且是两个波形相交点，此处对应的即为对内长度偏差最长的长度，如图所示：

经过波形和数据分析，当TL3的长度小于0.6inch的时候，符合规范和系统的设计要求。
以下是针对TL3不同长度偏差仿真的到的眼图，分别设置长度0inch、0.1inch、0,2inch、0.3inch、0.4inch、0.5inch、0.6inch。如图所示：

分析眼宽和眼高的数据可知，偏差不一样时，对眼高和眼宽都有一定程度上的影响，偏差越大，眼宽和眼高越小，抖动也会增加。当然，对于HDMI的信号恶言，对内并不一定要完全等长。对比完全等长和偏差0.1inch的眼宽和眼高值，它们几乎没有太大的变化，从信号完整性的角度分析，在设计中不一定要追求差分对内完全等长。
当然，在一定程度上，对内不等长不仅会造成信号完整性的问题，也会带来电磁兼容性的问题。

（5）HDMI差分对间的长度偏差仿真
HDMI共有3对TMDS数据信号线和1对时钟线，规范规定了差分信号对与对之间的偏差。对于源端设备，在测试点 TP1 处，偏差最大值为。0.2*Tcharacter，即约为588ps。
差分对间的长度偏差的仿真拓扑结构中至少有两又时传输线，在其中一对传输线中再增加一段差分传输线，使两对传输线有一定的长度差，如图图所示：

图中TL4 和 TL3 的长度即为两对传输线的长度差。同样，使用标准的波形仿真操作，激励使用上升沿，设置完成后开始仿真，得到上拉电阻 R1 和 R3处的波形，并在两个波形曲线上加上光标，纵坐标都为3.05V。第1个光标放置在上拉电阻 R1的波形上，相交点的横坐标为912.7ps，第2个光标放在上拉电阻R3的波形上，相交点的横坐标为1072.5ps，两个光标的横坐标相减为146.6ps，这是两对传输线相差1inch时的结果，如图所示

规范要求对间偏差在588ps以内，那么使用相同的设置，对 TL4和 TL3 进行扫描仿真，扫描耦合区域的长度，起始值为 1inch、终止值为 5inch、步长为 1inch、仿真次数为5次，如图所示：

设置完成后，开始扫描仿真，得到仿真的波形如图所示。在波形显示区域加入两个光标，两个光标的纵坐标都是3.05V。第1个光标放置在上拉电阻R1的波形上，横坐标为929.3ps，第2个光标放置在离第1个光标约588 ps处，虽然在纵坐标为3.05V时没有与任何波形相交，但能观察出光标与差分对间的偏差整长度为4inch的波形最近，此时可以把4inch长度定位差分对间最大的长度偏差。当然，如果需要更加精确的长度，可以进一步做长度扫描仿真。

5.HDMI设计规则总结

不管是前仿真还是后仿真，都是为了使设计的 HDMI产品能够符合原理和功能要求。在设计HDMI时，需要注意以下几点。
（1）原理方案要明确，分析产品需要使用哪个版本的HDMI，明确之后才能正确选择芯片。
（2）选择合适的连接器。HDMI的连接器类型比较多，不一样的连接器有不一样的要求。选择合适的共模电感。
（3）对于这类接口类的电路，共模电感非常重要，但不合适的共模电感会直接导致信号质量达不到总线电气规范要求。
（4）TMDS 传输线阻抗为 100Ω，在布线过程中尽量不要出现阻抗突变点。
（5）如果TMDS 信号需要经过换层过孔，过孔的阻抗尽量设计到 100Ω，并尽量减少过孔残桩。
（6）TMDS 信号尽量参考完整的地平面。
（7）设计 PCB 时，TMDS 对内的偏差尽量短。
（8）TMDS 对间的偏差尽量短。

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