HDMI信号隔离：光纤vs专用芯片，两种方案该选谁？

在工业控制领域, 经常看到使用HDMI电缆线来连接显示器，从而监控整个生产过程中的各个关键指标。有时显示器离整个生产线特别远，HDMI电缆线不够长，我们往往需要引入信号隔离方案，使得信号能传递更远的距离。

本文将介绍两种不同的HDMI信号隔离方案——光纤信号隔离方案和专用芯片信号隔离方案——希望对大家有所启发。

什么情况下HDMI需要信号隔离？

如下图，这是一个使用HDMI电缆线来连接显示器与人机交互界面（HMI）的应用。一般情况下，HDMI的电缆长度可以支持15米，从而可以方便地布线到触摸屏显示器和控制室。

图1：工业控制领域，通过HDMI连接显示器(图片来源：ADI)

但是在恶劣的工业环境中，将HDMI的电缆长度进一步延长可能会带来挑战，因为EMC危害会影响布线，干扰信号传输。这时往往需要考虑对于HDMI进行信号隔离，降低EMC对信号传输的影响，从而延长传输距离。

传统上，在高速接口上增加信号隔离是一项非常重要的任务。一般超过250Mbps的数据速率超出了光耦和大多数数字隔离器的能力。

比如，对于一个在60Hz下传输24位颜色、分辨率为1920×1080（1080p）的视频链路，如果要对这个视频链路进行信号隔离，我们需要4.4Gbps总带宽的隔离器，才能保证视频的流畅传输。

光纤信号隔离解决方案

光纤信号隔离解决方案中，铜介质到光纤的转换需要一个串行器、一个反串行器和电-光转换器。同时要求光纤具有足够的带宽。这种方案速度快，传输距离长，可以长距离传输4K视频，但是相对的成本也非常高。

图2：HDMI信号到光纤 (图片来源：ADI)

Digi-Key可提供的光纤信号隔离技术资源如下：

● Digi-Key HDMI 光纤线缆

● 更多Digi-Key HDMI 线缆连接线

专用信号隔离芯片

当然，使用标准数字隔离器也可以实现这个功能。我们以每个标准数字隔离器150Mbps的速度运行。该方案还需要一个串行器、一个解串器，如果要实现4.4Gbps的总带宽，相当于需要30多个标准数字隔离器。显然，这种方案不太合理，我们就不继续讨论下去了。

图3：HDMI信号到数字隔离器 (图片来源：ADI)

另一个技术选项是使用专用的芯片解决这个问题。比如，使用ADI的ADN4654系列低电压差分信号（LVDS）数字隔离器。

图4：HDMI信号到千兆LVDS隔离器 (图片来源：ADI)

通过利用ADN4654的千兆数据速率，可以降低系统的复杂性，并且仅使用两片ADN4654即可实现4.4Gbps带宽。每个设备有两个通道，总共有四个通道，每个通道上的工作速率可以高达1.1Gbps。

● ADN4654 Demo板EVAL-CN0422-EBZ

EVAL-CN0422-EBZ是一块即插即用的评估板，针对HDMI 1.3a端口，可实现信号隔离。与iCoupler?隔离技术结合在一起，通过绝缘屏障传输必要的电源和高速视频及控制信号。

图5：ADN4654评估板：EVAL-CN0422-EBZ（图片来源：ADI）

HDMI 1.3a协议中的视频数据通过四个TMDS（最小化传输差分）通道传输：三个数据通道（对应红绿蓝）和一个时钟通道。每个车道必须单独隔离。

图6：HDMI视频数据通过TMDS通道传输

如图7，虽然TMDS与LVDS（低电压差分）稍有不同，但可以使用CML（电流模式逻辑），即一些简单的无源组件来实现与LVDS兼容设备的兼容性。

图7：使用简单的无源组件来实现TMDS与LVDS兼容（图片来源：ADI）

这些无源组件与两个双通道千兆ADN4654隔离LVDS收发器结合使用，以隔离四条TMDS通道。可实现高达110MHz的像素时钟频率，以60Hz的帧速率支持720p分辨率。

本文小结

使用信号隔离的方法，可以延长HDMI的传输距离。特别是利用专用信号隔离芯片，可以有效地在HDMI源端和HDMI接收端之间实现安全、无噪连接，为开发者提供了隔离高带宽接口的新选项。