摘要

自動化和識別復雜的視頻信號鏈中微小工程變更的影響可能是一項艱巨的任務。評估低成本數(shù)字視頻電纜是否會降低系統(tǒng)性能，電源調(diào)整是否增加了系統(tǒng)的抖動容限，或者備用PLL配置是否提供了更大的電源抗擾性，這些都是當今設計和生產(chǎn)工程師面臨的典型挑戰(zhàn)。視頻產(chǎn)品的設計和制造商必須克服。

盡管有許多視頻評估工具可用于協(xié)助此類活動，但這些工具通常會消耗大量的資本預算，花費時間來設置，需要進行培訓才能正確操作以及提供難以解釋的結(jié)果。簡單的錯誤檢測算法（例如循環(huán)冗余校驗（CRC））可以用作粗略但有效的工具，然后才需要投入更多的精力來使用更復雜，更昂貴的評估工具來完善系統(tǒng)，尤其是在自動化，上市時間和成本是重要的考慮因素。

數(shù)字視頻系統(tǒng)

近年來，面向消費者，專業(yè)和汽車應用的數(shù)字視頻傳輸媒體的激增，已引起許多視頻產(chǎn)品設計和制造商的關注點發(fā)生了變化。實現(xiàn)卓越的模擬性能的要求已趨于平穩(wěn)，并已被取代以實現(xiàn)盡可能高的數(shù)字數(shù)據(jù)速率。這些傳輸介質(zhì)包括DVI，HDMI?，LVDS?，MHL?和APIX?。

HDMI的增長一直是這場爭奪更高數(shù)據(jù)速率的主要推動力之一。從一開始，就支持高達1.65 GHz的視頻傳輸，從而促進了8位色深的1080p視頻（1920像素×1080線）的傳輸，該視頻格式的視頻分辨率是模擬NTSC視頻的10倍以上。近年來，隨著HDMI規(guī)范的進一步發(fā)展，最大支持視頻分辨率的數(shù)據(jù)速率已擴展到2.25 GHz至3 GHz，并且在將來的規(guī)范修訂版中，最有可能在卡上進一步提高（參見圖1）。

在HDMI 1.4a中指定的UltraHD 3 GHz最大視頻分辨率（在24 Hz，25 Hz或30 Hz時為4k×2k），可以使家庭娛樂系統(tǒng)中的電影院風格清晰。單個4k×2k數(shù)據(jù)幀包含4096個像素和2160行，每秒傳輸24幀，這意味著3 GHz視頻源和接收器必須能夠每秒發(fā)送或接收超過800萬個像素的活動視頻數(shù)據(jù)。無可厚非。

隨著跨鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的增加，每個傳輸比特的周期縮短，鏈路上發(fā)生誤碼的可能性增加。發(fā)生一系列誤碼時會發(fā)生什么？在活動視頻區(qū)域中可能會發(fā)生誤碼，導致某些像素顯示不正確。但是，如果在HDMI數(shù)據(jù)流的控制期間內(nèi)發(fā)生了一系列的位錯誤，則可能會干擾同步數(shù)據(jù)；否則，可能會損壞同步數(shù)據(jù)。這可能會在屏幕上造成干擾，例如水平或垂直條紋或圖片閃爍。當與HDMI規(guī)范采用的數(shù)據(jù)加密協(xié)議（高清內(nèi)容保護（HDCP））一起考慮時，這種風險會更加復雜。

HDCP用于保護通過視頻鏈接傳輸?shù)母邇r值視頻內(nèi)容，從而防止在源設備（DVD播放器或機頂盒）和接收設備（例如電視）之間傳輸電影和電視內(nèi)容時非法復制電影和電視內(nèi)容。作為電視）。在源設備和宿設備之間建立HDCP鏈接所涉及的時間范圍從不到一秒到幾秒鐘不等。一旦建立了HDCP鏈接，就可以在接收器設備上看到圖片。通過每隔幾秒鐘或之后一定數(shù)量的視頻幀在接收器和源設備之間傳輸鏈接完整性檢查來維護鏈接。如果上述一系列的位錯誤導致圖片閃爍，則觸發(fā)了需要重新建立經(jīng)過身份驗證的鏈接，用戶可能會在屏幕上看到雪噪聲（表明HDCP身份驗證失敗）的提示（如圖2所示）。然后可能需要花費幾秒鐘的時間來重新建立經(jīng)過身份驗證的鏈接，并需要返回圖片，這導致用戶感到沮喪，并導致字段返回。

現(xiàn)代視頻信號鏈通常由許多不同的設備組成。例如，音頻視頻接收器（AVR）的物料清單可以包括HDMI緩沖區(qū)，HDMI多路復用器，HDMI和模擬視頻接收器，HDMI發(fā)送器和集成了縮放，解交織和屏幕顯示功能的視頻信號處理器。為了進一步增加復雜性，這些設備通常可以從眾多半導體供應商處采購。開發(fā)結(jié)合了所有這些設備的可靠視頻信號鏈并以如此高的數(shù)據(jù)速率支持視頻格式正成為視頻產(chǎn)品設計和制造商的重大挑戰(zhàn)。電纜質(zhì)量，電源設計，信號完整性，PCB質(zhì)量和芯片設置必須處于絕對最佳狀態(tài)才能成功支持此類視頻格式。

循環(huán)冗余檢查

循環(huán)冗余校驗（CRC）是Wesley Patterson于1961年發(fā)明的一種冗余校驗。1它可以用于檢測數(shù)字數(shù)據(jù)中的錯誤，主要用于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。例如，通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時使用32位CRC。CRC只能檢測數(shù)字數(shù)據(jù)中的錯誤。一旦檢測到就無法糾正它們。此功能僅限于更復雜的算法，例如糾錯碼（ECC）或前向糾錯（FEC），并且CRC無法識別接收到的數(shù)據(jù)中的錯誤數(shù)。

存在許多不同的CRC實現(xiàn)方式，但存在相同的基本前提。數(shù)據(jù)發(fā)送器在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先計算并向該數(shù)據(jù)附加一些校驗位（通常稱為校驗和）。這通常是通過將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)除以固定的二進制數(shù)來實現(xiàn)的。然后除法的其余部分形成校驗和。接收機可以使用發(fā)射機側(cè)計算的逆函數(shù)來確定校驗位是否與數(shù)據(jù)一致。如果在接收器側(cè)計算出的校驗和與在發(fā)送器側(cè)計算出的校驗和不匹配，則接收器可以推斷出數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生了錯誤，并請求重新傳輸數(shù)據(jù)。

視頻信號鏈不能模仿前面概述的典型數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器對。但是，在視頻信號鏈中，鏈接是單向的，因此視頻接收器（例如電視）請求視頻源（例如藍光播放器）重新發(fā)送錯誤接收的數(shù)據(jù)幀是不可行的。為了解決這種不對稱性，必須以稍微不同的方式實現(xiàn)CRC。鑒于已經(jīng)概述的限制，在視頻信號鏈中進行分析的明顯位置是在視頻接收器中。視頻接收器可以將CRC應用于輸入視頻數(shù)據(jù)的后續(xù)幀，唯一的警告是輸入視頻數(shù)據(jù)的內(nèi)容必須是靜態(tài)的，例如SMPTE視頻測試圖案或DVD播放器菜單屏幕。

CRC使用已知的多項式（例如x16+ x12+ x5+1）作為除數(shù)，將所選幀或幀數(shù)的視頻數(shù)據(jù)用作分子，其余部分用作測試是否構(gòu)造的方法視頻數(shù)據(jù)已更改。已知的多項式永遠不變。如果傳入的視頻沒有變化（即沒有位錯誤的靜態(tài)模式），則其余部分應始終為常數(shù)（請參見公式1）。

如果其余部分在后續(xù)幀中保持不變，則這些幀相同，并且系統(tǒng)在所謂的“最佳位置”上運行；硬件和軟件設置的組合，可以產(chǎn)生最佳的系統(tǒng)性能。如果后續(xù)幀的校驗和不匹配，則這些幀將不同，因此需要優(yōu)化系統(tǒng)。

CRC：替代方案

誤碼率測試是CRC測試的一個有趣的替代方法，其主要好處是它可以幫助量化數(shù)據(jù)受到破壞的程度。誤碼率測試需要將參考模式輸入到系統(tǒng)中。與參考模式相比，分析了系統(tǒng)的輸出，并且差異的數(shù)量指示了已發(fā)生的位錯誤的數(shù)量。如果輸出模式與參考模式完全匹配，則不會發(fā)生位錯誤，并且系統(tǒng)將在最佳位置執(zhí)行；如果輸出模式與參考模式不同，則差異的數(shù)量可提供一些數(shù)據(jù)受損程度的指示。

盡管誤碼率測試是一種非常強大的工具，但輸入并能夠根據(jù)已知模式分析輸出的要求也是其局限性之一。對提供量化數(shù)據(jù)降級水平的能力的參考模式的需求，極大地降低了其靈活性。誤碼率測試只能應用于已知模式。CRC可以應用于任何靜態(tài)數(shù)據(jù)模式，這意味著它可以在各種情況下即時使用。這些情況包括從原型系統(tǒng)的開發(fā)和評估，到產(chǎn)品的線下測試，再到客戶問題退貨的現(xiàn)場調(diào)試。

ADV7850

該ADV7850是ADI公司針對消費者和專業(yè)音頻/視頻市場推出的首款完整的AV前端設備。該部件包含一個4輸入HDMI接收器，該接收器在30 Hz時支持高達4k×2k的視頻分辨率。一個視頻和圖形數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能夠以高達170 MHz的頻率運行；高速串行視頻輸出；3D Comb視頻解碼器和音頻編解碼器。除了作為全面的單芯片音頻/視頻前端之外，ADV7850還集成了采用CRC的幀校驗器。幀檢查器位于ADV7850輸出之前，靠近ADV7850信號鏈的末端（見圖3），從而可以檢查HDMI輸入的整個視頻路徑。該功能不適用于模擬輸入，這是因為由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）引入的最低有效位（LSB）錯誤可在高達170 MHz的頻率下運行。

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ADV7850中的幀檢查器利用CRC-16-CCITT多項式（x16+ x12+ x5+1），旨在分析用戶可配置的幀數(shù)，并通過單個I2C位使能。2一旦啟用，幀檢查器就會通過分析每個視頻通道上的每個數(shù)據(jù)像素為用戶可配置的每個幀數(shù)（最多255個）計算校驗和；綠色，紅色和藍色（范圍從480p的300,000像素到4k×2k的800萬像素）。通過I2C控件配置要分析的幀數(shù)。

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幀檢查器完成分析后，它會通過I2C為每個通道報告一組結(jié)果（HDMI在紅色，綠色和藍色通道上傳輸數(shù)據(jù)）。正如針對靜態(tài)輸入所概述的那樣，執(zhí)行CRC應該提供一致的結(jié)果：兩個幀之間的單個像素差異（最多16,000,000像素的數(shù)據(jù)）將導致不同的校驗和結(jié)果。像素差異是由于源噪聲，傳輸介質(zhì)中間歇性產(chǎn)生的噪聲還是由于ADV7850的配置不正確而產(chǎn)生的，都將指示錯誤。然后，系統(tǒng)設計人員可以優(yōu)化系統(tǒng)并重復測試。

CRC的階段

幀檢查器的功能都很好，但是在現(xiàn)實世界中使用這些功能可以實現(xiàn)真正的價值。ADV7850的幀檢查器可在整個視頻產(chǎn)品的開發(fā)周期以及其制造周期中使用。

開發(fā)階段

可以在視頻產(chǎn)品開發(fā)階段的許多方面使用CRC，以協(xié)助自動化測試，衡量視頻信號鏈的性能，評估熱測試對系統(tǒng)的影響，電源測試期間甚至電纜選擇期間的影響。如果產(chǎn)品隨附電纜。

符合性測試

在將視頻產(chǎn)品銷售為兼容HDMI并帶有HDMI徽標之前，該產(chǎn)品必須在經(jīng)過官方許可的HDMI認可的測試中心（ATC）上進行一系列嚴格的測試。這些測試可確保產(chǎn)品滿足HDMI一致性測試規(guī)范（CTS）中列出的所有要求，該規(guī)范與主要的HDMI規(guī)范一起發(fā)布。作為該測試套件的一部分，進行的最嚴格的測試之一是分析視頻接收器在時鐘和數(shù)據(jù)通道上抖動的魯棒性。

滿足此測試中概述的標準通常是具有挑戰(zhàn)性的，并且視頻產(chǎn)品設計人員和制造商如果無法在內(nèi)部使用官方測試中指定的設備，則經(jīng)常將其原型系統(tǒng)用于昂貴的預合規(guī)性檢查。

如果沒有指定的設備，則ADV7850中的幀檢查器可以用作低成本的預一致性測試的替代產(chǎn)品。幀檢查器可洞悉接收器是否正確接收和解碼了HDMI數(shù)據(jù)（從是否采用正確的配置寫入到電源設計，可能影響該范圍的因素），并使工程師能夠自動進行此類測試。如果可以使用指定的設備，則仍可以使用幀檢查器，因為它可以提供對接收器是否正確接收和解碼數(shù)據(jù)的確定見解-在發(fā)生隨機錯誤時將其標記出來。這種分析水平超出了CTS所要求的分析范圍，CTS僅要求進行視覺檢查。

HDMI電纜選擇

許多視頻產(chǎn)品設計人員和制造商，尤其是在專業(yè)音頻/視頻市場中，都依靠HDMI電纜在系統(tǒng)組件之間路由視頻。HDMI電纜使用19個信號載波構(gòu)建；HDMI規(guī)范概述了五種不同類別的HDMI電纜，用于不同的速度等級。

電纜會以多種方式影響通過它們的信號。由于其帶寬有限，電纜通常會衰減通過它們的信號，從而減少信號的垂直眼圖張開度。符號間干擾（ISI）抖動也會使眼圖張開度降低。ISI抖動主要由阻抗失配引起，通常會降低信號的水平眼圖張開度。符號的這種“模糊”使接收機更難以解碼和解釋數(shù)據(jù)。

例如，在視頻會議系統(tǒng)中，視頻可以通過一系列最長30米的HDMI電纜從中央控制臺到房間的周圍路由到多臺監(jiān)視器或投影儀（參見圖6）。然而，如此長的HDMI電纜可能是系統(tǒng)成本的重要組成部分，價格從幾十美元到幾百美元不等。視頻產(chǎn)品設計師和制造商可以選擇評估來自低，中和高成本供應商的電纜。電纜供應商通常可以通過電纜質(zhì)量來證明其制造成本。但是，視頻產(chǎn)品設計和制造商必須在選擇與產(chǎn)品一起提供的電纜的質(zhì)量和成本之間取得平衡。

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在評估其他所有保持靜態(tài)的系統(tǒng)中不同電纜的影響時，可以使用幀檢查器來取得良好的效果。系統(tǒng)評估工程師必須首先對沒有CRC錯誤的已知合格電纜進行基準測試。使用幀檢查器，可以自動進行數(shù)千次迭代重復此測試，以確保一致性并將結(jié)果導出到數(shù)據(jù)分析工具。

一旦定義了基準，系統(tǒng)評估工程師就可以替代更便宜或更長的電纜，并重復相同的測試，從而從第一方面評估變更的影響。框架檢查器測試具有自治性，這意味著該活動無需占用寶貴的工程時間，可以在完成其他任務時啟動和運行該活動。一旦測試完成，就可以完成第一級分析，以確定替代電纜是否已將誤碼引入系統(tǒng)。如果未檢測到錯誤，則電纜可能適合進一步分析。

框架檢查器的另一種可能用途是評估在硬件更改最少的情況下擴展產(chǎn)品規(guī)格的影響。典型的調(diào)查如下：視頻產(chǎn)品設計和制造商當前正在使用已知的優(yōu)質(zhì)電纜，該電纜具有系統(tǒng)特征，并提供合理且值得信賴的性能。從電纜接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降到在1080p時略微影響HDMI一致性測試規(guī)范的抖動容限模板的程度，但不會導致ADV7850恢復數(shù)據(jù)時出現(xiàn)任何問題（見圖7）3。使用幀檢查器，可以以自動化的方式將電纜的性能基準化到特定水平—測試可以進行數(shù)千次迭代，并記錄結(jié)果。

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如果在產(chǎn)品更新中將4k×2k（時鐘和數(shù)據(jù)速率為1080p 8位的兩倍）的支持添加到硬件，則可以完成重新驗證電纜的初步工作。使用一種簡單的方法來檢查電纜對4k×2k數(shù)據(jù)的影響，使用合規(guī)性設備會記錄令人擔憂的結(jié)果（參見圖8）。電纜中的損耗現(xiàn)在導致信號的明顯下降。在功能測試中，ADV7850可能仍會恢復數(shù)據(jù)，但是所有數(shù)據(jù)是否仍完整無缺？數(shù)據(jù)中現(xiàn)在是否會存在隨機或一系列間歇性誤碼，這些誤碼會導致觸發(fā)嚴重的系統(tǒng)問題，例如HDCP雪噪聲（如前所述）？

系統(tǒng)評估工程師可以使用ADV7850中的幀檢查器功能在第一程度上確定該問題的答案。CRC結(jié)果可以記錄在數(shù)千個測試中，并與較低分辨率視頻標準下同一根電纜記錄的結(jié)果進行比較。這將使工程師能夠粗略確定規(guī)范的擴展在技術上是否可行。

電源測試

電源是要解決的設計中最重要的方面之一，許多人認為電源是最具挑戰(zhàn)性的方面之一。許多因素會影響電源輸出的質(zhì)量，電源的輸出會影響系統(tǒng)的許多特性。電源通常會在視頻流中引入特定類型的噪聲或抖動：周期性抖動。

設計人員必須選擇采用線性低壓差穩(wěn)壓器（LDO）還是采用開關模式電源（SMPS）。使用什么頻率開關調(diào)節(jié)器，應該使用什么濾波器來抑制任何諧波，使其進入系統(tǒng)；電源平面是單層布線還是多層布線；平面是否可能在相鄰層上重疊；去耦電容器架構(gòu)的實現(xiàn)方式—甚至所選擇的去耦電容器的位置，尺寸和材料；所有這些元素以及更多其他元素都可以產(chǎn)生重大影響。

在評估電源設計更改對電路板的單個修訂版和電路板的多個修訂版之間的影響時，可以使用CRC測試。通過更改系統(tǒng)上使用的去耦電容器的架構(gòu)（例如，值和位置）并在每次更改后運行一系列自動CRC測試，系統(tǒng)評估工程師可以大致確定哪種去耦架構(gòu)有助于實現(xiàn)最穩(wěn)定的系統(tǒng)。 CRC錯誤最少。系統(tǒng)評估工程師還可以通過在原型系統(tǒng)的后續(xù)版本中進行CRC測試來對基準更改進行基準測試，只要沒有進行其他重要的布局和原理圖更改即可。最后，CRC測試可用于訪問系統(tǒng)可能遭受的自然公差中可能發(fā)生的變化所產(chǎn)生的影響，例如，

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熱測試

確認視頻產(chǎn)品在其指定的溫度范圍內(nèi)正常工作是評估的至關重要的階段。視頻產(chǎn)品設計人員和制造商必須確保其產(chǎn)品內(nèi)的環(huán)境溫度不超過芯片供應商的規(guī)格，并確保在產(chǎn)品所要承受的環(huán)境溫度范圍內(nèi)（例如，消費者在0°C至+ 70°C之間）產(chǎn)品或–40°C至+ 85°C / + 105°C的汽車產(chǎn)品），產(chǎn)品的性能是一致且可靠的。

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通常在這種類型的測試中，將原型系統(tǒng)放置在溫度可控的烘箱中，該烘箱可在產(chǎn)品的指定溫度范圍（例如–40°C至+ 85°C）上循環(huán)進行數(shù)千次迭代。然后觀察系統(tǒng)的輸出，以確保在整個溫度，視頻頻率和視頻模式范圍內(nèi)穩(wěn)定。使用CRC測試，可以很容易地自動執(zhí)行此測試，并將其設置為無限期運行。

通過自動控制烤箱，視頻生成器和CRC分析工具，系統(tǒng)評估工程師可以輕松地掃描溫度，更改視頻格式和圖案，同時逐幀監(jiān)視CRC結(jié)果。如果在視頻模式和格式保持不變的情況下沒有發(fā)生任何變化，則測試可以繼續(xù)；否則，可以繼續(xù)進行測試。如果在視頻模式和格式不變的情況下CRC發(fā)生變化，則應記錄環(huán)境變量（例如，溫度，視頻格式和視頻模式），然后可以繼續(xù)進行測試。可以輕松地將這種類型的測試設置為通宵運行或在周末運行，結(jié)果是無人完成了數(shù)百小時的魯棒性測試。

軟件配置變更

現(xiàn)代半導體器件的某些方面需要根據(jù)其所集成的原型系統(tǒng)進行調(diào)整，例如，可能需要調(diào)整時鐘和數(shù)據(jù)關系以適應特別長或短的信號路徑。在這種情況下，可以使用CRC測試來幫助調(diào)整可用的控制（例如，均衡器設置，PLL設置，時鐘和數(shù)據(jù)相位關系），以提供盡可能穩(wěn)定的系統(tǒng)。

制造階段

當視頻產(chǎn)品設計和制造商需要通過檢查其最終產(chǎn)品的全部或橫截面來驗證其制造過程的一致性和正確性時，CRC是一種可用于評估某些連接器正確焊接的工具（例如， HDMI）以及外部無源和有源設備（例如，HDMI ESD設備）。

CRC可以通過多種方式用于行尾測試。CRC可以在視頻產(chǎn)品本身中實現(xiàn)，也可以在分立的獨立線路終端測試設備中實現(xiàn)CRC（請參見圖11）。在不包含ADV7850的視頻產(chǎn)品中實現(xiàn)CRC可能需要在視頻信號鏈中包含支持傳遞CRC能力的FPGA或微控制器半導體解決方案。

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在分立的獨立終端測試設備中實施CRC可以降低視頻產(chǎn)品的BOM成本，但需要在獨立設備上進行投資。但是，它確實提供了能夠測試整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的好處-嵌入到視頻信號鏈中的CRC測試解決方案所提供的覆蓋范圍取決于該測試解決方案在信號鏈中的位置。位于信號鏈起點附近的CRC測試可能會提供低到中等的覆蓋范圍；位于信號鏈末端附近的CRC測試可能會提供中等到高水平的覆蓋范圍。

然后，制造質(zhì)量控制可以根據(jù)在設備上執(zhí)行的CRC測試的結(jié)果來確定接受和拒絕的標準；將失敗的單元發(fā)回進行調(diào)試（該過程也可能涉及CRC測試），并將通過的單元繼續(xù)發(fā)送給包裝和運輸。

結(jié)論

CRC測試是工程師在系統(tǒng)開發(fā)，制造和調(diào)試測試方法中所使用的強大工具。盡管它無法量化出由于某種問題（例如誤碼率測試）而導致系統(tǒng)降級的確切程度，但它有助于實現(xiàn)大量基本評估任務的自動化，并且可以幫助捕獲那些偶爾進行視覺檢查的誤碼只是不抓。由于它可以在任何靜態(tài)模式下運行，因此它也非常靈活-無需事先知道該模式，并且使用ADV7850，可以輕松實現(xiàn)CRC測試。