摘要

自動化和識別復雜視頻信號鏈中小型工程變更的影響可能是一項費力不討好的工作。評估低成本數字視頻電纜是否會降低系統性能，電源調整是否增加了系統的抖動容限，或者備用PLL配置是否提供了更高的電源噪聲抗擾度，這些都是當今設計和生產工程師面臨的典型挑戰視頻產品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助此類活動，但這些工具通常會占用大量資本預算，需要時間進行設置，需要培訓才能正常運行，以及提供難以解釋的結果。一個簡單的錯誤檢測算法，如循環冗余校驗（CRC）可以作為一個粗略但有效的工具，在使用更復雜和昂貴的評估工具完善系統投入大量資金之前 - 特別是在自動化，上市時間和成本是重要的考慮因素。

數字視頻系統

近年來，針對消費者，專業和汽車應用的數字視頻傳輸媒體的激增引發了許多視頻焦點的變化產品設計和制造商。實現卓越模擬性能的要求已經趨于穩定，并且已經取代了實現盡可能高的數字數據速率的需求。這些傳輸介質包括DVI，HDMI ?，LVDS ?，MHL ?和APIX ?。

HDMI的增長一直是此次競爭中提高數據速率的主要動力之一。從一開始，支持高達1.65 GHz的視頻傳輸便于傳輸1080p視頻（1920像素×1080線）和8位色深 - 視頻格式提供超過10倍模擬NTSC視頻的視頻分辨率。近年來HDMI規范的進一步發展已經看到支持的最大視頻分辨率的數據速率延伸到2.25 GHz到3 GHz，并且在未來的規范修訂版中卡片的可能性進一步增加（見圖1）。

HDMI 1.4a中指定的ultraHD 3 GHz最大視頻分辨率（4k×2k，24 Hz，25 Hz或30 Hz）可在家庭娛樂系統中實現影院風格的清晰度。單幀4k×2k數據由4096個像素和2160行組成，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傳輸或接收超過800萬像素的活動視頻數據。毫無疑問。

隨著鏈路上傳輸的數據量的增加，每個比特傳輸的周期縮短，鏈路上發生比特錯誤的可能性也會增加。發生一系列誤碼時會發生什么？可能是在有效視頻區域期間發生比特錯誤的情況，這導致一些像素被錯誤地顯示。然而，如果在HDMI流中的控制周期期間發生那一系列比特錯誤，則可能擾亂同步數據;這可能會導致屏幕上出現干擾，例如水平或垂直條紋或圖像閃光。當結合HDMI規范 - 高清內容保護（HDCP）采用的數據加密協議時，這種風險更加復雜。

HDCP用于保護高價值視頻內容，因為它通過視頻鏈接傳輸，防止在源設備（DVD播放器或機頂盒）和接收器之間傳輸時非法復制電影和電視內容設備（如電視）。在源設備和宿設備之間建立HDCP鏈路所涉及的時間可以從不到一秒到幾秒不等。建立HDCP鏈接后，圖片在接收設備上可見。通過每隔幾秒或者之后一定數量的視頻幀在傳感器和源設備之間傳送鏈路完整性檢查來維護鏈路。如果上述一系列比特錯誤導致圖像閃爍，觸發需要重新建立的認證鏈路，用戶可能會看到雪噪聲 - HDCP認證失敗的指示 - 在屏幕上（如圖2所示）。然后可能需要幾秒鐘才能重新建立經過身份驗證的鏈接，并使圖片返回 - 導致用戶受挫和現場返回。

現代視頻信號鏈通常包含許多不同的設備。例如，音頻視頻接收器（AVR）的材料清單可以包括HDMI緩沖器，HDMI多路復用器，HDMI和模擬視頻接收器，HDMI發送器和集成縮放，去隔行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，這些設備通常可以來自各種半導體供應商。開發包含所有這些設備并支持具有如此高數據速率的視頻格式的可靠視頻信號鏈正成為視頻產品設計和制造商面臨的重大挑戰。電纜質量，電源設計，信號完整性，PCB質量和硅設置需要處于絕對最佳狀態，才能成功支持此類視頻格式。但視頻產品設計制造商如何輕松評估調整對任何此類系統元素的影響？

循環冗余校驗

循環冗余校驗（CRC）是一種冗余校驗，由韋斯利帕特森于1961年發明。 1 它可用于檢測數字數據中的錯誤，主要用于數據傳輸系統;例如，32位CRC用于通過以太網傳輸數據。 CRC只能檢測數字數據中的錯誤;一旦檢測到它就無法糾正它們。此功能僅限于更復雜的算法，如糾錯碼（ECC）或前向糾錯（FEC），CRC無法識別接收數據中的錯誤數。

存在許多不同的CRC實現，但同樣的基本前提仍然存在;數據發送器在發送數據之前計算并附加多個校驗位（通常稱為校驗和）。這通常通過將要傳輸的數據除以固定的二進制數來實現;然后，該部門的其余部分形成校驗和。接收器可以使用發送器側計算的倒數來確定校驗位是否與數據一致。如果在接收器側計算的校驗和與發送器側計算的校驗和不匹配，則接收器可以斷定數據傳輸中發生錯誤并請求重傳數據。

視頻信號鏈不能模仿先前概述的典型數據發送器和接收器對。然而，在視頻信號鏈中，鏈路是單向的，因此視頻接收器（例如電視）不可能請求視頻源（例如藍光播放器）重新發送錯誤接收的數據幀。為了解釋這種不對稱性，CRC必須以稍微不同的方式實現。鑒于已經概述的限制，視頻信號鏈中用于執行分析的明顯位置在視頻接收器中。視頻接收器可以將CRC應用于后續輸入視頻數據幀，唯一需要注意的是輸入視頻數據的內容必須是靜態的 - 例如，SMPTE視頻測試模式或DVD播放器菜單屏幕。

< p>使用已知多項式（例如，x 16 + x 12 + x 5 + 1）構造CRC作為除數，所選幀的視頻數據或幀數作為分子，余數作為測試視頻數據是否已改變的手段。已知的多項式永遠不會改變;如果輸入視頻沒有改變（即沒有位錯誤的靜態模式），則余數應始終保持不變（見公式1）。

如果后續幀的余數保持不變，那么幀是相同的，并且系統在可稱為“最佳位置”的位置運行;硬件和軟件設置的組合，可產生最佳的系統性能。如果后續幀的校驗和不匹配，則幀不同，系統需要進行優化。

CRC：替代方案

誤碼率測試是一個有趣的替代方案CRC測試的主要好處在于它可以幫助量化數據受損的程度。誤碼率測試需要將參考模式輸入系統;與參考模式相比較，分析系統的輸出，并且差異的數量給出了已經發生的比特錯誤的數量的指示。如果輸出模式與參考模式完全匹配，則不會發生誤碼，系統正在其最佳位置執行;如果輸出模式與參考模式不同，差異的數量可以提供數據受損程度的一些指示。

雖然誤碼率測試是一個非常強大的工具，但輸入要求并且能夠根據已知模式分析輸出也是其局限之一。對提供量化數據降級水平的能力的參考模式的需求顯著降低了其靈活性。誤碼率測試只能應用于已知模式; CRC可以應用于任何靜態數據模式，這意味著它可以在各種情況下即時使用。這些情況包括原型系統的開發和評估，產品的最終測試以及客戶問題回報的現場調試。

ADV7850

ADV7850是ADI首款面向消費者和專業音頻/視頻市場的完整AV前端設備。該器件采用4輸入HDMI接收器，支持高達4k×2k，30 Hz的視頻分辨率;視頻和圖形數字化儀，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還集成了一個采用CRC的幀檢測器。幀檢查器位于ADV7850輸出之前，朝向ADV7850信號鏈的末端（參見圖3），允許檢查HDMI輸入的整個視頻路徑。此功能不適用于模擬輸入，因為模數轉換器（ADC）引入的最低有效位（LSB）錯誤可以在高達170 MHz的頻率下運行。

ADV7850中的幀校驗器，利用CRC-16-CCITT多項式（x 16 + x 12 + x 5 +1），設計分析用戶可配置的幀數，并通過單個I 2 C位啟用。 2 啟用后，幀檢查器計算每個用戶可配置的校驗和通過分析每個視頻通道上的每個數據像素，幀數（最多255個）;綠色，紅色和藍色（范圍從300,000像素，480p到8,000,000像素，4k×2k）。要分析的幀數通過I 2 C控制配置。

當幀檢查器完成其分析時，它會報告一組結果每個通道（HDMI通過紅色，綠色和藍色通道傳輸數據）通過I 2 C。如已經針對靜態輸入所概述的，執行CRC的多次迭代應該提供一致的結果：兩個幀之間的單個像素差異（高達16,000,000個像素的數據）將導致不同的校驗和結果。無論像素差異是由于源上的噪聲，傳輸介質中間歇性引起的噪聲，還是由于ADV7850的錯誤配置引起的，都會顯示錯誤。然后，系統設計人員可以優化系統并重復測試。

CRC的階段

幀檢查器的功能都很好但是在現實世界中應用這些功能可以實現真正的價值。 ADV7850的幀檢查器可以在視頻產品的整個開發周期內以及制造周期中使用。

開發階段

可以在開發階段的許多方面使用CRC。視頻產品，有助于自動化測試，評估視頻信號鏈的性能，評估熱測試對系統的影響，電源測試期間，甚至在電纜選擇期間，如果要為產品提供電纜。< / p>

符合性測試

在視頻產品可以作為HDMI兼容銷售并帶有HDMI徽標之前，產品必須在獲得官方許可的HDMI認證測試中心（ATC）進行一系列嚴格測試）。這些測試可確保產品滿足HDMI一致性測試規范（CTS）中規定的所有要求，該規范與主HDMI規范結合使用。作為這套測試的一部分進行的最艱難的測試之一是分析視頻接收器在時鐘和數據通道上的抖動程度。

如果沒有在官方測試中指定的設備內部訪問，視頻產品設計人員和制造商經常發送他們的原型系統以進行昂貴的預合規檢查，那么滿足此測試中列出的標準通常具有挑戰性。 / p>

如果指定的設備不可用，ADV7850中的幀檢查器可用作預先合規測試的早期迭代的低成本替代品。幀檢查器可以深入了解接收器是否正確接收和解碼HDMI數據（可能影響此范圍的因素，從正確的配置寫入是否被用于電源設計），并允許工程師自動執行此類測試。如果指定的設備可用，仍然可以使用幀檢查器，因為它提供了對接收器是否正確接收和解碼數據標記隨機錯誤的明確見解。這種級別的分析超出了CTS的要求，只需要進行目視檢查。

HDMI電纜選擇

許多視頻產品設計人員和制造商，尤其是專業音頻/視頻市場，依靠HDMI線纜在系統組件之間路由視頻。 HDMI電纜使用19個信號載波構成; HDMI規范概述了五種不同類別的HDMI電纜，用于不同的速度等級。

電纜可以通過各種方式影響通過它們的信號。由于帶寬有限，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開度。眼圖開口也可能因符號間干擾（ISI）抖動而降級。主要由阻抗不匹配引起，ISI抖動通常會降低信號的水平眼圖開度。符號的這種“模糊”使得接收器更難以解碼和解釋數據。

例如，在視頻會議系統中，視頻可以從一個房間從中央控制臺路由到多個監視器或投影儀通過一系列長達30米的HDMI電纜（見圖6）。然而，這種長度的HDMI電纜可能是系統成本的重要組成部分，價格從數十美元到數百美元不等。視頻產品設計人員和制造商可能會選擇評估來自低，中，高成本供應商的電纜。電纜供應商通常可以通過這些電纜的質量來證明他們制造的電纜的成本;但是，視頻產品設計和制造商必須平衡他們選擇為其產品供應的電纜的質量和成本。

在評估影響時，可以使用框架檢查器來達到良好的效果系統中不同的電纜，其他一切都保持靜止。系統評估工程師必須首先對已知的CRC無錯誤的電纜進行基準測試。使用框架檢查器，該測試可以自動重復數千次迭代，以確保一致性，并將結果導出到數據分析工具。

一旦定義了基準，系統評估工程師就可以用更便宜或更長的電纜替代，并重復相同的測試，在第一個程度上評估變化的影響。框架檢查器測試的自主特性意味著此活動不需要占用寶貴的工程時間 - 它可以在其他任務完成時啟動并保持運行。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。如果沒有檢測到錯誤，那么電纜可能適合進一步分析。

框架檢查器的另一個可能用途是評估擴展產品規格的影響，只需最少的硬件更改。典型的調查如下：視頻產品設計和制造商目前正在使用已知良好的電纜，該電纜已經被系統表征并提供合理且可信賴的性能水平。從電纜接收的數據降級到它在1080p上輕微撞擊HDMI一致性測試規格抖動容限模板的程度，但不會導致ADV7850在恢復數據時出現任何問題（參見圖7）< SUP> 3 。使用框架檢查器，可以以自動方式將電纜的性能基準測試到一定水平 - 測試可以在數千次迭代中運行并記錄結果。

如果，在產品刷新，支持4k×2k（雙倍時鐘和1080p 8位數據速率）添加到硬件，可以完成重新驗證電纜的初始工作。使用簡單的方法檢查電纜對4k×2k數據的影響，使用合規設備記錄令人擔憂的結果（見圖8）。電纜中的損耗現在導致信號的顯著降級。在功能測試中，ADV7850仍然可以恢復數據，但所有數據仍然完好無損嗎？是否存在隨機或一系列間歇性誤碼，這些誤差可能導致觸發嚴重的系統問題，如HDCP雪噪聲（如前所述），現在數據中是否存在？

系統評估工程師可以使用ADV7850中的幀檢查器功能確定第一個問題的答案。 CRC結果可記錄在數千次測試中，并與較低分辨率視頻標準下相同電纜的記錄結果進行比較。這將允許工程師粗略確定規范的擴展是否在技術上可行。

電源測試

電源是設計中最重要的一個方面。被解決，并被許多人認為是最具挑戰性的之一。許多因素會影響電源輸出的質量，電源的輸出會影響系統的許多特性。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。

設計人員必須選擇是采用線性壓差穩壓器（LDO）還是開關模式電源（SMPS）;使用什么頻率開關調節器以及應采用什么濾波器來抑制任何諧波進入系統;電源平面是在單層還是多層上布線;平面是否有可能在相鄰層上重疊;如何實現去耦電容器架構 - 甚至選擇去耦電容器的位置，尺寸和材料;所有這些因素以及更多因素都可以產生重大影響。

在評估電源設計變更對電路板的單個版本和電路板的多個版本之間的影響時，可以使用CRC測試。通過改變系統上采用的去耦電容的架構（例如，值和位置）并在每次更改后運行一系列自動CRC測試，系統評估工程師可以粗略地對哪個去耦架構進行基準測試，以幫助實現最穩定的系統CRC錯誤最少。系統評估工程師還可以通過對原型系統進行CRC測試來對原型系統后續版本中的更改進行基準測試，只要沒有進行其他重要的布局和原理圖更改。最后，CRC測試可用于獲取系統可能遇到的自然容差中可能發生的變化的影響 - 例如，通過電源組件的容差來調整電源電壓水平。

熱測試

確認視頻產品在指定的溫度范圍內正常運行是一個至關重要的評估階段。視頻產品設計人員和制造商必須確保其產品中的環境溫度不超過芯片供應商的規格，并確保產品的環境溫度范圍（例如，消費者的0°C至+ 70°C）產品或-40°C至+ 85°C / + 105°C（汽車產品），產品性能一致且可靠。

通常在此類測試中，原型系統放置在溫度控制的烘箱中，可以在產品指定的溫度范圍內循環 - 例如，-40°C至+ 85°C - 進行數千次迭代。然后觀察系統的輸出，以確保它在整個溫度范圍，視頻頻率和視頻模式下都是穩定的。使用CRC測試可以很容易地自動化測試，并設置為無限期運行。

通過自動控制烤箱，視頻發生器和CRC分析工具，系統評估工程師可以輕松掃描溫度，更改視頻格式和模式，同時監控視頻數據的逐幀CRC結果。如果視頻模式和格式保持不變時沒有發生變化，則測試可以繼續;如果在視頻模式和格式不變時發生CRC的變化，則應記錄環境變量（例如，溫度，視頻格式和視頻模式），并且測試可以繼續。這種類型的測試可以很容易地設置為在一夜之間或周末運行，結果是無人完成數百小時的穩健性測試。

軟件配置更改

某些方面現代半導體器件需要根據其所包含的原型系統進行調諧 - 例如，可能需要調整時鐘和數據關系以適應特別長或短的信號路徑。在這種情況下可以采用CRC測試來幫助調整可用的控制 - 例如，均衡器設置，PLL設置，時鐘和數據相位關系 - 以提供最穩定的系統。

制造階段

當視頻產品設計和制造商需要通過檢查其成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是一種可用于測量正確焊接的工具某些連接器（例如，HDMI）和外部無源和有源設備（例如，HDMI ESD設備）。

CRC可以多種方式用于生產線末端測試; CRC可以在視頻產品本身中實現，或者CRC可以在獨立的獨立終端測試設備中實現（參見圖11）。在不包含ADV7850的視頻產品中實現CRC可能需要在視頻信號鏈中包含FPGA或微控制器半導體解決方案，以支持提供CRC的能力。

實施獨立的獨立終端測試設備中的CRC可以降低視頻產品的BOM成本，但需要在獨立設備上進行投資。然而，它確實能夠測試整個系統的穩定性 - 嵌入視頻信號鏈的CRC測試解決方案提供的覆蓋范圍取決于該測試解決方案的信號鏈中的位置。位于信號鏈起點附近的CRC測試可提供低至中等水平的覆蓋;位于信號鏈末端附近的CRC測試可以提供中等到高水平的覆蓋范圍。

然后，制造質量控制可以根據在CRC上進行的CRC測試結果確定接受和拒絕標準。單元;發送故障單元進行調試（一個也可能涉及CRC測試的過程）并將通過單元發送到包裝和運輸。

結論

CRC測試是工程師在系統開發，制造和調試測試方法方面的強大工具。雖然它無法量化系統因某些問題（例如誤碼率測試）而降級的確切程度，但它有助于大量基本評估任務的自動化，并有助于捕獲那些偶然的視覺檢查誤碼只是不要抓住。它也非常靈活，因為它可以在任何靜態模式上運行 - 不需要事先知道模式，并且使用ADV7850，可以輕松實現CRC測試。