[[alternative]]Study of electromagnetic interference of HDMI signal for 4K2K ultra resolution

碩士[[abstract]]現今社會逐漸重視電磁波干擾的形成與對人體上的危害及影響等問題，本文主要研究現今影音通訊上廣泛使用的HDMI介面在超高解析度(Ultra –High- Definition 4K2K resolution)對於在EMI電磁波輻射干擾(Electromagnetic Interference，EMI)抑制之最佳成效。 本論文使用標準的EMI實驗室與量測設備，透過實際量測與分析，進而了解HDMI介面在30MHZ ~ 1GHZ的數值是否符合國際法規的要求。目前市面上消費筆記型個人電腦(Note Book PC)的CPU標準輸出為HDMI1.4規格，因為要符合現今市面4K2K超高解析度的顯示器裝置，所以加入一顆Repeater晶片轉換成符合4K2K超高解析度的HDMI介面訊號。 本文將針對印刷電路板上顯示晶片擺放距離、不同的雜訊抑制元件、訊號線路佈線設計等方法，藉由模擬及實際量測HDMI介面訊號在超高解析度時的電磁波輻射，實驗如何抑制其本身電磁波干擾但又不會衰減訊號完整度。並與標準認證實驗室量測出的測試結果做比較，尋求最佳化的設計。[[abstract]]People are paying more and more attention on the radio radiation endangers human body. Interface of HDMI are now in widespread use for Ultra –High- Definition 4K2K resolution. As we know the higher speed or the higher resolution could make more noise. So our objective is hoping to find out the better EMI design for interface of HDMI for 4K2K resolution. In this research, we are using the qualified LAB, equipments and methods to do this analysis. By this research, we hope to find out the better design of interface of HDMI for 4K2K resolution and meet standard. Due to CPU output signal is HMDI 1.4 in Notebook PC nowadays. Vendors will use a PARADE PS-8407 repeater to transformer the HDMI signal to 4K2K signal. We will study a method how to not only reduce radio radiation but keep HDMI signal completely. Our measure or simulation method will depends on the chipset location on PCB, various common chokes, layout design of HDMI signal to get difference results. Then we could get the best design by compare these methods[[tableofcontents]]目 錄 中文摘要 .Ⅰ 英文摘要 .Ⅱ 目錄 .Ⅲ 表目錄 Ⅷ 圖目錄 Ⅸ 第一章 緒論 1 1.1研究動機 1 1.2問題陳述 2 1.3研究架構 4 第二章 研究方法與內容 5 2.1 特性分析 5 2.1.1 HDMI介面簡介 5 2.1.2 HDMI解析度規格 8 2.1.3差動訊號 9 2.1.4 TMDS與LVDS差異性 11 2.1.5眼圖量測與介紹 11 2.1.6 4K2K去除訊號抖動晶片介紹 13 2.2 HDMI訊號PCB佈線準則 16 2.2.1 三倍線寬法則 16 2.2.2 TMDS訊號等長及緊鄰 18 2.2.3 電路板導孔介紹 19 2.2.4 多層板堆疊與介紹 20 2.2.5 Connector端佈線 22 2.3 應用於差動訊號的EMI對策 23 2.3.1 共模濾波器 23 2.3.2 阻抗匹配 25 2.3.3 去耦合電容 27 2.3.4 Keysight ADS 模擬軟體分析介紹 27 2.4 電磁輻射干擾與環境28 2.4.1 電磁環境 28 2.4.2 電磁輻射與訊號完整度的關係 29 2.5 EMC電磁相容與法規介紹 30 2.5.1電磁相容法規測試項目 31 2.5.2 電磁相容與各國法規介紹. 33 2.5.3 電磁輻射測試環境介紹. 34 第三章 實驗方法與環境 37 3.1實驗架構 38 3.2實驗方式 39 3.2.1 電路板上初始狀態. 39 3.2.2 對策一、使用共模濾波器對訊號的影響. 40 3.2.3 對策二、訊號線加上終端並聯電阻 41 3.2.4 對策三、re-driver擺放位置及佈局的影響. 42 3.3量測方法 43 3.3.1實驗一 近場頻譜分析儀量測 44 3.3.2 實驗二 訊號眼圖量測 45 3.3.3 實驗三 Keysight ADS模擬軟體分析 46 3.3.4 實驗四 Radiation 3米電波暗室量測 47 3.4 儀器介紹 48 3.4.1頻譜分析儀(Agilent E4402B) 規格 48 3.4.2數位取樣示波器(Tektronix DSA 71604C) 49 第四章 測試數據及結果分析 50 4.1 HDMI走線電磁近場量測數據 51 4.2 HDMI 走線眼圖訊號量測 60 4.3模擬不同訊號長度之眼圖數據 65 4.3.1無貫穿孔走線 66 4.3.2一個貫穿孔走線 67 4.3.3二個貫穿孔走線 69 4.4三米電波案是測試數據 71 4.4.1初始狀態量測數據. 72 4.4.2 對策一量測數據 73 4.4.3 對策二量測數據 74 4.4.4 對策三量測數據 75 第五章 結論與建議 76 5.1 結論 76 5.2 建議 77 參考文獻 78 表目錄 表2.1 HDMI各版本規格 9 表2.2抖動的原因 15 表4.1電磁輻射近場量測表 51 表4.2眼圖訊號量測表 60 表4.3模擬不同線長的眼圖結果 65 表4.4電波暗室測試數據 71 表4.5 EMI測試結果 71 表5.1有效對策成本比較表 76 圖目錄 圖1. 1 4K2K解析度時的工作頻率 2 圖1. 2 HDMI訊號 EMI 雜訊頻率 3 圖2. 1 HDMI Type A尺寸圖 5 圖2. 2 HDMI腳位定義圖 6 圖2. 3 TMDS訊號工作圖 7 圖2. 4 差動訊號傳送方式 10 圖2. 5眼圖抖動及電壓雜訊示意圖 11 圖2. 6 眼圖高度及寬度示意圖 12 圖2. 7 相位抖動(上)與抖動幅度(下) 14 圖2. 8 運用於印刷電路板上之3W-Rule示意圖 16 圖2. 9 3W之設計原則示意圖 17 圖2. 11 差分訊號需緊鄰且等長 18 圖2. 12 盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和貫穿導孔(through via) 19 圖2. 13 六層板堆疊示意圖 21 圖2. 14 八層板堆疊示意圖 21 圖2. 15 斜切式彎曲佈線 22 圖2. 16共模扼流線 23 圖2. 17 共模雜訊示意圖 24 圖2. 18 實際線路使用並聯電阻控制阻抗匹配 26 圖2. 19 EMI問題點探討示意圖 28 圖2. 20 各國EMI的法規 33 圖2. 21 Radiation 測試場地圖 35 圖2. 22 EMI場地示意圖 36 圖3. 1 PCB線路初始狀態 39 圖3. 2 實際PCB板PCB線路增加Common mode choke 40 圖3. 3 Layout線路增加Common mode choke 40 圖3. 4 實際PCB板PCB線路增加Parallel resistance 41 圖3. 5 Layout線路增加Parallel resistance 41 圖3. 6原始TMDS線路走線距離 42 圖3. 7 縮短TMDS線路走線距離 42 圖3. 8 顯示輸出解析度3840*2160 43 圖3. 9 近場量測照 44 圖3. 10 量測訊號眼圖 45 圖3. 11 Keysight ADS 模擬軟體 46 圖3. 12 3m量測場地 47 圖3. 13 3m量測設備 47 圖3. 14 Agilent E4402B頻譜分析儀 48 圖3. 15 Tektronix DSA 71604C數位取樣示波器 49 圖4. 1 電磁輻射分佈圖 51 圖4. 2 TX0電磁強度: 57.9dBµV 52 圖4. 3 TX1電磁強度: 61.1dBµV 52 圖4. 4電磁強度: 63.16dBµV 53 圖4. 5 TXC電磁強度: 56.58dBµV 53 圖4. 6 TX0電磁強度: 56.22dBµV 54 圖4. 7 TX1電磁強度: 56.34dBµV 54 圖4. 8 TX2電磁強度: 57.79dBµV 55 圖4. 9 TXC電磁強度: 54.59dBµV 55 圖4. 10電磁強度: 56.33dBµV 56 圖4. 11 TX1電磁強度: 54.8dBµV 56 圖4. 12電磁強度: 54.15dBµV 57 圖4. 13 TXC電磁強度: 52.25dBµV 57 圖4. 14 TX0電磁強度: 53.28dBµV 58 圖4. 15 TX1電磁強度: 51.75dBµV 58 圖4. 16 TX2電磁強度: 51.93dBµV 59 圖4. 17 TXC電磁強度: 52.21dBµV 59 圖4. 18 TX0訊號眼圖 61 圖4. 19 TX1訊號眼圖 61 圖4. 20 TX2訊號眼圖 61 圖4. 21 TX0訊號眼圖 62 圖4. 22 TX1訊號眼圖 62 圖4. 23 TX2訊號眼圖 62 圖4. 24 TX0訊號眼圖 63 圖4. 25 TX1訊號眼圖 63 圖4. 26 TX2訊號眼圖 63 圖4. 27 TX0訊號眼圖 64 圖4. 28 TX1訊號眼圖 64 圖4. 29 TX2訊號眼圖 64 圖4. 30 模擬trance length 500mils 66 圖4. 31 模擬trance length 1000mils 66 圖4. 32 trance length 2500mils 67 圖4. 33 模擬1 Via trance length 500mils 67 圖4. 34 模擬1Via trance length 1000mils 68 圖4. 35 模擬1Via trance length 2500mils 68 圖4. 36 模擬2Via trance length 500mils 69 圖4. 37 模擬2Via trance length 1000mils 69 圖4. 38 模擬2Via trance length 2500mils 70 圖4. 39 初始890MHz 垂直天線測試圖 72 圖4. 40 初始890MHz 水平天線測試圖 72 圖4. 41 對策一 890MHz 垂直天線測試圖 73 圖4. 42 對策一 890MHz 水平天線測試圖 73 圖4. 43 對策二 890MHz 垂直天線測試圖 74 圖4. 44 對策二 890MHz 水平天線測試圖 74 圖4. 45 對策三 890MHz 垂直天線測試圖 75 圖4. 46 對策三 890MHz 水平天線測試圖 75[[note]]學號: 703440049, 學年度: 10