MAX9291/MAX9293：3.12Gbps GMSL 串行器的深度剖析與應(yīng)用指南

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠的信號處理至關(guān)重要。MAX9291/MAX9293 3.12Gbps GMSL 串行器以其卓越的性能，為高清視頻傳輸、音頻處理和控制信號傳輸提供了理想的解決方案。下面，我們將深入探討這兩款串行器的特性、工作原理及應(yīng)用場景。

文件下載：MAX9291.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX9291/MAX9293 串行器能夠?qū)?HDMI 輸入轉(zhuǎn)換為千兆多媒體串行鏈路（GMSL）輸出，可通過 15 米或更長的 50Ω 同軸電纜或 100Ω 屏蔽雙絞線（STP）電纜傳輸視頻、音頻和控制信號。其中，MAX9293 具備 HDCP 內(nèi)容保護功能，而 MAX9291 則不具備此功能。這兩款串行器可與任何支持同軸輸入的 GMSL 解串器配對使用，在編程為 STP 輸出時，還能與任何 GMSL 解串器實現(xiàn)向后兼容。其輸出幅度可在 100mV 至 500mV 單端（同軸）或 100mV 至 400mV 差分（STP）范圍內(nèi)進行編程。

二、關(guān)鍵特性

（一）高清視頻應(yīng)用的理想選擇

• HDMI 1.4a 輸入：集成輸入均衡器、DDC 和輸入終端，確保高質(zhì)量的視頻輸入。
• 低損耗傳輸：能夠驅(qū)動低成本的 50Ω 同軸電纜和 FAKRA 連接器，或 100Ω STP 電纜，有效降低傳輸成本。
• 高帶寬模式：支持 1920 x 720p/60Hz 顯示，24 位色彩，滿足高清視頻顯示需求。
• 長距離傳輸：通過串行器的預(yù)加重/去加重功能，可在全速下實現(xiàn) 15 米的電纜傳輸。
• 高清音頻支持：支持高達 192kHz 的采樣率和 32 位采樣深度，可實現(xiàn) 7.1 聲道高清音頻傳輸。

（二）系統(tǒng)靈活性的多數(shù)據(jù)速率

• 高速串行位速率：最高可達 3.12Gbps 的串行位速率，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求。
• 靈活的像素時鐘：像素時鐘范圍為 25MHz 至 104MHz，可根據(jù)不同應(yīng)用場景進行調(diào)整。
• 多樣的控制通道模式：控制通道支持 9.6kbps 至 1Mbps 的 UART、混合 UART/I2C 或 I2C 模式，且具備時鐘拉伸能力，提高系統(tǒng)的靈活性。

（三）降低 EMI 和屏蔽要求

• 可編程輸出幅度：串行輸出可在 100mV 至 500mV 單端或 100mV 至 400mV 差分范圍內(nèi)進行編程，有效降低 EMI。
• 可編程擴頻：通過可編程擴頻功能，進一步降低 EMI，同時可跟蹤輸入的擴頻信號。
• 高抗干擾模式：具備高抗干擾模式，可最大程度地抑制控制通道的噪聲。

（四）系統(tǒng)上電和驗證的外設(shè)特性

• 內(nèi)置 PRBS 發(fā)生器：用于串行鏈路的誤碼率測試，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/li>
• 可編程設(shè)備地址：提供 9 種默認設(shè)備地址的可編程選擇，方便系統(tǒng)配置。
• 專用 GPO 輸出：用于觸摸屏中斷和其他用途，實現(xiàn)遠程設(shè)備的控制。
• 遠程/本地喚醒功能：支持從睡眠模式中遠程或本地喚醒，降低系統(tǒng)功耗。

（五）滿足嚴格的汽車和工業(yè)要求

• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 -40°C 至 +105°C，適用于各種惡劣環(huán)境。
• ESD 保護：具備 ±8kV 接觸和 ±15kV 空氣的 ISO 10605 和 IEC 61000 - 4 - 2 ESD 保護，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

三、工作原理

（一）寄存器映射

寄存器用于設(shè)置串行器的工作條件，可通過控制通道在基本模式下進行編程。MAX9291/MAX9293 擁有自身的設(shè)備地址以及與之配對的解串器的設(shè)備地址。在更改設(shè)備地址時，需確保將新地址同時寫入兩個設(shè)備。默認的解串器設(shè)備地址由 ADD[1:0] 輸入設(shè)置，寄存器 0x00 和 0x01 存儲設(shè)備地址。

（二）GMSL 輸入位映射

輸入位寬度取決于總線寬度（BWS）引腳的設(shè)置。在高帶寬模式（BWS = 中）和 32 位模式（BWS = 高）下，不同信號的輸入引腳/位位置有所不同。例如，R[5:0]、G[5:0]、B[5:0] 等信號在兩種模式下均被使用。

（三）串行鏈路信令和數(shù)據(jù)格式

串行器采用差分 CML 信令驅(qū)動雙絞線電纜，采用單端 CML 驅(qū)動同軸電纜，并具備可編程的預(yù)加重/去加重和交流耦合功能。解串器則采用交流耦合和可編程通道均衡。輸入數(shù)據(jù)先進行加擾處理，然后進行 8b/10b 編碼（高帶寬模式下為 9b/10b 編碼）。解串器恢復(fù)嵌入式串行時鐘，對數(shù)據(jù)進行采樣、解碼和解擾。在 32 位模式下，前 29 位包含視頻數(shù)據(jù)；在高帶寬模式下，前 24 位包含視頻數(shù)據(jù)或特殊控制信號包，最后 3 位包含嵌入式音頻通道、嵌入式前向控制通道和串行字的奇偶校驗位。

（四）數(shù)據(jù)速率選擇

RXC 時鐘頻率需 ≥ 25MHz，可通過設(shè)置 DRS 位和 BWS 輸入，根據(jù) HDMI 輸出頻率范圍選擇合適的數(shù)據(jù)速率。當(dāng) DRS = 0 時，選擇高數(shù)據(jù)速率輸出頻率范圍；當(dāng) DRS = 1 時，選擇低數(shù)據(jù)速率 RXC 頻率范圍。

（五）高帶寬模式

每個串行器采用 27 位高帶寬模式，支持 104MHz 像素時鐘下的 24 位 RGB 信號。在高帶寬模式下，串行器將 HS、VS、DE 和 CNTL[3:0] 編碼為特殊數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包在 HS、VS、DE 信號的上升沿之前和下降沿之后替換像素進行發(fā)送。默認情況下，當(dāng) DE 為低電平時，CNTL[3:0] 會持續(xù)采樣；當(dāng) DE 為高電平時，CNTL[3:0] 僅在 HS/VS 轉(zhuǎn)換時采樣。若不需要 DE 觸發(fā)編碼數(shù)據(jù)包，可通過設(shè)置串行器的 DISDETRIG = 0 和 CNTLTRIG 位來改變 CNTL 觸發(fā)行為。當(dāng) DE 不具有周期性時，需在解串器上設(shè)置 DETREN = 0。

（六）音頻通道

音頻通道支持 8kHz 至 192kHz 的音頻采樣率和 8 位至 32 位（2 通道 I2S）或 64 至 256 位（TDM64 至 TDM256）的音頻字長。音頻位時鐘（SCK）無需與 RXC 同步，串行器會自動將音頻數(shù)據(jù)編碼為與 RXC 同步的單比特流。解串器對音頻流進行解碼，并將音頻字存儲在 FIFO 中。音頻速率檢測使用內(nèi)部振蕩器持續(xù)確定音頻數(shù)據(jù)速率，并以 I2S 格式輸出音頻。音頻通道默認啟用，當(dāng)音頻通道禁用時，SD 被視為輔助控制信號。由于通過串行鏈路傳輸?shù)囊纛l數(shù)據(jù)與 RXC 同步，較低的 RXC 頻率會限制最大音頻采樣率。

（七）控制通道和寄存器編程

控制通道可讓微控制器（μC）在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，通過串行鏈路發(fā)送和接收控制數(shù)據(jù)。μC 可從串行器或解串器側(cè)控制鏈路，以支持視頻顯示或圖像傳感應(yīng)用?？刂仆ǖ栏鶕?jù)連接到 μC 的設(shè)備的模式選擇（MS）輸入，在基本模式或旁路模式下運行?；灸Ｊ绞前腚p工控制通道，旁路模式是全雙工控制通道。從一個設(shè)備的輸入到另一個設(shè)備的輸出，前向或反向控制通道的總最大延遲為 2μs（UART）或 2 位時間（I2C）。I2C 延遲從起始條件到起始條件進行測量。

四、應(yīng)用場景

（一）高分辨率汽車導(dǎo)航

在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中，MAX9291/MAX9293 串行器可實現(xiàn)高清視頻的長距離傳輸，確保導(dǎo)航畫面清晰、穩(wěn)定。其高帶寬和低延遲特性，能夠滿足實時導(dǎo)航信息的顯示需求。

（二）后座娛樂系統(tǒng)

為后座乘客提供高清視頻和音頻娛樂體驗。通過 GMSL 串行器，可將娛樂內(nèi)容從主機傳輸?shù)胶笞@示屏，同時支持多聲道音頻輸出，提升娛樂效果。

（三）百萬像素相機系統(tǒng)

在安防監(jiān)控、工業(yè)檢測等領(lǐng)域的百萬像素相機系統(tǒng)中，MAX9291/MAX9293 串行器可實現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，確保圖像質(zhì)量不受傳輸距離的影響。

五、設(shè)計要點

（一）電源供應(yīng)和旁路

串行器使用 1.7V 至 1.9V 的 VAVDD 和 VDVDD，所有單端輸入和輸出（除串行輸出外）均由 1.7V 至 3.6V 的 VIOVDD 供電。為確保高頻電路的穩(wěn)定性，必須進行適當(dāng)?shù)碾娫磁月?。HDCP（僅 MAX9293）會消耗額外的電流，具體電流值與像素時鐘頻率有關(guān)。

（二）電纜和連接器

CML 互連通常具有 100Ω 的差分阻抗，應(yīng)選擇具有匹配差分阻抗的電纜和連接器，以最小化阻抗不連續(xù)性。同軸電纜通常具有 50Ω 的特性阻抗，若需 75Ω 操作，可聯(lián)系廠家。

（三）電路板布局

為防止串?dāng)_，應(yīng)將 HDMI、CMOS 邏輯信號和 CML/同軸高速信號分開。建議使用四層 PCB，分別為電源層、接地層、CML/同軸層和 LVCMOS/HDMI 邏輯信號層。對于 STP，應(yīng)將 PCB 走線靠近，以實現(xiàn) 100Ω 的差分特性阻抗；對于同軸驅(qū)動，應(yīng)使用 50Ω 的走線。同時，應(yīng)避免過孔，保持差分對的走線長度相等，以避免差分對內(nèi)的偏斜。

（四）ESD 保護

該串行器具備符合人體模型、IEC 61000 - 4 - 2 和 ISO 10605 標(biāo)準(zhǔn)的 ESD 耐受性。串行鏈路輸入符合 ISO 10605 和 IEC 61000 - 4 - 2 的 ESD 保護標(biāo)準(zhǔn)，所有引腳均經(jīng)過人體模型測試。

六、總結(jié)

MAX9291/MAX9293 3.12Gbps GMSL 串行器憑借其卓越的性能、靈活的配置和可靠的穩(wěn)定性，為高清視頻、音頻和控制信號的傳輸提供了強大的解決方案。無論是在汽車電子、工業(yè)控制還是安防監(jiān)控等領(lǐng)域，都能發(fā)揮重要作用。在設(shè)計過程中，工程師們需要充分考慮電源供應(yīng)、電纜選擇、電路板布局和 ESD 保護等因素，以確保系統(tǒng)的最佳性能。希望本文能為電子工程師們在使用 MAX9291/MAX9293 串行器時提供有價值的參考。