视频应用中至关重要的CRC测试

摘要

自动化和识别复杂的视频信号链中微小工程变更的影响可能是一项艰巨的任务。评估低成本数字视频电缆是否会降低系统性能，电源调整是否增加了系统的抖动容限，或者备用PLL配置是否提供了更大的电源抗扰性，这些都是当今设计和生产工程师面临的典型挑战。视频产品的设计和制造商必须克服。

尽管有许多视频评估工具可用于协助此类活动，但这些工具通常会消耗大量的资本预算，花费时间来设置，需要进行培训才能正确操作以及提供难以解释的结果。简单的错误检测算法（例如循环冗余校验（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来使用更复杂，更昂贵的评估工具来完善系统，尤其是在自动化，上市时间和成本是重要的考虑因素。

数字视频系统

近年来，面向消费者，专业和汽车应用的数字视频传输媒体的激增，已引起许多视频产品设计和制造商的关注点发生了变化。实现卓越的模拟性能的要求已趋于平稳，并已被取代以实现尽可能高的数字数据速率。这些传输介质包括DVI，HDMI®，LVDS®，MHL®和APIX®。

HDMI的增长一直是这场争夺更高数据速率的主要推动力之一。从一开始，就支持高达1.65 GHz的视频传输，从而促进了8位色深的1080p视频（1920像素×1080线）的传输，该视频格式的视频分辨率是模拟NTSC视频的10倍以上。近年来，随着HDMI规范的进一步发展，最大支持视频分辨率的数据速率已扩展到2.25 GHz至3 GHz，并且在将来的规范修订版中，最有可能在卡上进一步提高（参见图1）。

 

 

 

图1.视频格式从增强清晰度到超高清的演变。

在HDMI 1.4a中指定的UltraHD 3 GHz最大视频分辨率（在24 Hz，25 Hz或30 Hz时为4k×2k），可以使家庭娱乐系统中的电影院风格清晰。单个4k×2k数据帧包含4096个像素和2160行，每秒传输24帧，这意味着3 GHz视频源和接收器必须能够每秒发送或接收超过800万个像素的活动视频数据。无可厚非。

随着跨链路传输的数据量的增加，每个传输比特的周期缩短，链路上发生误码的可能性增加。发生一系列误码时会发生什么？在活动视频区域中可能会发生误码，导致某些像素显示不正确。但是，如果在HDMI数据流的控制期间内发生了一系列的位错误，则可能会干扰同步数据；否则，可能会损坏同步数据。这可能会在屏幕上造成干扰，例如水平或垂直条纹或图片闪烁。当与HDMI规范采用的数据加密协议（高清内容保护（HDCP））一起考虑时，这种风险会更加复杂。

HDCP用于保护通过视频链接传输的高价值视频内容，从而防止在源设备（DVD播放器或机顶盒）和接收设备（例如电视）之间传输电影和电视内容时非法复制电影和电视内容。作为电视）。在源设备和宿设备之间建立HDCP链接所涉及的时间范围从不到一秒到几秒钟不等。一旦建立了HDCP链接，就可以在接收器设备上看到图片。通过每隔几秒钟或之后一定数量的视频帧在接收器和源设备之间传输链接完整性检查来维护链接。如果上述一系列的位错误导致图片闪烁，则触发了需要重新建立经过身份验证的链接，用户可能会在屏幕上看到雪噪声（表明HDCP身份验证失败）的提示（如图2所示）。然后可能需要花费几秒钟的时间来重新建立经过身份验证的链接，并需要返回图片，这导致用户感到沮丧，并导致字段返回。

 

 

 

图2. HDCP故障导致的原始内容样本和HDCP雪噪声。

现代视频信号链通常由许多不同的设备组成。例如，音频视频接收器（AVR）的物料清单可以包括HDMI缓冲区，HDMI多路复用器，HDMI和模拟视频接收器，HDMI发送器和集成了缩放，解交织和屏幕显示功能的视频信号处理器。为了进一步增加复杂性，这些设备通常可以从众多半导体供应商处采购。开发结合了所有这些设备的可靠视频信号链并以如此高的数据速率支持视频格式正成为视频产品设计和制造商的重大挑战。电缆质量，电源设计，信号完整性，PCB质量和芯片设置必须处于绝对最佳状态才能成功支持此类视频格式。

循环冗余检查

循环冗余校验（CRC）是Wesley Patterson于1961年发明的一种冗余校验。1它可以用于检测数字数据中的错误，主要用于数据传输系统中。例如，通过以太网传输数据时使用32位CRC。CRC只能检测数字数据中的错误。一旦检测到就无法纠正它们。此功能仅限于更复杂的算法，例如纠错码（ECC）或前向纠错（FEC），并且CRC无法识别接收到的数据中的错误数。

存在许多不同的CRC实现方式，但存在相同的基本前提。数据发送器在发送数据之前先计算并向该数据附加一些校验位（通常称为校验和）。这通常是通过将要传输的数据除以固定的二进制数来实现的。然后除法的其余部分形成校验和。接收机可以使用发射机侧计算的逆函数来确定校验位是否与数据一致。如果在接收器侧计算出的校验和与在发送器侧计算出的校验和不匹配，则接收器可以推断出数据传输中发生了错误，并请求重新传输数据。

视频信号链不能模仿前面概述的典型数据发送器和接收器对。但是，在视频信号链中，链接是单向的，因此视频接收器（例如电视）请求视频源（例如蓝光播放器）重新发送错误接收的数据帧是不可行的。为了解决这种不对称性，必须以稍微不同的方式实现CRC。鉴于已经概述的限制，在视频信号链中进行分析的明显位置是在视频接收器中。视频接收器可以将CRC应用于输入视频数据的后续帧，唯一的警告是输入视频数据的内容必须是静态的，例如SMPTE视频测试图案或DVD播放器菜单屏幕。

CRC使用已知的多项式（例如x16+ x12+ x5+1）作为除数，将所选帧或帧数的视频数据用作分子，其余部分用作测试是否构造的方法视频数据已更改。已知的多项式永远不变。如果传入的视频没有变化（即没有位错误的静态模式），则其余部分应始终为常数（请参见公式1）。

公式1.视频CRC计算。

如果其余部分在后续帧中保持不变，则这些帧相同，并且系统在所谓的“最佳位置”上运行；硬件和软件设置的组合，可以产生最佳的系统性能。如果后续帧的校验和不匹配，则这些帧将不同，因此需要优化系统。

CRC：替代方案

误码率测试是CRC测试的一个有趣的替代方法，其主要好处是它可以帮助量化数据受到破坏的程度。误码率测试需要将参考模式输入到系统中。与参考模式相比，分析了系统的输出，并且差异的数量指示了已发生的位错误的数量。如果输出模式与参考模式完全匹配，则不会发生位错误，并且系统将在最佳位置执行；如果输出模式与参考模式不同，则差异的数量可提供一些数据受损程度的指示。

尽管误码率测试是一种非常强大的工具，但输入并能够根据已知模式分析输出的要求也是其局限性之一。对提供量化数据降级水平的能力的参考模式的需求，极大地降低了其灵活性。误码率测试只能应用于已知模式。CRC可以应用于任何静态数据模式，这意味着它可以在各种情况下即时使用。这些情况包括从原型系统的开发和评估，到产品的线下测试，再到客户问题退货的现场调试。

ADV7850

该ADV7850是ADI公司针对消费者和专业音频/视频市场推出的首款完整的AV前端设备。该部件包含一个4输入HDMI接收器，该接收器在30 Hz时支持高达4k×2k的视频分辨率。一个视频和图形数字转换器，能够以高达170 MHz的频率运行；高速串行视频输出；3D Comb视频解码器和音频编解码器。除了作为全面的单芯片音频/视频前端之外，ADV7850还集成了采用CRC的帧校验器。帧检查器位于ADV7850输出之前，靠近ADV7850信号链的末端（见图3），从而可以检查HDMI输入的整个视频路径。该功能不适用于模拟输入，这是因为由模数转换器（ADC）引入的最低有效位（LSB）错误可在高达170 MHz的频率下运行。

 

 

 

图3. ADV7850功能框图突出显示了CRC模块的位置。

ADV7850中的帧检查器利用CRC-16-CCITT多项式（x16+ x12+ x5+1），旨在分析用户可配置的帧数，并通过单个I2C位使能。2一旦启用，帧检查器就会通过分析每个视频通道上的每个数据像素为用户可配置的每个帧数（最多255个）计算校验和；绿色，红色和蓝色（范围从480p的300,000像素到4k×2k的800万像素）。通过I2C控件配置要分析的帧数。

 

 

 

图4.如何在三帧视频数据上执行CRC计算。

帧检查器完成分析后，它会通过I2C为每个通道报告一组结果（HDMI在红色，绿色和蓝色通道上传输数据）。正如针对静态输入所概述的那样，执行CRC应该提供一致的结果：两个帧之间的单个像素差异（最多16,000,000像素的数据）将导致不同的校验和结果。像素差异是由于源噪声，传输介质中间歇性产生的噪声还是由于ADV7850的配置不正确而产生的，都将指示错误。然后，系统设计人员可以优化系统并重复测试。

CRC的阶段

帧检查器的功能都很好，但是在现实世界中使用这些功能可以实现真正的价值。ADV7850的帧检查器可在整个视频产品的开发周期以及其制造周期中使用。

开发阶段

可以在视频产品开发阶段的许多方面使用CRC，以协助自动化测试，衡量视频信号链的性能，评估热测试对系统的影响，电源测试期间甚至电缆选择期间的影响。如果产品随附电缆。

符合性测试

在将视频产品销售为兼容HDMI并带有HDMI徽标之前，该产品必须在经过官方许可的HDMI认可的测试中心（ATC）上进行一系列严格的测试。这些测试可确保产品满足HDMI一致性测试规范（CTS）中列出的所有要求，该规范与主要的HDMI规范一起发布。作为该测试套件的一部分，进行的最严格的测试之一是分析视频接收器在时钟和数据通道上抖动的鲁棒性。

满足此测试中概述的标准通常是具有挑战性的，并且视频产品设计人员和制造商如果无法在内部使用官方测试中指定的设备，则经常将其原型系统用于昂贵的预合规性检查。

如果没有指定的设备，则ADV7850中的帧检查器可以用作低成本的预一致性测试的替代产品。帧检查器可洞悉接收器是否正确接收和解码了HDMI数据（从是否采用正确的配置写入到电源设计，可能影响该范围的因素），并使工程师能够自动进行此类测试。如果可以使用指定的设备，则仍可以使用帧检查器，因为它可以提供对接收器是否正确接收和解码数据的确定见解-在发生随机错误时将其标记出来。这种分析水平超出了CTS所要求的分析范围，CTS仅要求进行视觉检查。

HDMI电缆选择

许多视频产品设计人员和制造商，尤其是在专业音频/视频市场中，都依靠HDMI电缆在系统组件之间路由视频。HDMI电缆使用19个信号载波构建；HDMI规范概述了五种不同类别的HDMI电缆，用于不同的速度等级。

 

 

 

图5. HDMI电缆的横截面。

电缆会以多种方式影响通过它们的信号。由于其带宽有限，电缆通常会衰减通过它们的信号，从而减少信号的垂直眼图张开度。符号间干扰（ISI）抖动也会使眼图张开度降低。ISI抖动主要由阻抗失配引起，通常会降低信号的水平眼图张开度。符号的这种“模糊”使接收机更难以解码和解释数据。

例如，在视频会议系统中，视频可以通过一系列最长30米的HDMI电缆从中央控制台到房间的周围路由到多台监视器或投影仪（参见图6）。然而，如此长的HDMI电缆可能是系统成本的重要组成部分，价格从几十美元到几百美元不等。视频产品设计师和制造商可以选择评估来自低，中和高成本供应商的电缆。电缆供应商通常可以通过电缆质量来证明其制造成本。但是，视频产品设计和制造商必须在选择与产品一起提供的电缆的质量和成本之间取得平衡。

 

 

 

图6.会议室视频传输架构示例。

在评估其他所有保持静态的系统中不同电缆的影响时，可以使用帧检查器来取得良好的效果。系统评估工程师必须首先对没有CRC错误的已知合格电缆进行基准测试。使用帧检查器，可以自动进行数千次迭代重复此测试，以确保一致性并将结果导出到数据分析工具。

一旦定义了基准，系统评估工程师就可以替代更便宜或更长的电缆，并重复相同的测试，从而从第一方面评估变更的影响。框架检查器测试具有自治性，这意味着该活动无需占用宝贵的工程时间，可以在完成其他任务时启动和运行该活动。一旦测试完成，就可以完成第一级分析，以确定替代电缆是否已将误码引入系统。如果未检测到错误，则电缆可能适合进一步分析。

框架检查器的另一种可能用途是评估在硬件更改最少的情况下扩展产品规格的影响。典型的调查如下：视频产品设计和制造商当前正在使用已知的优质电缆，该电缆具有系统特征，并提供合理且值得信赖的性能。从电缆接收的数据质量下降到在1080p时略微影响HDMI一致性测试规范的抖动容限模板的程度，但不会导致ADV7850恢复数据时出现任何问题（见图7）3。使用帧检查器，可以以自动化的方式将电缆的性能基准化到特定水平—测试可以进行数千次迭代，并记录结果。

 

 

 

图7. 1080p HDMI一致性测试的电缆性能。

如果在产品更新中将4k×2k（时钟和数据速率为1080p 8位的两倍）的支持添加到硬件，则可以完成重新验证电缆的初步工作。使用一种简单的方法来检查电缆对4k×2k数据的影响，使用合规性设备会记录令人担忧的结果（参见图8）。电缆中的损耗现在导致信号的明显下降。在功能测试中，ADV7850可能仍会恢复数据，但是所有数据是否仍完整无缺？数据中现在是否会存在随机或一系列间歇性误码，这些误码会导致触发严重的系统问题，例如HDCP雪噪声（如前所述）？

 

 

 

图8. 4k×2k（ultraHD）下的HDMI一致性测试的电缆性能。

系统评估工程师可以使用ADV7850中的帧检查器功能在第一程度上确定该问题的答案。CRC结果可以记录在数千个测试中，并与较低分辨率视频标准下同一根电缆记录的结果进行比较。这将使工程师能够粗略确定规范的扩展在技术上是否可行。

电源测试

电源是要解决的设计中最重要的方面之一，许多人认为电源是最具挑战性的方面之一。许多因素会影响电源输出的质量，电源的输出会影响系统的许多特性。电源通常会在视频流中引入特定类型的噪声或抖动：周期性抖动。

设计人员必须选择采用线性低压差稳压器（LDO）还是采用开关模式电源（SMPS）。使用什么频率开关调节器，应该使用什么滤波器来抑制任何谐波，使其进入系统；电源平面是单层布线还是多层布线；平面是否可能在相邻层上重叠；去耦电容器架构的实现方式—甚至所选择的去耦电容器的位置，尺寸和材料；所有这些元素以及更多其他元素都可以产生重大影响。

在评估电源设计更改对电路板的单个修订版和电路板的多个修订版之间的影响时，可以使用CRC测试。通过更改系统上使用的去耦电容器的架构（例如，值和位置）并在每次更改后运行一系列自动CRC测试，系统评估工程师可以大致确定哪种去耦架构有助于实现最稳定的系统。 CRC错误最少。系统评估工程师还可以通过在原型系统的后续版本中进行CRC测试来对基准更改进行基准测试，只要没有进行其他重要的布局和原理图更改即可。最后，CRC测试可用于访问系统可能遭受的自然公差中可能发生的变化所产生的影响，例如，

 

 

 

图9.比较使用CRC的两种PCB电源设计。

热测试

确认视频产品在其指定的温度范围内正常工作是评估的至关重要的阶段。视频产品设计人员和制造商必须确保其产品内的环境温度不超过芯片供应商的规格，并确保在产品所要承受的环境温度范围内（例如，消费者在0°C至+ 70°C之间）产品或–40°C至+ 85°C / + 105°C的汽车产品），产品的性能是一致且可靠的。

 

 

 

图10.使用CRC完成高温原型系统测试。

通常在这种类型的测试中，将原型系统放置在温度可控的烘箱中，该烘箱可在产品的指定温度范围（例如–40°C至+ 85°C）上循环进行数千次迭代。然后观察系统的输出，以确保在整个温度，视频频率和视频模式范围内稳定。使用CRC测试，可以很容易地自动执行此测试，并将其设置为无限期运行。

通过自动控制烤箱，视频生成器和CRC分析工具，系统评估工程师可以轻松地扫描温度，更改视频格式和图案，同时逐帧监视CRC结果。如果在视频模式和格式保持不变的情况下没有发生任何变化，则测试可以继续；否则，可以继续进行测试。如果在视频模式和格式不变的情况下CRC发生变化，则应记录环境变量（例如，温度，视频格式和视频模式），然后可以继续进行测试。可以轻松地将这种类型的测试设置为通宵运行或在周末运行，结果是无人完成了数百小时的鲁棒性测试。

软件配置变更

现代半导体器件的某些方面需要根据其所集成的原型系统进行调整，例如，可能需要调整时钟和数据关系以适应特别长或短的信号路径。在这种情况下，可以使用CRC测试来帮助调整可用的控制（例如，均衡器设置，PLL设置，时钟和数据相位关系），以提供尽可能稳定的系统。

制造阶段

当视频产品设计和制造商需要通过检查其最终产品的全部或横截面来验证其制造过程的一致性和正确性时，CRC是一种可用于评估某些连接器正确焊接的工具（例如， HDMI）以及外部无源和有源设备（例如，HDMI ESD设备）。

CRC可以通过多种方式用于行尾测试。CRC可以在视频产品本身中实现，也可以在分立的独立线路终端测试设备中实现CRC（请参见图11）。在不包含ADV7850的视频产品中实现CRC可能需要在视频信号链中包含支持传递CRC能力的FPGA或微控制器半导体解决方案。

 

 

 

图11.采用CRC的线下测试架构。

在分立的独立终端测试设备中实施CRC可以降低视频产品的BOM成本，但需要在独立设备上进行投资。但是，它确实提供了能够测试整个系统稳定性的好处-嵌入到视频信号链中的CRC测试解决方案所提供的覆盖范围取决于该测试解决方案在信号链中的位置。位于信号链起点附近的CRC测试可能会提供低到中等的覆盖范围；位于信号链末端附近的CRC测试可能会提供中等到高水平的覆盖范围。

然后，制造质量控制可以根据在设备上执行的CRC测试的结果来确定接受和拒绝的标准；将失败的单元发回进行调试（该过程也可能涉及CRC测试），并将通过的单元继续发送给包装和运输。

结论

CRC测试是工程师在系统开发，制造和调试测试方法中所使用的强大工具。尽管它无法量化出由于某种问题（例如误码率测试）而导致系统降级的确切程度，但它有助于实现大量基本评估任务的自动化，并且可以帮助捕获那些偶尔进行视觉检查的误码只是不抓。由于它可以在任何静态模式下运行，因此它也非常灵活-无需事先知道该模式，并且使用ADV7850，可以轻松实现CRC测试。