高清多媒體接口英文全稱(chēng)High.Definition.Media.Interface(簡(jiǎn)稱(chēng)HDMI)是一種全數(shù)字化的影音傳輸接口，由于HDMI可以同時(shí)傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)，且連接簡(jiǎn)單，兼容性好等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在電視，機(jī)頂盒，投影儀等消費(fèi)電子產(chǎn)品上，目前HDMI接口也廣泛應(yīng)用于汽車(chē)智能座艙中，如座艙娛樂(lè)系統(tǒng)。

?圖 1：汽車(chē)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸

消費(fèi)者追求最佳娛樂(lè)體驗(yàn)；對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，采用新技術(shù)滿(mǎn)足消費(fèi)者需求，支持最佳影音娛樂(lè)體驗(yàn)的技術(shù)與產(chǎn)品往往獲得消費(fèi)者青睞；但另一方面，新技術(shù)的應(yīng)用以及多變的市場(chǎng)狀況會(huì)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)。

啟威測(cè)SI實(shí)驗(yàn)室結(jié)合日常測(cè)試工作中的經(jīng)驗(yàn)，了解最新的 HDMI 規(guī)范，整合行業(yè)內(nèi)測(cè)試資源，助力企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試驗(yàn)證，加快產(chǎn)品上市。

1 HDMI?測(cè)試方案? 根據(jù)測(cè)試規(guī)范CTS(Compliance Test Specification)。HDMI測(cè)試分為物理層和協(xié)議層的測(cè)試，本文重點(diǎn)講解物理層測(cè)試。 ? HDMI設(shè)備主要有三大類(lèi)，分別如下： 源設(shè)備（Source)：產(chǎn)生音視頻信號(hào)輸出的設(shè)備，如機(jī)頂盒等等； 接收設(shè)備（Sink)：接收音視頻信號(hào)并顯示的設(shè)備，如顯示器、電視、投影儀等； 中間的連接介質(zhì)（ Media)，如Cable。

因此對(duì)于HDMI設(shè)備的測(cè)試項(xiàng)目也根據(jù)被測(cè)設(shè)備的不同分為3大類(lèi)：Source測(cè)試、Sink測(cè)試、Cable測(cè)試，為了保證這些設(shè)備良好的兼容性，規(guī)范對(duì)電氣信號(hào)做出了信號(hào)完整性的要求。

HDMI的測(cè)試需要在不同分辨率下進(jìn)行： 信號(hào)低電平的測(cè)試,一般選擇最低分辨率(640x480p)。 支持最高的分辨率下,進(jìn)行時(shí)鐘占空比/上升時(shí)間/時(shí)延等測(cè)試。 像素時(shí)鐘在27MHz，74.25MHz，148.5MHz，222.75MHz下，需要進(jìn)行時(shí)鐘抖動(dòng)和眼圖等測(cè)試。 ?

圖2：汽車(chē)智能座艙各種高速接口測(cè)試

下圖為 HDMI 接口的示意圖，適用于規(guī)范 HDMI1.4b 和 HDMI2.0。HDMI 接口使用 TMDS 編 碼 技 術(shù)，從上圖可以看到，接口共有 4 對(duì) TMDS 差分信號(hào)，其中 TMDS.Clock.channel. 作為獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，用于同步和信號(hào)采集；TMDS.channel.0/1/2. 作為數(shù)據(jù)通道，用來(lái)傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)。 ?

圖 3? HDMI 接口示意圖

圖4：HDMI接口

DDC.(Display.Data.Channel). 使用 I2C 協(xié)議，source通過(guò) DDC 讀取 Sink. 產(chǎn)品的 EDID（包含 Sink 支持的分辨率，最高速率等信息），確認(rèn)最佳分辨率的輸出。

2 HDMI 測(cè)試模式

為了追求更好的視覺(jué)效果和體驗(yàn)，人們不滿(mǎn)足于4Kp 60Hz 顯示分辨率， 也在追求8Kp 60Hz 和 4Kp120Hz 的體。但是8Kp 60Hz. 需要的帶寬約 64G（RGB/YCbCr.44 格 式），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 HDMI2.0 的支持范圍。所以HDMI協(xié)會(huì)增加HDMI2.1.FRL（Fixed.Rate. Link）模式，實(shí)現(xiàn)接口帶寬的增加，滿(mǎn)足 8Kp60Hz 需要。同時(shí)需要結(jié)合相應(yīng)的 YCbCr.4.0 編碼和視頻壓縮技術(shù)。 ? 常用方法有兩種， 方法一：提升通道數(shù)據(jù)速率； 方法二：速率不變時(shí)，增量通道數(shù)量。而最新的 HDMI2.1 FRL 模式這兩種方法都有使用。在保持 HDMI 物理接口不變的情況，每個(gè)通道支持的速率增加到了 12Gbps.；

另外，原來(lái)的 TMDS.Clock.channel重新定義為 FRL.Lane3（時(shí)鐘嵌入在數(shù)據(jù)流）；TMDS.Data.0/1/2.分別對(duì)應(yīng) FRL.lane. 0/1/2，如下圖所示，共計(jì)有 4 個(gè)數(shù)據(jù)通道。這樣就實(shí)現(xiàn)了最高 48Gbps 的帶寬。信 號(hào) 的 編 碼 方 式 從 TMDS 的 .8b/10b 改 變 為 FRL.16b/18b 格式，編碼效率更高。

FRL.mode. 可以分為兩種模式：

圖 5. HDMI 2.1 FRL 模式示意圖

3 lanes 工作模式下，僅僅支持 3Gbps 和 6Gbps 兩種速率；未使用的 Lane3，source 和 sink 都需要使用差分 50Ω ～ 150Ω 端接。 4 lanes 工作模式下，支持 6/8/10/12.Gbps. 四種速率。 ? 2.1 HDMI 2.1 源端測(cè)試 HDMI 信號(hào)測(cè)試軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試,并會(huì)給出一份詳細(xì)數(shù)據(jù)指標(biāo)的數(shù)值報(bào)告，同時(shí)會(huì)附帶眼圖等圖形，測(cè)試的時(shí)候,TMDS信號(hào)要求在接收端提供3.3V的直流偏置。示波器連接探頭和夾具進(jìn)行測(cè)試時(shí)，終端要給3.3V的直流偏置,才能測(cè)出信號(hào)輸出。

HDMI2.1 總的測(cè)試項(xiàng)目有 9 個(gè)，如下表所示，以測(cè)試Lane0 為例。

圖6. HDMI 2.1 FRL 測(cè)試內(nèi)容

1) 測(cè)試信號(hào)是固定的碼型，測(cè)試共定義 8 種碼型 Link training pattern 1 ～ 8，簡(jiǎn)寫(xiě)為 LTP1 ～ 8。不像HDMI1.4b/2.0，對(duì)碼型沒(méi)有要求。 2)?測(cè)試信號(hào)速率是固定的，不需要隨分辨率變化。 3) 需要考慮其他 lane 的干擾，例如 HFR1-1 項(xiàng)目，測(cè) 試 Lane0 時(shí)， 需 要 Lane0 發(fā) 出 LTP5. 碼 型，Lane1/2/3. 分別發(fā)出 LTP6/7/8 的碼型，測(cè)試方法更復(fù)雜。 ? 2.2 源端（Source）測(cè)試的難點(diǎn)解決 2.2.1 端接電壓的實(shí)現(xiàn) 泰克示波器及探棒，不需要外接電源，本身不僅可以提供標(biāo)準(zhǔn)的 3.3V 端接電壓，用于協(xié)會(huì)要求的一致性測(cè)試。在用戶(hù)自定義模式下，還提供可調(diào)的端接電壓，例如設(shè)置 3.0V 的端接電壓，用于驗(yàn)證源端芯片在端接電壓變化時(shí)的情況。

圖 7. 泰克有源探頭端接電壓調(diào)節(jié)

2.2.2 單端和差分信號(hào)的自動(dòng)采集 對(duì)應(yīng)單端項(xiàng)目和差分項(xiàng)目，測(cè)試時(shí)需要分別采集單端信號(hào)和差分信號(hào)；在 HDMI1.4b/2.0 測(cè)試中，都是通過(guò)差分探棒采集差分信號(hào)；手動(dòng)更改探棒硬件連接后，采集單端信號(hào)。更改連接繁瑣，無(wú)法自動(dòng)化，造成了測(cè)試效率低。

泰克 Tri-mode. 探棒（三模探棒），在測(cè)試軟件控制下，交替工作在單端模式（A-GND 和 B-GND），無(wú)需硬件連接的改變，可以實(shí)現(xiàn) 8 個(gè)單端信號(hào)的采集，再自動(dòng)計(jì)算差分信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)了全部項(xiàng)目的自動(dòng)化。 ? 除了三模探棒方案外，泰克還提供兩臺(tái)示波器級(jí)聯(lián)自動(dòng)化方案，通過(guò) 8 個(gè) channel 實(shí)現(xiàn)對(duì) 8 個(gè)單端信號(hào)的同時(shí)采集，測(cè)試效率更高。 ?

圖 8. 泰克三模探棒示意圖

2.2.3 解決測(cè)試復(fù)雜化的問(wèn)題 隨著速率的提升，HDMI 規(guī)范定義新的均衡技術(shù)和 cable. 模型，也造成了測(cè)試過(guò)程的復(fù)雜化。規(guī)范定義兩種 Cable mode: Category 3 Worst Cable Mode（WCM3）and Category 3 Short Cable Mode（SCM3）。 兩種均衡：CTLE 1 ～ 8dB 和 DFE 1-tap d1 value 25mV。 ?

泰克方案針對(duì)以上情況，優(yōu)化了算法，測(cè)試時(shí)間短。

圖 9. 復(fù)雜的信道、均衡及串?dāng)_

2.2.4 測(cè)試速率和碼型自動(dòng)切換 以前測(cè)試需要手動(dòng)更改分辨率，才能實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)速率的變更?，F(xiàn)在泰克通過(guò)測(cè)試軟件與 EDID/SCDC模擬器的配合，在 SCDC（Status and Control Data Channel）offset.0x31 中 FRL Rate 設(shè)置測(cè)試信號(hào)速率， 在 offset 0x41/42 中為每個(gè) Lane 設(shè)置碼型。實(shí)現(xiàn)了測(cè)試需要的速率和碼型的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試完全自動(dòng)化，提高了測(cè)試效率。

圖 10. EDID/SCDC 示意圖

2.3? HDMI2.1 FRL 信號(hào)測(cè)試 自動(dòng)化方案 配置一：DPO70000SX 示波器級(jí)聯(lián)方案 兩臺(tái) DPO70000SX 示波器，使用 UltraSync cable 同步級(jí)聯(lián)，可以把 8 個(gè)通道的 skew 調(diào)整到 1ps 內(nèi)，確保所有單端信號(hào)采集的同步性。同時(shí)采集 8 個(gè)單端信號(hào)后，再自動(dòng)計(jì)算生成 4 對(duì)差分信號(hào)。測(cè)試過(guò)程不需要更改硬件連接，信號(hào)路徑衰減小，測(cè)試速度快，效率高。搭配 EDID emulator，實(shí)現(xiàn)速率和碼型的自動(dòng)切換。

圖 11. 泰克 HDMI 2.1 示波器級(jí)聯(lián)測(cè)試方案示意圖

配置二：DPO70000SX 示波器搭配 Trimode 探棒 利用 Tri-mode 探棒的特性，在測(cè)試軟件控制下，交替工作在單端模式（A-GND 和 B-GND），分次完成對(duì) 8 個(gè)單端信號(hào)的采集。測(cè)試過(guò)程也不需要更改硬件連接。連接示意圖如下，示波器會(huì)對(duì)探棒進(jìn)行自動(dòng)去嵌，消除探棒對(duì)信號(hào)的影響。兼顧了成本和效率，同樣通過(guò) EDID emulator 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的測(cè)試。 ?

圖 12. 泰克 HDMI2.1 三模探棒測(cè)試方案示意圖

2.3.1??示波器帶寬的考量 在 HDMI2.1 規(guī)范中推薦示波器帶寬是 23GHz 或者以上。出于成本考慮，大家也許會(huì)問(wèn)，16GHz 或者20GHz 帶寬的示波器可以嗎？一方面可以從上升時(shí)間和帶寬的角度來(lái)看。HDMI2.1 信號(hào)允許的最快上升時(shí)間 22.5ps20%-80%。示波器測(cè)量到上升時(shí)間可以用如下公式計(jì)算： ?

從下表可以看到帶寬越高，上升時(shí)間的測(cè)量誤差就越小。

圖13? 示波器上升時(shí)間的考量

從帶寬角度看，示波器的帶寬定義：是示波器觀(guān)察到的正弦波幅度衰減 -3dB 的頻率。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，非正弦波信號(hào)需要考慮 3 次～ 5 次諧波。HDMI2.1 信號(hào)速率最高 12Gbps，基頻是 6GHz，3 次諧波頻率是 18GHz，16GHz 帶寬的示波器測(cè)量到 3 次諧波成分會(huì)被衰減超過(guò) -3dB。

另一方面被測(cè) HDMI2.1.DUT 的 FRL 最高速率沒(méi)有達(dá)到上限 12Gbps 的話(huà)，可以按照上面的計(jì)算方法實(shí)際評(píng)估示波器的帶寬需求。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，為了保證更好的測(cè)量精度以及測(cè)試的合規(guī)性，示波器的帶寬越高越好。

3 HDMI仿真 對(duì)TMDS差分線(xiàn)進(jìn)行頻域分析，進(jìn)行S參數(shù)仿真，生成差分對(duì)差分損耗，來(lái)查看相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，一般以-3dB的基準(zhǔn)來(lái)查看傳輸線(xiàn)的性能。

通過(guò)提取的S參數(shù)，搭建鏈路，賦予模型，即搭建等效電路模型，就可以進(jìn)行時(shí)域分析，得到相關(guān)的仿真眼圖（眼高、眼寬、抖動(dòng)等），查看相關(guān)指標(biāo)?？梢酝ㄟ^(guò)與測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，修改相關(guān)參數(shù)設(shè)置，來(lái)比擬測(cè)試結(jié)果。

4 HDMI 信號(hào)測(cè)試總結(jié)

啟威測(cè)實(shí)驗(yàn)室采用泰克示波器方案，利用通道可調(diào)端接電壓，Tri-mode. 探棒的單端特性 / 示波器級(jí)聯(lián)特性，以及與 EDID/SCDC 模擬器配合，實(shí)現(xiàn)了 HDMI2.1 FRL 源端測(cè)試的真正自動(dòng)化，提高了測(cè)試效率。專(zhuān)門(mén)針對(duì) FRL 信號(hào)的優(yōu)化算法，加快了測(cè)試速度。從而幫助客戶(hù)快速驗(yàn)證HDMI2.1 產(chǎn)品，加速客戶(hù)產(chǎn)品市場(chǎng)化的過(guò)程。

編輯：黃飛

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