玩轉(zhuǎn)HDMI2.1 源端測(cè)試之【入門基礎(chǔ)篇】

在HDMI2.1源端測(cè)試中，示波器模擬了sink的行為，提供了端接電阻和端接電壓。EDID 仿真器模擬sink的EDID，提供分辨率/速率信息，HDMI2.0 的EDID仿真器也提供SCDC信息， 完成與source的溝通，使source輸出需要TMDS信號(hào)。測(cè)試項(xiàng)目分為單端信號(hào)測(cè)試和差分信號(hào)測(cè)試，對(duì)應(yīng)的連接方式分別為單端連接和差分連接，用于采集單端信號(hào)和差分信號(hào)，以便完成相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目。

HDMI1.4b/2.0的測(cè)試難點(diǎn)：

1)一些方案端接電壓需要外接電源提供，或者端接電壓不可調(diào)，無(wú)法驗(yàn)證極限情況;

2)單端測(cè)試和差分測(cè)試信號(hào)采集需要更改硬件連接，過程繁瑣耗時(shí);

3)測(cè)試信號(hào)速率隨著分辨率變化，需要手動(dòng)設(shè)置分辨率，測(cè)試無(wú)法自動(dòng)化;

這些問題在泰克HDMI2.1 FRL 測(cè)試方案中都得到了完美的解決。

為了追求更好的視覺效果和體驗(yàn)，人們不滿足于4Kp60Hz顯示分辨率，也在追求8Kp60Hz和 4Kp120Hz的體驗(yàn)。但是8Kp60Hz 需要的帶寬約64G(RGB/YCbCr 4:4：4格式)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了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，滿足8Kp60Hz需要。同時(shí)需要結(jié)合相應(yīng)的YCbCr 4:2： 0編碼和視頻壓縮技術(shù)。

FRL模式如何實(shí)現(xiàn)帶寬的增加

FRL模式增加帶寬的常用方法有兩種，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。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重定義為FRL Lane3(時(shí)鐘嵌入在數(shù)據(jù)流中); 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?yōu)镕RL 16b/18b格式，編碼效率更高。

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FRL mode 可以分為兩種模式：3 lanes 工作模式下， 僅僅支持3 Gbps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。

HDMI2.1源端測(cè)試

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

MeasurementVictim Lane(Lane0)Aggressor Lane(Lane1/2/3)

HFR1-1： DC Common ModeLTP5LTP6/7/8

HFR1-2： Vse_Max， Vse_MinLTP5LTP6/7/8

HFR1-3： TRise， TFallLTP4LTP2

HFR1-4： Inter pair SkewLTP5LTP6/7/8

HFR1-5： FRL RateLTP3LTP2

HFR1-6： Random JitterLTP3LTP2

HFR1-7： Data lane Eye DiagramLTP5LTP6/7/8

HFR1-8： AC Common Mode NoiseLTP5LTP2

HFR1-9： FFE MonotonicityLTP4LTP1

?LTP1 – All 1’ pattern

?LTP2 – All 0’ pattern

?LTP3 – Clock pattern

?LTP4 – 128 zeros followed by 128 ones pattern

?LTP5/6/7/8 - Predefined sequence of 4096 FRL characters

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)寫為L(zhǎng)TP1～8。不像HDMI1.4b/2.0 ，對(duì)碼型沒有要求。

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。

源端測(cè)試的難點(diǎn)解決

*端接電壓的實(shí)現(xiàn)

泰克示波器和探棒，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。

*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。

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*解決測(cè)試復(fù)雜化的問題

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)試過程的復(fù)雜化。規(guī)范定義兩種Cable mode： Category 3 Worst Cable Mode(WCM3)和 Category 3 Short Cable Mode (SCM3)。兩種均衡： CTLE 1～8 dB和 DFE 1-tap d1 value 25mV。

在TP1采集信號(hào)后，應(yīng)用 cable 模型，得到TP2位置的波形，再應(yīng)用參考均衡后得到TP2_EQ位置的波形。

眼圖計(jì)算方法更為復(fù)雜，既要考慮Cable 模型的插入損耗，也要考慮其他數(shù)據(jù)線引入的串?dāng)_。

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

*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。

泰克HDMI2.1 FRL自動(dòng)化方案

配置一：DPO 70000 SX示波器級(jí)聯(lián)方案。兩臺(tái)DPO 70000 SX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。

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配置二：DPO70000SX示波器搭配Tri-mode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EDID emulator實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的測(cè)試。

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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，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22.5ps(20%-80%)。示波器測(cè)量到上升時(shí)間可以用如下公式計(jì)算：

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從上表可以看到帶寬越高，上升時(shí)間的測(cè)量誤差就越小。從帶寬角度看，示波器的帶寬定義是示波器觀察到的正弦波幅度衰減-3dB的頻率。在實(shí)際測(cè)試過程中，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-3dB。另一方面被測(cè)HDMI2.1 DUT的FRL最高速率沒有達(dá)到上限12Gbps的話，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，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。

總結(jié)

泰克示波器利用通道可調(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。 專門針對(duì)FRL信號(hào)的優(yōu)化算法，加快了測(cè)試速度。從而幫助客戶快速驗(yàn)證HDMI2.1 產(chǎn)品， 加速客戶產(chǎn)品市場(chǎng)化的過程。