2019年08月16日 | 技术文章—玩转HDMI2.1 源端测试之【入门基础篇】

在HDMI2.1源端测试中，示波器模拟了sink的行为，提供了端接电阻和端接电压。EDID 仿真器模拟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， 完成与source的沟通，使source输出需要TMDS信号。测试项目分为单端信号测试和差分信号测试，对应的连接方式分别为单端连接和差分连接，用于采集单端信号和差分信号，以便完成相应的测试项目。

HDMI1.4b/2.0的测试难点：

一些方案端接电压需要外接电源提供，或者端接电压不可调，无法验证极限情况；

单端测试和差分测试信号采集需要更改硬件连接，过程繁琐耗时；

测试信号速率随着分辨率变化，需要手动设置分辨率，测试无法自动化；

这些问题在泰克HDMI2.1 FRL 测试方案中都得到了完美的解决。

为了追求更好的视觉效果和体验，人们不满足于4Kp60Hz显示分辨率，也在追求8Kp60Hz和 4Kp120Hz的体验。但是8Kp60Hz 需要的带宽约64G（RGB/YCbCr 4:4:4格式），远远超过了HDMI2. 0的支持范围。所以HDMI协会增加HDMI2.1 FRL（Fixed Rate Link）模式，实现接口带宽的增加，满足8Kp60Hz需要。同时需要结合相应的YCbCr 4:2: 0编码和视频压缩技术。

FRL模式如何实现带宽的增加

FRL模式增加带宽的常用方法有两种，方法一：提升通道数据速率；方法二：速率不变时，增量通道数量。FRL模式这两种方法都有使用。在保持HDMI物理接口不变的情况，每个通道支持的速率增加到了12Gbps ；另外，原来的TMDS Clock channel重定义为FRL Lane3（时钟嵌入在数据流中）； TMDS Data 0/1/2 分别对应FRL lane 0/1/2，如下图所示，共计有4个数据通道。这样就实现了最高48Gbps的带宽。信号的编码方式从TMDS的 8b/10b改变为FRL 16b/18b格式，编码效率更高。

FRL mode 可以分为两种模式：3 lanes 工作模式下， 仅仅支持3 Gbps和6Gbps 两种速率；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 四种速率。

HDMI2.1源端测试

总的测试项目有9个，如下表所示，以测试Lane0 为例。

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

测试信号是固定的码型，测试共定义8种码型Link training pattern 1～8，简写为LTP1～8。不像HDMI1.4b/2.0 ，对码型没有要求。

测试信号速率是固定的，不需要随分辨率变化。

需要考虑其他lane的干扰，例如HFR1-1项目，测试Lane0时，需要Lane0 发出LTP5 码型， Lane1/2/3 分别发出LTP6/7/8的码型， 测试方法更复杂。

源端测试的难点解决

端接电压的实现

泰克示波器和探棒，不需要外接电源，本身不仅可以提供标准的3.3V端接电压，用于协会要求的一致性测试。在用户自定义模式下，还提供可调的端接电压，例如设置3.0V的端接电压，用于验证源端芯片在端接电压变化时的情况。

单端和差分信号的自动采集

对应单端项目和差分项目，测试时需要分别采集单端信号和差分信号；在HDMI1.4b/2.0测试中，都是通过差分探棒采集差分信号；手动更改探棒硬件连接后，采集单端信号。更改连接繁琐，无法自动化，造成了测试效率低。

泰克Tri-mode 探棒（三模探棒）， 在测试软件控制下，交替工作在单端模式（A-GND和B-GND），无需硬件连接的改变，可以实现8个单端信号的采集，再自动计算差分信号，从而实现了全部项目的自动化。除了三模探棒方案外， 泰克还提供两台示波器级联自动化方案，通过8个channel 实现对8个单端信号的同时采集，测试效率更高。

  解决测试复杂化的问题

随着速率的提升，HDMI规范定义新的均衡技术和cable 模型，也造成了测试过程的复杂化。规范定义两种Cable mode: Category 3 Worst Cable Mode（WCM3）和 Category 3 Short Cable Mode （SCM3）。两种均衡： CTLE1～8 dB和 DFE 1-tap d1 value 25mV。

在TP1采集信号后，应用 cable 模型，得到TP2位置的波形，再应用参考均衡后得到TP2_EQ位置的波形。

眼图计算方法更为复杂，既要考虑Cable 模型的插入损耗，也要考虑其他数据线引入的串扰。

泰克方案针对以上情况，优化了算法， 测试时间短。

测试速率和码型自动切换

以前测试需要手动更改分辨率，才能实现测试信号速率的变更。现在泰克通过测试软件与EDID/SCDC模拟器的配合，在SCDC（Status and Control Data Channel） offset 0x31中FRL_Rate设置测试信号速率， 在offset 0x41/42中为每个Lane 设置码型。实现了测试需要的速率和码型的自动切换，实现了测试完全自动化，提高了测试效率。

泰克HDMI2.1 FRL自动化方案

配置一：DPO 70000 SX示波器级联方案。两台DPO 70000 SX示波器，使用UltraSync cable同步级联，可以把8个通道的skew调整到1ps内，确保所有单端信号采集的同步性。同时采集8个单端信号后，再自动计算生成4对差分信号。 测试过程不需要更改硬件连接， 信号路径衰减小，测试速度快，效率高。搭配EDID emulator，实现速率和码型的自动切换。

配置二：DPO70000SX示波器搭配Tri-mode探棒。利用Tri-mode探棒的特性，在测试软件控制下，交替工作在单端模式（A-GND和B-GND），分次完成对8个单端信号的采集。 测试过程也不需要更改硬件连接。连接示意图如下，示波器会对探棒进行自动去嵌，消除探棒对信号的影响。兼顾了成本和效率，同样通过EDID emulator实现自动化的测试。

示波器带宽的考量

在HDMI2.1规范中推荐示波器带宽是23GHz或者以上。出于成本考虑，大家也许会问，16GHz 或者20GHz带宽的示波器可以吗？一方面可以从上升时间和带宽的角度来看，HDMI2.1 信号允许的最快上升时间22.5ps（20%-80%）。示波器测量到上升时间可以用如下公式计算：

从上表可以看到带宽越高，上升时间的测量误差就越小。从带宽角度看，示波器的带宽定义是示波器观察到的正弦波幅度衰减-3dB的频率。在实际测试过程中，非正弦波信号需要考虑3次～5次谐波。HDMI2.1 信号速率最高12Gbps，基频是6GHz， 3次谐波频率是18GHz，16GHz带宽的示波器测量到3次谐波成分会被衰减超过-3dB。另一方面被测HDMI2.1 DUT的FRL最高速率没有达到上限12Gbps的话，可以按照上面的计算方法实际评估示波器的带宽需求。

简单来说，为了保证更好的测量精度以及测试的合规性，示波器的带宽越高越好。

总结

泰克示波器利用通道可调端接电压，Tri-mode 探棒的单端特性/示波器级联特性，以及与EDID/SCDC模拟器配合，实现了HDMI2.1 FRL 源端测试的真正自动化，提高了测试效率。从而帮助客户快速验证HDMI2.1 产品， 加速客户产品市场化的过程。