【坐享“騎”成】系列之四： 泰克方案化解智能座艙HDMI顯示接口測(cè)試難點(diǎn)

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，被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子產(chǎn)品上，例如電視、機(jī)頂盒、投影儀以及汽車座艙娛樂系統(tǒng)等。HDMI 系統(tǒng)可以劃分4個(gè)種類，Source、Sink、Cable和Repeater，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。
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)，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， 用來傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)。例如HDMI2.0 定義了每個(gè)channel最高6Gbps的速率，接口的總帶寬最高為3.channel.x. 6Gbps.=18Gbps，剛好滿 足4Kp60Hz需要的17.82Gbps的帶寬。

圖1. HDMI 接口示意圖

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)。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。
FRL.mode. 可以分為兩種模式：

圖2. 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。
源端測(cè)試的難點(diǎn)解決
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。

表1. HDMI 2.1 FRL測(cè)試內(nèi)容

• 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。
• 測(cè)試信號(hào)速率是固定的，不需要隨分辨率變化。
• 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。

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。

圖3. 泰克三模探棒示意圖

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）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 4. 復(fù)雜的信道、均衡及串?dāng)_

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。

圖 5. EDID/SCDC 示意圖

泰克HDMI2.1 FRL自動(dòng)化方案
配置1：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 6. 泰克 HDMI 2.1 示波器級(jí)聯(lián)測(cè)試方案示意圖

配置2：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)試過程也不需要更改硬件連接。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。

圖 7. 泰克 HDMI2.1三模探棒測(cè)試方案示意圖

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)間和帶寬的角度來看。HDMI2.1 信號(hào)允許的最快上升時(shí)間22.5ps20%-80%。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。

表2 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，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。