玩轉HDMI2.1 源端測試之【入門基礎篇】
發布時間：2019-8-16 16:12
發布者：eechina
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在HDMI2.1源端測試中，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。測試項目分為單端信號測試和差分信號測試，對應的連接方式分別為單端連接和差分連接，用于采集單端信號和差分信號，以便完成相應的測試項目。 HDMI1.4b/2.0的測試難點： 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，無法驗證極限情況； 2) 單端測試和差分測試信號采集需要更改硬件連接，過程繁瑣耗時； 3) 測試信號速率隨著分辨率變化，需要手動設置分辨率，測試無法自動化； 這些問題在泰克HDMI2.1 FRL 測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，人們不滿足于4Kp60Hz顯示分辨率，也在追求8Kp60Hz和 4Kp120Hz的體驗。但是8Kp60Hz 需要的帶寬約64G（RGB/YCbCr 4:4:4格式），遠遠超過了HDMI2. 0的支持范圍。所以HDMI協會增加HDMI2.1 FRL（Fixed Rate Link）模式，實現接口帶寬的增加，滿足8Kp60Hz需要。同時需要結合相應的YCbCr 4:2: 0編碼和視頻壓縮技術。 FRL模式如何實現帶寬的增加 FRL模式增加帶寬的常用方法有兩種，方法一：提升通道數據速率；方法二：速率不變時，增量通道數量。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（時鐘嵌入在數據流中）； TMDS Data 0/1/2 分別對應FRL lane 0/1/2，如下圖所示，共計有4個數據通道。這樣就實現了最高48Gbps的帶寬。信號的編碼方式從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：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源端測試 總的測試項目有9個，如下表所示，以測試Lane0 為例。
• 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) 測試信號是固定的碼型，測試共定義8種碼型Link training pattern 1～8，簡寫為LTP1～8。不像HDMI1.4b/2.0 ，對碼型沒有要求。 2) 測試信號速率是固定的，不需要隨分辨率變化。 3) 需要考慮其他lane的干擾，例如HFR1-1項目，測試Lane0時，需要Lane0 發出LTP5 碼型， Lane1/2/3 分別發出LTP6/7/8的碼型， 測試方法更復雜。 源端測試的難點解決 端接電壓的實現 泰克示波器和探棒，不需要外接電源，本身不僅可以提供標準的3.3V端接電壓，用于協會要求的一致性測試。在用戶自定義模式下，還提供可調的端接電壓，例如設置3.0V的端接電壓，用于驗證源端芯片在端接電壓變化時的情況。
單端和差分信號的自動采集 對應單端項目和差分項目，測試時需要分別采集單端信號和差分信號；在HDMI1.4b/2.0測試中，都是通過差分探棒采集差分信號；手動更改探棒硬件連接后，采集單端信號。更改連接繁瑣，無法自動化，造成了測試效率低。 泰克Tri-mode 探棒（三模探棒）， 在測試軟件控制下，交替工作在單端模式（A-GND和B-GND），無需硬件連接的改變，可以實現8個單端信號的采集，再自動計算差分信號，從而實現了全部項目的自動化。除了三模探棒方案外， 泰克還提供兩臺示波器級聯自動化方案，通過8個channel 實現對8個單端信號的同時采集，測試效率更高。
解決測試復雜化的問題 隨著速率的提升，HDMI規范定義新的均衡技術和cable 模型，也造成了測試過程的復雜化。規范定義兩種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采集信號后，應用 cable 模型，得到TP2位置的波形，再應用參考均衡后得到TP2_EQ位置的波形。
眼圖計算方法更為復雜，既要考慮Cable 模型的插入損耗，也要考慮其他數據線引入的串擾。 泰克方案針對以上情況，優化了算法， 測試時間短。 測試速率和碼型自動切換 以前測試需要手動更改分辨率，才能實現測試信號速率的變更�，F在泰克通過測試軟件與EDID/SCDC模擬器的配合，在SCDC（Status and Control Data Channel） offset 0x31中FRL_Rate設置測試信號速率， 在offset 0x41/42中為每個Lane 設置碼型。實現了測試需要的速率和碼型的自動切換，實現了測試完全自動化，提高了測試效率。
泰克HDMI2.1 FRL自動化方案 配置一：DPO 70000 SX示波器級聯方案。兩臺DPO 70000 SX示波器，使用UltraSync cable同步級聯，可以把8個通道的skew調整到1ps內，確保所有單端信號采集的同步性。同時采集8個單端信號后，再自動計算生成4對差分信號。 測試過程不需要更改硬件連接， 信號路徑衰減小，測試速度快，效率高。搭配EDID emulator，實現速率和碼型的自動切換。
配置二：DPO70000SX示波器搭配Tri-mode探棒。利用Tri-mode探棒的特性，在測試軟件控制下，交替工作在單端模式（A-GND和B-GND），分次完成對8個單端信號的采集。 測試過程也不需要更改硬件連接。連接示意圖如下，示波器會對探棒進行自動去嵌，消除探棒對信號的影響。兼顧了成本和效率，同樣通過EDID emulator實現自動化的測試。
示波器帶寬的考量 在HDMI2.1規范中推薦示波器帶寬是23GHz或者以上。出于成本考慮，大家也許會問，16GHz 或者20GHz帶寬的示波器可以嗎？一方面可以從上升時間和帶寬的角度來看，HDMI2.1 信號允許的最快上升時間22.5ps（20%-80%）。示波器測量到上升時間可以用如下公式計算：
從上表可以看到帶寬越高，上升時間的測量誤差就越小。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。在實際測試過程中，非正弦波信號需要考慮3次～5次諧波。HDMI2.1 信號速率最高12Gbps，基頻是6GHz， 3次諧波頻率是18GHz，16GHz帶寬的示波器測量到3次諧波成分會被衰減超過-3dB。另一方面被測HDMI2.1 DUT的FRL最高速率沒有達到上限12Gbps的話，可以按照上面的計算方法實際評估示波器的帶寬需求。 簡單來說，為了保證更好的測量精度以及測試的合規性，示波器的帶寬越高越好。 總結 泰克示波器利用通道可調端接電壓，Tri-mode 探棒的單端特性/示波器級聯特性，以及與EDID/SCDC模擬器配合，實現了HDMI2.1 FRL 源端測試的真正自動化，提高了測試效率。 專門針對FRL信號的優化算法，加快了測試速度。從而幫助客戶快速驗證HDMI2.1 產品， 加速客戶產品市場化的過程。 想要了解更多詳情敬請點擊：https://www.tek.com.cn/technology/hdmi-dvi |
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