基于泰克示波器完成HDMI的全部物理層測(cè)試

被稱(chēng)作DTV革命催化劑的高清多媒體接口（ HDMI）技術(shù)即將迎來(lái)大規(guī)模應(yīng)用的曙光。在HDMI標(biāo)準(zhǔn)下，內(nèi)容提供商、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和消費(fèi)電子產(chǎn)品（CE）制造商正在展開(kāi)一場(chǎng)拉力賽。這就使行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向如何證明產(chǎn)品測(cè)試與HDMI標(biāo)準(zhǔn)所定義的測(cè)試一致。設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工程師需要依靠工具來(lái)快速可靠地完成標(biāo)準(zhǔn)所要求的大量測(cè)試，從而提高效率。本文介紹了用以確保產(chǎn)品通過(guò)驗(yàn)證的HDMI關(guān)鍵測(cè)試、復(fù)雜HDMI信號(hào)測(cè)試中存在的挑戰(zhàn)，示波器自帶測(cè)試軟件如何能在保證結(jié)果可靠的前提下實(shí)現(xiàn)效率的飛躍，以及這些軟件如何大幅提高測(cè)試的自動(dòng)化程度。

HDMI官方機(jī)構(gòu)于2006年6月公布了1.3版的HDMI規(guī)范，其中增加了一些分辨率更高的顯示格式，包括1080P這種串行數(shù)據(jù)率高達(dá)3.4 Gb/s的深色顯示格式（deep color format）。HDMI 1.3的出臺(tái)是迄今為止該規(guī)范最重大的一次飛躍，而HDMI標(biāo)準(zhǔn)也已成為包括DVD播放器、高清電視機(jī)和新型游戲設(shè)備在內(nèi)的諸多高清設(shè)備廣為采用的接口事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。HDMI 1.3中收入了去年底開(kāi)始出現(xiàn)在消費(fèi)電子市場(chǎng)并且今年仍將繼續(xù)大量使用的新型高清音、視頻技術(shù)。為保證信息傳輸?shù)目煽啃院驮O(shè)備的互通性，該標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)網(wǎng)絡(luò)的物理層提出了要求。在HDMI規(guī)范［1］和更明確的HDMI一致性測(cè)試規(guī)范（CTS）中，定義了一系列適用于HDMI物理層的一致性測(cè)試。2007年3月，HDMI官方機(jī)構(gòu)又公布了最新的一致性測(cè)試規(guī)范（CTS V1.3b）文件，其中包括對(duì)HDMI V1.3中定義的一些功能的新測(cè)試。

HDMI V1.3物理層一致性測(cè)試中面臨的挑戰(zhàn)

要保證被測(cè)設(shè)備與HDMI CTS 1.3b規(guī)范的規(guī)定一致，并最終保證HDMI 1.3規(guī)范的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成功，必須要有適合高速串行數(shù)據(jù)的高品質(zhì)測(cè)試與測(cè)量?jī)x器和方案。圖1給出了HDMI傳輸系統(tǒng)的主要構(gòu)成元素—源端、電纜和接收器。當(dāng)然，測(cè)試越詳盡越好，但對(duì)滿足一致性而言，核心的電測(cè)試才是最關(guān)鍵的。圖1總結(jié)了核心測(cè)試的一些條目。

根據(jù)HDMI CTS 1.3b規(guī)范，一套完整的一致性測(cè)試方案中需要實(shí)時(shí)示波器、采樣示波器、信號(hào)發(fā)生器、差分探頭和測(cè)試夾具。但關(guān)鍵問(wèn)題是如何選擇合適的測(cè)試平臺(tái)來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并保證新的HDMI設(shè)計(jì)與新的一致性測(cè)試要求相符。為此，工程師們需要利用這些儀器組合出一套完整、靈活的高性?xún)r(jià)比測(cè)試方案。只有組合起一套功能強(qiáng)大的集成測(cè)試方案后，才能進(jìn)行快速眼圖繪制和抖動(dòng)驗(yàn)證，因?yàn)檫@兩項(xiàng)功能要求在盡可能短的時(shí)間內(nèi)積累大量波形。而且，為了利用示波器上自帶的“一鍵運(yùn)行（one-button）”一致性測(cè)試軟件自動(dòng)完成復(fù)雜的電纜和接收器測(cè)試，信號(hào)發(fā)生器必須工作在一個(gè)閉環(huán)環(huán)路中。

圖1：HDMI最小化傳輸差分信號(hào)（TMDS）的邏輯連接以及CTS規(guī)范所要求的核心測(cè)試。

HDMI一致性測(cè)試技術(shù)

1．實(shí)時(shí)示波器

一套完整的HDMI CTS 1.3b測(cè)試方案中應(yīng)包含針對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品、半導(dǎo)體和電纜制造商的設(shè)計(jì)與測(cè)試工程師使用的高性能硬件與全面的軟件。在關(guān)鍵儀器方面，測(cè)試HDMI 1.3信號(hào)需要帶寬至少為8GHz，并且可運(yùn)行一致性測(cè)試軟件的實(shí)時(shí)示波器。

圖2是一次利用HDMI一致性測(cè)試軟件進(jìn)行HDMI V1.3源端測(cè)試得到的結(jié)果。同時(shí)，為保證全面體現(xiàn)信號(hào)特點(diǎn)，CTS 1.3b還規(guī)定了捕捉信號(hào)所需的最小示波器記錄長(zhǎng)度。根據(jù)該規(guī)定，示波器至少應(yīng)能累積40萬(wàn)個(gè)單位時(shí)間間隔（或Tbit）來(lái)繪制眼圖。在16 M/20 M的記錄長(zhǎng)度下，示波器至少能捕捉40萬(wàn)單位時(shí)間間隔的低分辨率信號(hào)，或260萬(wàn)單位時(shí)間間隔的高分辨率信號(hào)。考慮到高達(dá)3.4Gbps的數(shù)據(jù)率，高采樣率（高于10GS/s）下示波器的最小記錄長(zhǎng)度就應(yīng)大于16M。

圖2：HDMI源端一致性測(cè)試結(jié)果。

任何傳輸系統(tǒng)最關(guān)心的問(wèn)題都是時(shí)鐘抖動(dòng)，抖動(dòng)測(cè)試的目的就是檢查并確保時(shí)鐘信號(hào)中沒(méi)有過(guò)多的抖動(dòng)。例如，占空比抖動(dòng)測(cè)量就是評(píng)估時(shí)鐘確定性抖動(dòng)的一種很好的方法。CTS規(guī)定，在50%的標(biāo)稱(chēng)占空比附近可以有+10%的變化裕量。但應(yīng)注意，此處所說(shuō)的占空比變化是指在大量捕獲信號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量得到的結(jié)果。因?yàn)镃TS規(guī)定，測(cè)量占空比變化至少需要一萬(wàn)個(gè)觸發(fā)波形。這樣一來(lái)，示波器的觸發(fā)再準(zhǔn)備速率（Trigger re-arm rate）就變成最重要的一個(gè)因素。一般情況下，觸發(fā)再準(zhǔn)備速率約為每秒100個(gè)波形（wfms/s）。

這可能就意味著信號(hào)捕獲和測(cè)試時(shí)間將長(zhǎng)到讓人難以接受的程度。幸運(yùn)的是，還有一些精密技術(shù)，例如數(shù)字熒光示波器（DPO）上的FastAcq技術(shù)能夠提高觸發(fā)再準(zhǔn)備速率，使其達(dá)到30萬(wàn)wfms/s的水平。圖3所示就是用FastAcq技術(shù)進(jìn)行時(shí)鐘占空比測(cè)試的情況。圖中示波器所表現(xiàn)的信息非常豐富，正是這一點(diǎn)保證了測(cè)量的說(shuō)服力。

圖3：利用DPO進(jìn)行時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試。

2．信號(hào)發(fā)生器

數(shù)字高清接收設(shè)備最重要的一個(gè)特性就是它對(duì)信號(hào)抖動(dòng)具備一定程度的耐受力。標(biāo)準(zhǔn)中將這種耐受能力規(guī)定為0.3*Tbit。測(cè)試時(shí)，需將一定量的抖動(dòng)逐次加入發(fā)送的TMDS信號(hào)中，直到接收設(shè)備無(wú)法恢復(fù)信號(hào)。然后再將接收設(shè)備所能承受的總抖動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度進(jìn)行比較，檢查設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

抖動(dòng)裕度測(cè)量是指向信號(hào)中加入一定量的抖動(dòng)后進(jìn)行幾次測(cè)量。以下是對(duì)（a） 、（b）兩個(gè)案例進(jìn)行三次測(cè)量的例子：（a）在500KHz下的數(shù)據(jù)抖動(dòng)，在10 MHz下的時(shí)鐘抖動(dòng)率；（b）在1 MHz下的數(shù)據(jù)抖動(dòng)，7 MHz下的時(shí)鐘抖動(dòng)頻率

要選擇合適的HDMI CTS測(cè)試設(shè)備，必須了解需要解決的問(wèn)題有那些。例如，TMDS信號(hào)的產(chǎn)生在接收器測(cè)試中扮演著十分重要的角色，而信號(hào)發(fā)生器中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是怎樣提供一系列高精度信號(hào)，并精確控制這些信號(hào)的參數(shù)。

最小差分靈敏度測(cè)試要求20mV的分辨率；對(duì)內(nèi)偏移（intra-pair skew）測(cè)試要求延遲設(shè)置精確到亞皮秒級(jí)分辨率。

抖動(dòng)容限測(cè)試比抖動(dòng)裕度測(cè)試更加困難，因?yàn)樵跍y(cè)試中既要改變時(shí)鐘抖動(dòng)也要改變數(shù)據(jù)抖動(dòng)。而產(chǎn)生10 MHz級(jí)的抖動(dòng)頻率就需要同時(shí)使用幾種信號(hào)發(fā)生器組合。由于HDMI規(guī)范對(duì)抖動(dòng)裕度的要求比較嚴(yán)格，因此必須精確控制抖動(dòng)幅度。因?yàn)樾枰{(diào)整的參數(shù)很多，抖動(dòng)裕度又很緊張，因此抖動(dòng)容限測(cè)試就變得極端復(fù)雜，可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。圖4就一個(gè)自動(dòng)化接收器測(cè)試系統(tǒng)的例子。

圖4：基于閉環(huán)機(jī)制的集成接收測(cè)試系統(tǒng)。

該例中，數(shù)字熒光示波器通過(guò)一條GPIB電纜與TMDS信號(hào)發(fā)生器DTG5334相連，需要時(shí)還可通過(guò)一條GPIBUSB-B電纜將其與抖動(dòng)插入信號(hào)發(fā)生器AWG/AFG相連。HDMI設(shè)計(jì)與測(cè)試工程師可以在一套閉環(huán)裝置中控制這些信號(hào)發(fā)生器，利用示波器上自帶的“一鍵運(yùn)行”一致性測(cè)試軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電纜和接收器測(cè)試。該例中采用的閉環(huán)裝置大大縮短了測(cè)試時(shí)間，也消除了測(cè)試裝置的非線性。

3．差分探測(cè)系統(tǒng)

此外，擁有靈活、通用的高性能探測(cè)系統(tǒng)也很重要。如今的許多高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)都在多條信號(hào)通路上采用了差分信號(hào)傳輸，這對(duì)單個(gè)示波器能否同時(shí)測(cè)量?jī)陕凡罘中盘?hào)提出了挑戰(zhàn)。為此，工程師需要一種能利用4個(gè)差分SMA探頭同時(shí)捕獲多達(dá)4路高速差分信號(hào)的示波器（參考圖4）。該示波器的另一個(gè)好處是其探頭的SMA輸入上連接了一個(gè)高品質(zhì)的50？ 終端，因而其回波損耗可達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平。這在頻率日益增高的HDMI一致性測(cè)試中是非常重要的。

差分SMA探頭為終端網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)共模直流電壓輸入。終端電壓可以由用戶(hù)從外部提供，也可由示波器從內(nèi)部提供。此外，該探頭還具備一種自動(dòng)模式，能感測(cè)輸入信號(hào)的共模電壓并自動(dòng)設(shè)置終端電壓使其與輸入共模電壓匹配。

P7313SMA拓寬的終端電壓范圍使其成為測(cè)試HDMI和DVI等高共模電壓類(lèi)差分標(biāo)準(zhǔn)的理想選擇。除了終端電壓范圍拓寬之外，P7313SMA的動(dòng)態(tài)范圍也得到了展寬。這就允許探頭在2.5x的衰減設(shè)置（屬于低噪設(shè)置）下測(cè)量更大的信號(hào)。

4．采樣示波器

為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸而采用的差分傳輸線對(duì)阻抗匹配非常敏感。因此，在HDMI一致性測(cè)試中，阻抗特性測(cè)試十分重要。直接連接阻抗允許在規(guī)范規(guī)定的100 ？上下有15%的波動(dòng)。終端阻抗的可變范圍要求就比較嚴(yán)格，只能在特性阻抗100 ？上下10%范圍內(nèi)變化。同時(shí)，工程師還需要檢查對(duì)內(nèi)偏移（Intra-pair）、對(duì)間偏移（Inter-pair）和串?dāng)_等電纜的關(guān)鍵特性是否達(dá)到要求。

時(shí)域反射計(jì)（Time Domain Reflectometry， TDR）是一種可精確測(cè)量互連系統(tǒng)阻抗與長(zhǎng)度特性的功能強(qiáng)大的工具。雖然TDR的基本概念相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但要想得到精確的測(cè)量結(jié)果，必須考慮幾個(gè)問(wèn)題，其中最重要的就是如何實(shí)現(xiàn)真正的差分TDR。泰克DSA8200采樣示波器自帶的iConnect軟件提供了一種性?xún)r(jià)比較高的創(chuàng)新式TDR測(cè)試功能，它同時(shí)還具備一些新的測(cè)試功能，可作為替代VNA的一種高效低價(jià)的測(cè)試方案。

本文小結(jié)

高清多媒體接口（HDMI）技術(shù)正處于迅猛增長(zhǎng)階段。如何保證此類(lèi)產(chǎn)品與HDMI 1.3規(guī)范的一致性并最終保證產(chǎn)品的成功開(kāi)發(fā)，這是HDMI設(shè)計(jì)與測(cè)試工程師面臨的一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。在測(cè)試HDMI 1.3信號(hào)時(shí)，工程師需要帶寬至少為8GHz的實(shí)時(shí)示波器。泰克開(kāi)發(fā)了可在示波器上運(yùn)行的Tektronix HT3 3.3.1等HDMI一致性測(cè)試軟件，它們還可以控制接收器和電纜測(cè)試中的DTG、AWG或AFG。自帶iConnect軟件的DSA8200采樣示波器則提供了完整的TDR、FEXT和偏移（Skew）測(cè)量功能，可完成HDMI的全部物理層測(cè)試。

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