汽車智能座艙的HDMI信號高速接口測試和仿真

高清多媒體接口英文全稱High.Definition.Media.Interface(簡稱HDMI)是一種全數(shù)字化的影音傳輸接口，由于HDMI可以同時傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)，且連接簡單，兼容性好等特點，被廣泛的應(yīng)用在電視，機頂盒，投影儀等消費電子產(chǎn)品上，目前HDMI接口也廣泛應(yīng)用于汽車智能座艙中，如座艙娛樂系統(tǒng)。

?圖 1：汽車內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸

消費者追求最佳娛樂體驗；對于生產(chǎn)企業(yè)來說，采用新技術(shù)滿足消費者需求，支持最佳影音娛樂體驗的技術(shù)與產(chǎn)品往往獲得消費者青睞；但另一方面，新技術(shù)的應(yīng)用以及多變的市場狀況會帶來許多挑戰(zhàn)。

啟威測SI實驗室結(jié)合日常測試工作中的經(jīng)驗，了解最新的 HDMI 規(guī)范，整合行業(yè)內(nèi)測試資源，助力企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)測試驗證，加快產(chǎn)品上市。

1 HDMI?測試方案? 根據(jù)測試規(guī)范CTS(Compliance Test Specification)。HDMI測試分為物理層和協(xié)議層的測試，本文重點講解物理層測試。 ? HDMI設(shè)備主要有三大類，分別如下： 源設(shè)備（Source)：產(chǎn)生音視頻信號輸出的設(shè)備，如機頂盒等等； 接收設(shè)備（Sink)：接收音視頻信號并顯示的設(shè)備，如顯示器、電視、投影儀等； 中間的連接介質(zhì)（ Media)，如Cable。

因此對于HDMI設(shè)備的測試項目也根據(jù)被測設(shè)備的不同分為3大類：Source測試、Sink測試、Cable測試，為了保證這些設(shè)備良好的兼容性，規(guī)范對電氣信號做出了信號完整性的要求。

HDMI的測試需要在不同分辨率下進行： 信號低電平的測試,一般選擇最低分辨率(640x480p)。 支持最高的分辨率下,進行時鐘占空比/上升時間/時延等測試。 像素時鐘在27MHz，74.25MHz，148.5MHz，222.75MHz下，需要進行時鐘抖動和眼圖等測試。 ?

圖2：汽車智能座艙各種高速接口測試

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)，從上圖可以看到，接口共有 4 對 TMDS 差分信號，其中 TMDS.Clock.channel. 作為獨立的時鐘信號，用于同步和信號采集；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)。 ?

圖 3? HDMI 接口示意圖

圖4：HDMI接口

DDC.(Display.Data.Channel). 使用 I2C 協(xié)議，source通過 DDC 讀取 Sink. 產(chǎn)品的 EDID（包含 Sink 支持的分辨率，最高速率等信息），確認最佳分辨率的輸出。

2 HDMI 測試模式

為了追求更好的視覺效果和體驗，人們不滿足于4Kp 60Hz 顯示分辨率， 也在追求8Kp 60Hz 和 4Kp120Hz 的體。但是8Kp 60Hz. 需要的帶寬約 64G（RGB/YCbCr.44 格 式），遠遠超過了 HDMI2.0 的支持范圍。所以HDMI協(xié)會增加HDMI2.1.FRL（Fixed.Rate. Link）模式，實現(xiàn)接口帶寬的增加，滿足 8Kp60Hz 需要。同時需要結(jié)合相應(yīng)的 YCbCr.4.0 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，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，每個通道支持的速率增加到了 12Gbps.；

另外，原來的 TMDS.Clock.channel重新定義為 FRL.Lane3（時鐘嵌入在數(shù)據(jù)流）；TMDS.Data.0/1/2.分別對應(yīng) FRL.lane. 0/1/2，如下圖所示，共計有 4 個數(shù)據(jù)通道。這樣就實現(xiàn)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：

圖 5. 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。 ? 2.1 HDMI 2.1 源端測試 HDMI 信號測試軟件會自動進行測試,并會給出一份詳細數(shù)據(jù)指標的數(shù)值報告，同時會附帶眼圖等圖形，測試的時候,TMDS信號要求在接收端提供3.3V的直流偏置。示波器連接探頭和夾具進行測試時，終端要給3.3V的直流偏置,才能測出信號輸出。

HDMI2.1 總的測試項目有 9 個，如下表所示，以測試Lane0 為例。

圖6. HDMI 2.1 FRL 測試內(nèi)容

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(fā) 出 LTP5. 碼 型，Lane1/2/3. 分別發(fā)出 LTP6/7/8 的碼型，測試方法更復(fù)雜。 ? 2.2 源端（Source）測試的難點解決 2.2.1 端接電壓的實現(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準的 3.3V 端接電壓，用于協(xié)會要求的一致性測試。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，用于驗證源端芯片在端接電壓變化時的情況。

圖 7. 泰克有源探頭端接電壓調(diào)節(jié)

2.2.2 單端和差分信號的自動采集 對應(yīng)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(xiàn) 8 個單端信號的采集，再自動計算差分信號。從而實現(xiàn)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(lián)自動化方案，通過 8 個 channel 實現(xiàn)對 8 個單端信號的同時采集，測試效率更高。 ?

圖 8. 泰克三模探棒示意圖

2.2.3 解決測試復(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。 ?

泰克方案針對以上情況，優(yōu)化了算法，測試時間短。

圖 9. 復(fù)雜的信道、均衡及串擾

2.2.4 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(xiàn)測試信號速率的變更?，F(xiàn)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(shè)置測試信號速率， 在 offset 0x41/42 中為每個 Lane 設(shè)置碼型。實現(xiàn)了測試需要的速率和碼型的自動切換，實現(xiàn)了測試完全自動化，提高了測試效率。

圖 10. EDID/SCDC 示意圖

2.3? HDMI2.1 FRL 信號測試 自動化方案 配置一：DPO70000SX 示波器級聯(lián)方案 兩臺 DPO70000SX 示波器，使用 UltraSync cable 同步級聯(lián)，可以把 8 個通道的 skew 調(diào)整到 1ps 內(nèi)，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(xiàn)速率和碼型的自動切換。

圖 11. 泰克 HDMI 2.1 示波器級聯(lián)測試方案示意圖

配置二：DPO70000SX 示波器搭配 Trimode 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(xiàn)自動化的測試。 ?

圖 12. 泰克 HDMI2.1 三模探棒測試方案示意圖

2.3.1??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 22.5ps20%-80%。示波器測量到上升時間可以用如下公式計算： ?

從下表可以看到帶寬越高，上升時間的測量誤差就越小。

圖13? 示波器上升時間的考量

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(guī)性，示波器的帶寬越高越好。

3 HDMI仿真 對TMDS差分線進行頻域分析，進行S參數(shù)仿真，生成差分對差分損耗，來查看相關(guān)的技術(shù)指標，一般以-3dB的基準來查看傳輸線的性能。

通過提取的S參數(shù)，搭建鏈路，賦予模型，即搭建等效電路模型，就可以進行時域分析，得到相關(guān)的仿真眼圖（眼高、眼寬、抖動等），查看相關(guān)指標?？梢酝ㄟ^與測試的結(jié)果進行對比，修改相關(guān)參數(shù)設(shè)置，來比擬測試結(jié)果。

4 HDMI 信號測試總結(jié)

啟威測實驗室采用泰克示波器方案，利用通道可調(diào)端接電壓，Tri-mode. 探棒的單端特性 / 示波器級聯(lián)特性，以及與 EDID/SCDC 模擬器配合，實現(xiàn)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(yōu)化算法，加快了測試速度。從而幫助客戶快速驗證HDMI2.1 產(chǎn)品，加速客戶產(chǎn)品市場化的過程。

編輯：黃飛

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