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

?圖 1：汽車內部數據傳輸

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

啟威測SI實驗室結合日常測試工作中的經驗，了解最新的 HDMI 規范，整合行業內測試資源，助力企業產品研發測試驗證，加快產品上市。

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

因此對于HDMI設備的測試項目也根據被測設備的不同分為3大類：Source測試、Sink測試、Cable測試，為了保證這些設備良好的兼容性，規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，適用于規范 HDMI1.4b 和 HDMI2.0。HDMI 接口使用 TMDS 編 碼 技 術，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. 作為數據通道，用來傳輸視頻和音頻數據。 ?

圖 3? HDMI 接口示意圖

圖4：HDMI接口

DDC.(Display.Data.Channel). 使用 I2C 協議，source通過 DDC 讀取 Sink. 產品的 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.4.0 編碼和視頻壓縮技術。 ? 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。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（時鐘嵌入在數據流）；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：

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據指標的數值報告，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 出 LTP5. 碼 型，Lane1/2/3. 分別發出 LTP6/7/8 的碼型，測試方法更復雜。 ? 2.2 源端（Source）測試的難點解決 2.2.1 端接電壓的實現 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。

圖 7. 泰克有源探頭端接電壓調節

2.2.2 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。 ?

圖 8. 泰克三模探棒示意圖

2.2.3 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）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，優化了算法，測試時間短。

圖 9. 復雜的信道、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，才能實現測試信號速率的變更。現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。

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 示波器級聯方案 兩臺 DPO70000SX 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。

圖 11. 泰克 HDMI 2.1 示波器級聯測試方案示意圖

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參數仿真，生成差分對差分損耗，來查看相關的技術指標，一般以-3dB的基準來查看傳輸線的性能。

通過提取的S參數，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，得到相關的仿真眼圖（眼高、眼寬、抖動等），查看相關指標。可以通過與測試的結果進行對比，修改相關參數設置，來比擬測試結果。

4 HDMI 信號測試總結

啟威測實驗室采用泰克示波器方案，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。

編輯：黃飛

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