玩轉HDMI2.1 源端測試之【入門基礎篇】

2019-09-03 00:56:26 來源:泰克
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。


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。
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