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玩转 HDMI2.1 源端测试之【入门基础篇】

2019-08-16 Tektronix 阅读:
玩转 HDMI2.1 源端测试之【入门基础篇】
为了追求更好的视觉效果和体验,人们不满足于4Kp60Hz显示分辨率,也在追求8Kp60Hz和 4Kp120Hz的体验。但是8Kp60Hz 需要的带宽约64G(RGB/YCbCr 4:4:4格式),远远超过了HDMI2. 0的支持范围。所以HDMI协会增加HDMI2.1 FRL(Fixed Rate Link)模式,实现接口带宽的增加,满足8Kp60Hz需要。同时需要结合相应的YCbCr 4:2: 0编码和视频压缩技术。

在HDMI2.1源端测试中,示波器模拟了sink的行为,提供了端接电阻和端接电压。EDID 仿真器模拟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, 完成与source的沟通,使source输出需要TMDS信号。测试项目分为单端信号测试和差分信号测试,对应的连接方式分别为单端连接和差分连接,用于采集单端信号和差分信号,以便完成相应的测试项目。Y6Pednc

HDMI1.4b/2.0的测试难点:Y6Pednc

  1. 一些方案端接电压需要外接电源提供,或者端接电压不可调,无法验证极限情况;
  2. 单端测试和差分测试信号采集需要更改硬件连接,过程繁琐耗时;
  3. 测试信号速率随着分辨率变化,需要手动设置分辨率,测试无法自动化;

这些问题在泰克HDMI2.1 FRL 测试方案中都得到了完美的解决。Y6Pednc

为了追求更好的视觉效果和体验,人们不满足于4Kp60Hz显示分辨率,也在追求8Kp60Hz和  4Kp120Hz的体验。但是8Kp60Hz 需要的带宽约64G(RGB/YCbCr 4:4:4格式),远远超过了HDMI2. 0的支持范围。所以HDMI协会增加HDMI2.1 FRL(Fixed Rate Link)模式,实现接口带宽的增加,满足8Kp60Hz需要。同时需要结合相应的YCbCr 4:2: 0编码和视频压缩技术。Y6Pednc

FRL模式如何实现带宽的增加

FRL模式增加带宽的常用方法有两种,方法一:提升通道数据速率;方法二:速率不变时,增量通道数量。FRL模式这两种方法都有使用。在保持HDMI物理接口不变的情况,每个通道支持的速率增加到了12Gbps ;另外,原来的TMDS Clock channel重定义为FRL Lane3(时钟嵌入在数据流中); TMDS Data 0/1/2 分别对应FRL lane 0/1/2,如下图所示,共计有4个数据通道。这样就实现了最高48Gbps的带宽。信号的编码方式从TMDS的 8b/10b改变为FRL 16b/18b格式,编码效率更高。Y6Pednc

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FRL mode 可以分为两种模式:3 lanes 工作模式下, 仅仅支持3 Gbps和6Gbps 两种速率;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 四种速率。Y6Pednc

HDMI2.1源端测试

总的测试项目有9个,如下表所示,以测试Lane0 为例。Y6Pednc

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  1. 测试信号是固定的码型,测试共定义8种码型Link training pattern 1~8,简写为LTP1~8。不像HDMI1.4b/2.0 ,对码型没有要求。
  2. 测试信号速率是固定的,不需要随分辨率变化。
  3. 需要考虑其他lane的干扰,例如HFR1-1项目,测试Lane0时,需要Lane0 发出LTP5 码型, Lane1/2/3 分别发出LTP6/7/8的码型, 测试方法更复杂。

源端测试的难点解决

• 端接电压的实现Y6Pednc

泰克示波器和探棒,不需要外接电源,本身不仅可以提供标准的3.3V端接电压,用于协会要求的一致性测试。在用户自定义模式下,还提供可调的端接电压,例如设置3.0V的端接电压,用于验证源端芯片在端接电压变化时的情况。Y6Pednc

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单端和差分信号的自动采集Y6Pednc

对应单端项目和差分项目,测试时需要分别采集单端信号和差分信号;在HDMI1.4b/2.0测试中,都是通过差分探棒采集差分信号;手动更改探棒硬件连接后,采集单端信号。更改连接繁琐,无法自动化,造成了测试效率低。Y6Pednc

泰克Tri-mode 探棒(三模探棒), 在测试软件控制下,交替工作在单端模式(A-GND和B-GND),无需硬件连接的改变,可以实现8个单端信号的采集,再自动计算差分信号,从而实现了全部项目的自动化。除了三模探棒方案外, 泰克还提供两台示波器级联自动化方案,通过8个channel 实现对8个单端信号的同时采集,测试效率更高。Y6Pednc

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解决测试复杂化的问题Y6Pednc

随着速率的提升,HDMI规范定义新的均衡技术和cable 模型,也造成了测试过程的复杂化。规范定义两种Cable mode: Category 3 Worst Cable Mode(WCM3)和 Category 3 Short Cable Mode (SCM3)。两种均衡: CTLE 1~8 dB和 DFE 1-tap d1 value 25mV。Y6Pednc

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在TP1采集信号后,应用 cable 模型,得到TP2位置的波形,再应用参考均衡后得到TP2_EQ位置的波形。Y6Pednc

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眼图计算方法更为复杂,既要考虑Cable 模型的插入损耗,也要考虑其他数据线引入的串扰。Y6Pednc

泰克方案针对以上情况,优化了算法, 测试时间短。Y6Pednc

测试速率和码型自动切换Y6Pednc

以前测试需要手动更改分辨率,才能实现测试信号速率的变更。现在泰克通过测试软件与EDID/SCDC模拟器的配合,在SCDC(Status and Control Data Channel) offset 0x31中FRL_Rate设置测试信号速率, 在offset 0x41/42中为每个Lane 设置码型。实现了测试需要的速率和码型的自动切换,实现了测试完全自动化,提高了测试效率。Y6Pednc

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泰克HDMI2.1 FRL自动化方案

配置一:DPO 70000 SX示波器级联方案。两台DPO 70000 SX示波器,使用UltraSync cable同步级联,可以把8个通道的skew调整到1ps内,确保所有单端信号采集的同步性。同时采集8个单端信号后,再自动计算生成4对差分信号。 测试过程不需要更改硬件连接, 信号路径衰减小,测试速度快,效率高。搭配EDID emulator,实现速率和码型的自动切换。Y6Pednc

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配置二:DPO70000SX示波器搭配Tri-mode探棒。利用Tri-mode探棒的特性,在测试软件控制下,交替工作在单端模式(A-GND和B-GND),分次完成对8个单端信号的采集。 测试过程也不需要更改硬件连接。连接示意图如下,示波器会对探棒进行自动去嵌,消除探棒对信号的影响。兼顾了成本和效率,同样通过EDID emulator实现自动化的测试。Y6Pednc

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示波器带宽的考量

在HDMI2.1规范中推荐示波器带宽是23GHz或者以上。出于成本考虑,大家也许会问,16GHz 或者20GHz带宽的示波器可以吗?一方面可以从上升时间和带宽的角度来看,HDMI2.1 信号允许的最快上升时间22.5ps(20%-80%)。示波器测量到上升时间可以用如下公式计算:Y6Pednc

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从上表可以看到带宽越高,上升时间的测量误差就越小。从带宽角度看,示波器的带宽定义是示波器观察到的正弦波幅度衰减-3dB的频率。在实际测试过程中,非正弦波信号需要考虑3次~5次谐波。HDMI2.1 信号速率最高12Gbps,基频是6GHz, 3次谐波频率是18GHz,16GHz带宽的示波器测量到3次谐波成分会被衰减超过-3dB。另一方面被测HDMI2.1 DUT的FRL最高速率没有达到上限12Gbps的话,可以按照上面的计算方法实际评估示波器的带宽需求。Y6Pednc

简单来说,为了保证更好的测量精度以及测试的合规性,示波器的带宽越高越好。Y6Pednc

总结

泰克示波器利用通道可调端接电压,Tri-mode 探棒的单端特性/示波器级联特性,以及与EDID/SCDC模拟器配合,实现了HDMI2.1 FRL 源端测试的真正自动化,提高了测试效率。 专门针对FRL信号的优化算法,加快了测试速度。从而帮助客户快速验证HDMI2.1 产品, 加速客户产品市场化的过程。Y6Pednc

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