电动汽车智能座舱HDMI显示接口测试难点

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。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。而最新的HDMI2.1 FRL模式这两种方法都有使用。

HDMI可以同时传输视频和音频数据，且连接简单、兼容性好，被广泛应用在消费电子产品上，例如电视、机顶盒、投影仪以及汽车座舱娱乐系统等。HDMI 系统可以划分4个种类，Source、Sink、Cable和Repeater，为了保证这些设备良好的兼容性，规范对电气信号做出了信号完整性的要求。 

下图为HDMI接口的示意图，适用于规范HDMI1.4b和HDMI2.0。HDMI接口使用TMDS编码技术，接口共有4对TMDS差分信号，其中TMDS.Clock.channel作为独立的时钟信号，用于同步和信号采集；TMDS.channel.0/1/2作为数据通道， 用来传输视频和音频数据。例如HDMI2.0 定义了每个channel最高6Gbps的速率，接口的总带宽最高为3.channel.x. 6Gbps.=18Gbps，刚好满 足4Kp60Hz需要的17.82Gbps的带宽。

图1. HDMI 接口示意图

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。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。而最新的HDMI2.1 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。 

FRL.mode. 可以分为两种模式：

图2. HDMI 2.1 FRL 模式示意图

3 lanes工作模式下，仅仅支持3Gbps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。 

源端测试的难点解决

HDMI2.1 总的测试项目有9个，如下表所示，以测试Lane0为例。

表1. HDMI 2.1 FRL测试内容

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。 

测试信号速率是固定的，不需要随分辨率变化。 

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。

端接电压的实现 

泰克示波器及探棒，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。

单端和差分信号的自动采集 

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。 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。

图3. 泰克三模探棒示意图

解决测试复杂化的问题 

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）and Category 3 Short Cable Mode（SCM3）。两种均衡：CTLE 1 ～ 8dB 和 DFE 1-tap d1 value 25mV。 

泰克方案针对以上情况，优化了算法，测试时间短。

图 4. 复杂的信道、均衡及串扰

测试速率和码型自动切换 

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。

图 5. EDID/SCDC 示意图

泰克HDMI2.1 FRL自动化方案 

配置1：DPO70000SX示波器级联方案 

两台DPO70000SX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。

图 6. 泰克 HDMI 2.1 示波器级联测试方案示意图

配置2：DPO70000SX示波器搭配Trimode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。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。

图 7. 泰克 HDMI2.1三模探棒测试方案示意图

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22.5ps20%-80%。从下表可以看到带宽越高，上升时间的测量误差就越小。

表2 示波器上升时间的考量

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。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。 

小结 

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，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。