玩转HDMI2.1源端测试之【规范解读篇】

时间：2019-09-02 19:37:02

关键字： hdmi 视频电气信号

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[导读]由于HDMI (High Definition Media Interface/高清多媒体接口)可以同时传输视频和音频数据、连接简单、兼容性好等特点，被广泛的应用在消费电子产品上(例如电视、机顶盒、投影仪等)。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。

由于HDMI(High Definition Media Interface/高清多媒体接口)可以同时传输视频和音频数据、连接简单、兼容性好等特点，被广泛的应用在消费电子产品上(例如电视、机顶盒、投影仪等)。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。

目前市面上HDMI主流标准是1.4b和2.0，对应支持的最大分辨率/刷新率分别是4K@30Hz和4K@60Hz。随着对更高分辨率和刷新率需求的增加，HDMI协会于2017年11月推出了HDMI2.1版本，增加了FRL(Fixed Rate Link)模式，支持8K@60Hz和4K@120Hz。

FRL模式

FRL具体的变化：1)HDMI接口的独立时钟信号改为嵌入在数据中，在接收端使用时钟恢复单元恢复出时钟; 2)用于传递音视频数据的通道最多为4个，每个通道最高支持12Gpbs的速率;3)编码方式从8b/10b变为16b/18b，编码效率更高。接口物理形式没有变化，原来的TMDS Clock channel重定义为FRL lane3;TMDS Data 0/1/2分别对应FRL lane 0/1/2，如下图所示。

FRL模式，只有3 lanes和4 lanes工作模式，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6/8/10/12Gbps四种速率。

HDMI2.1 Source和Sink的Link Training Procedure

Source首先要读取Sink的EDID(EDID是I2C地址为0xA0/0xA1，长度为256字节的存储空间，包含Sink所支持的分辨率和最高速率等信息)，输出sink所支持的分辨率/速率。Source不能输出Sink EDID未支持的分辨率/速率。支持HDMI2.1的Sink，一定要在EDID的HF-VSDB对应字节把SCDC_Present设置为1，Max_FRL_Rate设置范围是1到6，数字0代表不支持FRL模式，其他值为保留值。在SCDC中把Sink version设置为1。

Max_FRL_Rate值具体含义如下，数字1代表仅仅支持3 lanes模式下的3Gbps速率，其他速率和lane配置不支持;数字3代表支持3 lanes模式下的3Gbps和6Gbps速率;4 lanes模式下仅仅支持6Gbps速率，其他速率不支持。其他数字的含义类推。

SCDC是I2C地址为0xA8/A9的存储空间，用于Source和Sink沟通交换状态和控制信息，部分字节Source和Sink都可以读写。与EDID不同，EDID对source是只读的。HDMI2.1 Source和Sink沟通过程中，会使用到Sink version，Update Flags，Sink Configuration，Status Flags等信息。

支持FRL模式的Source和Sink首次建立连接，需要进行Link Training，更新FRL rate也需要进行Link Training。

首次Training会依次经历4个link training state：

Source TX测试都是在LTS:3状态下完成，测试设备把SCDC FLT_no_timeout设置为1，这样source超过LT Tflt =200ms时，才不会退出FRL LT状态。测试项目需要pattern和FFE level也是在这个状态下请求和发出的。

当Link更新FRL rate时，会使用到状态LTS:4 Update FRL_Rate;当Link training失败或者超时，会进入状态LTS:L Legacy TMDS。Source和Sink工作在TMDS模式，也就是HDMI1.4b/2.0模式。Link training状态转换也可以参考下图。

HDMI2.1 FRL测试项目要求及方案配置

由于FRL模式最高支持12Gbps速率，要求示波器带宽不低于23G。有两种配置方式适用不同客户需求;另外需要HDMI2.1的治具，EDID/SCDC controller也需要支持HDMI2.1以实现自动化的测试。

配置一：使用SMA cable方法

两台DPO 70000 SX示波器，使用UltraSync cable同步，可以把所有通道的skew调整到1ps内，确保所有单端信号采集的同步性。治具到示波器的连接使用SMA cable，支持同时采集4个lane FRL信号，测试过程不需要更改硬件连接，信号路径没有衰减，测试速度快。

配置二：使用Tri-mode探棒P76/77xx

P76/77xx 探棒搭配SMA转换头可以实现与治具的连接。

利用Tri-mode探棒的特性，示波器自动控制探棒工作在单端模式A-GND和B-GND，分多次完成对4 lane FRL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。

Tekexpress FRL设置

FRL模式测试软件为Tekexpress FRL，软件界面如下。根据待测产品的技术规格，选择支持的最低速率和最高速率。在Multi-lane setup中选择需要测试lane。Test Selection界面选择相应测试项目，测试项目不再区分单端和差分，因为测试方案可以自动实现所有单端信号的采集和差分信号的运算。无论采用哪种配置，通过泰克自动化测试方案，可以快速的完成对FRL信号的验证。