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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较高6Gbps的速率,接口的总带宽较高为3.channel.x. 6Gbps.=18Gbps,刚好满 足4Kp60Hz需要的17.82Gbps的带宽。

图1HDMI 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。这样就实现了较高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:

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1HDMI 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 信号允许的非常快上升时间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信号速率较高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较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。

文章来自:https://www.eet-china.com/

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