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隨著智能汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，車載娛樂系統(tǒng)對高清視頻和音頻傳輸?shù)男枨蟛粩嘣黾?。HDMI（High-Definition Multimedia Interface，高清多媒體接口）作為一種能夠同時(shí)傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)的接口技術(shù)，憑借其連接簡單、兼容性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車座艙娛樂系統(tǒng)中。本文將介紹HDMI技術(shù)的核心特性、應(yīng)用場景以及泰克公司提供的測試解決方案。
HDMI技術(shù)在車載娛樂系統(tǒng)中的應(yīng)用場景
圖1. HDMI接口示意圖
HDMI接口可以劃分為四種類型：Source（源設(shè)備）、Sink（接收設(shè)備）、Cable（線纜）和Repeater（中繼器）。為了保證這些設(shè)備之間的良好兼容性，規(guī)范對電氣信號提出了信號完整性的要求。HDMI接口使用TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化傳輸差分信號）編碼技術(shù)，包含4對TMDS差分信號，其中TMDS.Clock.channel作為獨(dú)立的時(shí)鐘信號，用于同步和信號采集；TMDS.channel.0/1/2作為數(shù)據(jù)通道，用來傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)。例如，HDMI 2.0定義了每個(gè)通道最高6Gbps的速率，接口的總帶寬最高可達(dá)18Gbps，能夠滿足4Kp60Hz所需的17.82Gbps帶寬。
圖2. HDMI 2.1 FRL模式示意圖
隨著人們對視覺體驗(yàn)要求的不斷提高，4Kp60Hz的顯示分辨率已無法滿足需求，8Kp60Hz和4Kp120Hz的體驗(yàn)成為新的追求目標(biāo)。然而，8Kp60Hz所需的帶寬約為64G（RGB/YCbCr 4:4:4格式），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了HDMI 2.0的支持范圍。為此，HDMI協(xié)會(huì)引入了HDMI 2.1 FRL（Fixed Rate Link，固定速率鏈路）模式，通過提升通道數(shù)據(jù)速率和增加通道數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了接口帶寬的增加，滿足了8Kp60Hz的需求。在保持HDMI物理接口不變的情況下，每個(gè)通道支持的速率增加到了12Gbps，同時(shí)，原來的TMDS.Clock.channel被重定義為FRL.Lane3，共計(jì)有4個(gè)數(shù)據(jù)通道，從而實(shí)現(xiàn)了最高48Gbps的帶寬。信號的編碼方式也從TMDS的8b/10b改變?yōu)镕RL的16b/18b格式，提高了編碼效率。
HDMI 2.1源端測試挑戰(zhàn)與泰克解決方案
HDMI 2.1的測試項(xiàng)目眾多，以測試Lane0為例，測試信號是固定的碼型，規(guī)范定義了8種碼型Link training pattern 1～8，簡寫為LTP1～8，與HDMI 1.4b/2.0不同，對碼型有明確要求。測試信號速率固定，不隨分辨率變化。此外，還需要考慮其他lane的干擾，例如在HFR1-1項(xiàng)目中，測試Lane0時(shí)，需要Lane0發(fā)出LTP5碼型，Lane1/2/3分別發(fā)出LTP6/7/8的碼型，測試方法更為復(fù)雜。
圖3. HDMI 2.1 FRL測試內(nèi)容
端接電壓的實(shí)現(xiàn)
泰克示波器及探棒能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的3.3V端接電壓，滿足協(xié)會(huì)要求的一致性測試。在用戶自定義模式下，還可以提供可調(diào)的端接電壓，例如設(shè)置3.0V的端接電壓，用于驗(yàn)證源端芯片在端接電壓變化時(shí)的情況。
圖4. 泰克有源探頭端接電壓調(diào)節(jié)
單端和差分信號的自動(dòng)采集
在HDMI 1.4b/2.0測試中，采集單端信號和差分信號需要手動(dòng)更改探棒硬件連接，過程繁瑣且無法自動(dòng)化，導(dǎo)致測試效率低下。泰克的Tri-mode探棒（三模探棒）在測試軟件控制下，能夠交替工作在單端模式（A-GND和B-GND），無需硬件連接的改變，即可實(shí)現(xiàn)8個(gè)單端信號的采集，并自動(dòng)計(jì)算差分信號，從而實(shí)現(xiàn)了全部項(xiàng)目的自動(dòng)化。此外，泰克還提供兩臺(tái)示波器級聯(lián)自動(dòng)化方案，通過8個(gè)channel實(shí)現(xiàn)對8個(gè)單端信號的同時(shí)采集，進(jìn)一步提高了測試效率。
圖5. 泰克三模探棒示意圖
解決測試復(fù)雜化的問題
圖6. 復(fù)雜的信道、均衡及串?dāng)_
隨著速率的提升，HDMI規(guī)范定義了新的均衡技術(shù)和cable模型，增加了測試過程的復(fù)雜性。規(guī)范定義了兩種Cable mode：Category 3 Worst Cable Mode（WCM3）和Category 3 Short Cable Mode（SCM3），以及兩種均衡：CTLE 1～8dB和DFE 1-tap d1 value 25mV。泰克方案針對這些情況，優(yōu)化了算法，大大縮短了測試時(shí)間。
測試速率和碼型自動(dòng)切換
以往測試需要手動(dòng)更改分辨率來實(shí)現(xiàn)測試信號速率的變更?，F(xiàn)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中設(shè)置FRL Rate來確定測試信號速率，在offset 0x41/42中為每個(gè)Lane設(shè)置碼型，實(shí)現(xiàn)了測試需要的速率和碼型的自動(dòng)切換，使測試過程完全自動(dòng)化，提高了測試效率。
圖7. EDID/SCDC示意圖
泰克HDMI 2.1 FRL自動(dòng)化測試方案
泰克提供了兩種HDMI 2.1 FRL自動(dòng)化測試方案：
配置一：DPO70000SX示波器級聯(lián)方案
兩臺(tái)DPO70000SX示波器通過UltraSync cable同步級聯(lián)，可以將8個(gè)通道的skew調(diào)整到1ps以內(nèi)，確保所有單端信號采集的同步性。同時(shí)采集8個(gè)單端信號后，自動(dòng)計(jì)算生成4對差分信號。測試過程無需更改硬件連接，信號路徑衰減小，測試速度快，效率高。搭配EDID emulator，可以實(shí)現(xiàn)速率和碼型的自動(dòng)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(gè)單端信號的采集。測試過程同樣無需更改硬件連接。示波器會(huì)對探棒進(jìn)行自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的測試。
示波器帶寬的考量
HDMI 2.1規(guī)范中推薦示波器帶寬為23GHz或以上。從上升時(shí)間和帶寬的角度來看，HDMI 2.1信號允許的最快上升時(shí)間是22.5ps（20%-80%）。示波器測量到的上升時(shí)間可以用以下公式計(jì)算：
從下表可以看到，帶寬越高，上升時(shí)間的測量誤差就越小。
圖8. 示波器上升時(shí)間的考量
從帶寬角度看，示波器的帶寬定義為觀察到的正弦波幅度衰減-3dB的頻率。在實(shí)際測試過程中，非正弦波信號需要考慮3次～5次諧波。HDMI 2.1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(huì)被衰減超過-3dB。
如果被測HDMI 2.1 DUT的FRL最高速率沒有達(dá)到上限12Gbps，可以根據(jù)實(shí)際速率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(guī)性，示波器的帶寬越高越好。
總結(jié)
泰克示波器憑借通道可調(diào)端接電壓、Tri-mode探棒的單端特性/示波器級聯(lián)特性，以及與EDID/SCDC模擬器的配合，實(shí)現(xiàn)了HDMI 2.1 FRL源端測試的真正自動(dòng)化，大幅提高了測試效率。專門針對FRL信號的優(yōu)化算法加快了測試速度，幫助客戶快速驗(yàn)證HDMI 2.1產(chǎn)品，加速產(chǎn)品市場化進(jìn)程。隨著HDMI技術(shù)在車載娛樂系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，泰克的測試解決方案將繼續(xù)為工程師提供強(qiáng)大的支持，助力車載娛樂系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)新。
