【導讀】HDMI可以同時傳輸視頻和音頻數據，且連接簡單、兼容性好，被廣泛應用在消費電子產品上，例如電視、機頂盒、投影儀以及汽車座艙娛樂系統等。HDMI 系統可以劃分4個種類，Source、Sink、Cable和Repeater，為了保證這些設備良好的兼容性，規范對電氣信號做出了信號完整性的要求。
HDMI可以同時傳輸視頻和音頻數據，且連接簡單、兼容性好，被廣泛應用在消費電子產品上，例如電視、機頂盒、投影儀以及汽車座艙娛樂系統等。HDMI 系統可以劃分4個種類，Source、Sink、Cable和Repeater，為了保證這些設備良好的兼容性，規范對電氣信號做出了信號完整性的要求。
下圖為HDMI接口的示意圖，適用于規范HDMI1.4b和HDMI2.0。HDMI接口使用TMDS編碼技術，接口共有4對TMDS差分信號，其中TMDS.Clock.channel作為獨立的時鐘信號，用于同步和信號采集；TMDS.channel.0/1/2作為數據通道， 用來傳輸視頻和音頻數據。例如HDMI2.0 定義了每個channel最高6Gbps的速率，接口的總帶寬最高為3.channel.x. 6Gbps.=18Gbps，剛好滿 足4Kp60Hz需要的17.82Gbps的帶寬。
圖1. HDMI 接口示意圖
為了追求更好的視覺效果和體驗，人們不滿足于4Kp60Hz顯示分辨率，也在追求8Kp60Hz和4Kp120Hz的體驗。但是8Kp60Hz需要的帶寬約64G（RGB/YCbCr.4:4:4 格 式），遠遠超過了HDMI2.0的支持范圍。 所以HDMI協會增加HDMI2.1.FRL（Fixed.Rate. Link）模式，實現接口帶寬的增加，滿足 8Kp60Hz 需要。同時需要結合相應的YCbCr.4:2:.0 編碼和視頻壓縮技術。常用方法有兩種，方法一：提升通道數據速率；方法二：速率不變時，增量通道數量。而最新的HDMI2.1 FRL模式這兩種方法都有使用。
在保持HDMI物理接口不變的情況，每個通道支持的速率增加到了12Gbps.；另外，原來的 TMDS.Clock.channel重定義為FRL. Lane3（時鐘嵌入在數據流中）； TMDS.Data.0/1/2分別對應 FRL.lane. 0/1/2，如下圖所示，共計有4個數據通道。這樣就實現了最高48Gbps的帶寬。信號的編碼方式從TMDS的8b/10b改變為FRL.16b/18b格式，編碼效率更高。
FRL.mode. 可以分為兩種模式：
圖2. HDMI 2.1 FRL 模式示意圖
3 lanes工作模式下，僅僅支持3Gbps和6Gbps兩種速率；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四種速率。
源端測試的難點解決
HDMI2.1 總的測試項目有9個，如下表所示，以測試Lane0為例。
表1. HDMI 2.1 FRL測試內容
測試信號是固定的碼型，測試共定義8種碼型 Link training pattern 1 ～ 8，簡寫為LTP1 ～ 8。不像HDMI1.4b/2.0，對碼型沒有要求。
測試信號速率是固定的，不需要隨分辨率變化。
需要考慮其他lane的干擾，例如HFR1-1項目，測試Lane0時，需要Lane0發出LTP5碼型， Lane1/2/3分別發出LTP6/7/8 的碼型，測試方法更復雜。
端接電壓的實現
泰克示波器及探棒，不需要外接電源，本身不僅可以提供標準的3.3V端接電壓，用于協會要求的一致性測試。在用戶自定義模式下，還提供可調的端接電壓，例如設置3.0V的端接電壓，用于驗證源端芯片在端接電壓變化時的情況。
單端和差分信號的自動采集
對應單端項目和差分項目，測試時需要分別采集單端 信號和差分信號；在 HDMI1.4b/2.0 測試中，都是通 過差分探棒采集差分信號；手動更改探棒硬件連接后， 采集單端信號。更改連接繁瑣，無法自動化，造成了測試效率低。 泰克Tri-mode. 探棒（三模探棒），在測試軟件控制下，交替工作在單端模式（A-GND 和 B-GND）， 無需硬件連接的改變，可以實現8個單端信號的采集， 再自動計算差分信號。從而實現了全部項目的自動化。 除了三模探棒方案外，泰克還提供兩臺示波器級聯自動化方案，通過8個channel實現對8個單端信號的同時采集，測試效率更高。
圖3. 泰克三模探棒示意圖
解決測試復雜化的問題
隨著速率的提升，HDMI 規范定義新的均衡技術和 cable. 模型，也造成了測試過程的復雜化。規范定義兩種Cable mode: Category 3 Worst Cable Mode（WCM3）and Category 3 Short Cable Mode（SCM3）。兩種均衡：CTLE 1 ～ 8dB 和 DFE 1-tap d1 value 25mV。
泰克方案針對以上情況，優化了算法，測試時間短。
圖 4. 復雜的信道、均衡及串擾
測試速率和碼型自動切換
以前測試需要手動更改分辨率，才能實現測試信號 速率的變更。現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FRL Rate設置測試信號速率， 在offset 0x41/42 中為每個Lane設置碼型。實現了測試需要的速率和碼型的自動切換，實現了測試完全自動化，提高了測試效率。
圖 5. EDID/SCDC 示意圖
泰克HDMI2.1 FRL自動化方案
配置1：DPO70000SX示波器級聯方案
兩臺DPO70000SX示波器，使用UltraSync cable同步級聯，可以把8個通道的skew調整到1ps內，確保所有單端信號采集的同步性。同時采集 8 個單端信號后，再自動計算生成4對差分信號。測試過程不需要更改硬件連接，信號路徑衰減小，測試速度快，效率高。搭配EDID emulator，實現速率和碼型的自動切換。
圖 6. 泰克 HDMI 2.1 示波器級聯測試方案示意圖
配置2：DPO70000SX示波器搭配Trimode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個單端信號的采集。測試過程也不需要更改硬件連接。示波器會對探棒進行自動去嵌，消除探棒對信號的影響。兼顧了成本和效率，同樣通過EDID emulator實現自動化的測試。
圖 7. 泰克 HDMI2.1三模探棒測試方案示意圖
示波器帶寬的考量
在HDMI2.1規范中推薦示波器帶寬是23GHz或者以上。出于成本考慮，大家也許會問，16GHz或者 20GHz帶寬的示波器可以嗎？一方面可以從上升時間和帶寬的角度來看。HDMI2.1 信號允許的最快上升時間22.5ps20%-80%。從下表可以看到帶寬越高，上升時間的測量誤差就越小。
表2 示波器上升時間的考量
從帶寬角度看，示波器的帶寬定義：是示波器觀察到的正弦波幅度衰減 -3dB 的頻率。在實際測試過程中， 非正弦波信號需要考慮3 次～5次諧波。HDMI2.1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次諧波成分會被衰減超過 -3dB。
另一方面被測HDMI2.1.DUT的FRL最高速率沒有達到上限12Gbps的話，可以按照上面的計算方法實際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性，示波器的帶寬越高越好。
總結
泰克示波器利用通道可調端接電壓，Tri-mode探棒的單端特性/示波器級聯特性，以及與EDID/SCDC 模擬器配合，實現了HDMI2.1 FRL 源端測試的真正自動化，提高了測試效率。專門針對FRL信號的優化算法，從而幫助客戶快速驗證HDMI2.1產品，加速客戶產品市場化的過程。
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