玩转HDMI2.1 源端测试之【规范解读篇】

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。

    Version  1.4b  2  2.1（FRL mode）
  Date release  May-09  Sep-13  Nov-17
  Max Resolution  4K@30Hz  4K@60Hz  8K@60Hz, 4K@120Hz
  Max Clock rate (MHz)  340  148.5  Embedded
  Clock/Data ratio  1:10  1:40  NA
  Max Data rate /channel (Gbps)  3.4  6  12
  Max Total throughput (Gbps)  10.2  18  48
  YCbCr 4:2:0 Support  No  Yes  Yes

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3 Gbps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。



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：


    LT State  Source Behavior  Sink Behavior
  LTS:1  读取解析EDID后，判断Sink 是否支持FRL mode，  满足以下3个条件为支持  提供EDID和设置SCDC
  Read EDID  FRL_Max_Rate  >0
  　  SCDC_present =1
  　  Sink Version !=0
  LTS:2   Source  反复查询，直到SCDC FLT_Ready 为1  Sink准备好link training时，把SCDC  FLT_Ready设置为1
  Prepare for FRL  设置FRL_Rate和FFE level
  LTS:3   根据Ln(x)_LTP_req寄存器值，发出相应pattern  设置FRL_Start=0
  Training in progress  Ln(x)_LTP_req=0  进入下个LTS:P 状态  通过Ln(x)_LTP_req寄存器，为每个lane请求pattern
  LTS:P  开始FRL 传输  检测到FRL 传输后，设置FRL_Start=1， 准备接收音视频
  FRL training passed  查询FRL_Start=1才开始音视频传输


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



    项目  HDMI1.4b/2.0  HDMI2.1
  Pattern  没有pattern要求，  需要相应pattern，
  输出相应分辨率即可  共定义了8种Link Training Pattern，  依次简写为LTP1～LTP8。其中LTP5只在FRL Lane0上传输，LTP6/7/8 依次对应到FRL Lane1/2/3。
  串扰  NA  计算眼图时，需要考虑其他lane引入的串扰
  Data Rate  1.4b测试的速率与分辨率对应，    常测的有0.27/742.5/1.485/2.97 Gbps
  2.0   测试的速率与分辨率对应，     常测的有3.71/4.45/5.94Gbps
  2.1   测试信号速率与分辨率无法，是固定速率3/6/8/10/12Gbps
  以眼图为例：
  1.4b要求测试所有速率下的眼图。
  2.0和2.1  只要求测试最大速率和最小速率的眼图。



    Equipment/Accessories  Details  Quantity
  Scope  DPO 70000 SX  Oscilloscopes with BW ≥ 23GHz   1 or 2
  Probe  P76/77XX  Tri-mode probe   4
  or SMA matched pair cables
  Fixture  HDMIA2.1-TPA-P   1
  Controller  EDID/SCDC  controller  1
  Software Options  Opt DJA, Opt  DJAN, Opt SDLA, and Opt HDMI21_TX  1 each
  UltraSync cable  Required only for  stacked SX configuration  1 (Optional)


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。


  
想要了解更多详情敬请点击：https://www.tek.com.cn/technology/hdmi-dvi