汽车智能座舱的HDMI信号高速接口测试和仿真
高清多媒体接口英文全称high.definition.media.interface(简称hdmi)是一种全数字化的影音传输接口，由于hdmi可以同时传输视频和音频数据，且连接简单，兼容性好等特点，被广泛的应用在电视，机顶盒，投影仪等消费电子产品上，目前hdmi接口也广泛应用于汽车智能座舱中，如座舱娱乐系统。
图 1：汽车内部数据传输
消费者追求最佳娱乐体验；对于生产企业来说，采用新技术满足消费者需求，支持最佳影音娱乐体验的技术与产品往往获得消费者青睐；但另一方面，新技术的应用以及多变的市场状况会带来许多挑战。
启威测si实验室结合日常测试工作中的经验，了解最新的 hdmi 规范，整合行业内测试资源，助力企业产品研发测试验证，加快产品上市。
1 hdmi 测试方案 根据测试规范cts(compliance test specification)。hdmi测试分为物理层和协议层的测试，本文重点讲解物理层测试。 hdmi设备主要有三大类，分别如下： 源设备（source)：产生音视频信号输出的设备，如机顶盒等等； 接收设备（sink)：接收音视频信号并显示的设备，如显示器、电视、投影仪等； 中间的连接介质（ media)，如cable。
因此对于hdmi设备的测试项目也根据被测设备的不同分为3大类：source测试、sink测试、cable测试，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。
hdmi的测试需要在不同分辨率下进行： 信号低电平的测试,一般选择最低分辨率(640x480p)。 支持最高的分辨率下,进行时钟占空比/上升时间/时延等测试。 像素时钟在27mhz，74.25mhz，148.5mhz，222.75mhz下，需要进行时钟抖动和眼图等测试。
图2：汽车智能座舱各种高速接口测试
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，从上图可以看到，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。
图 3 hdmi 接口示意图
图4：hdmi接口
ddc.(display.data.channel). 使用 i2c 协议，source通过 ddc 读取 sink. 产品的 edid（包含 sink 支持的分辨率，最高速率等信息），确认最佳分辨率的输出。
2 hdmi 测试模式
为了追求更好的视觉效果和体验，人们不满足于4kp 60hz 显示分辨率， 也在追求8kp 60hz 和 4kp120hz 的体。但是8kp 60hz. 需要的带宽约 64g（rgb/ycbcr.44 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.4.0 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重新定义为 frl.lane3（时钟嵌入在数据流）；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。这样就实现了最高 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：
图 5. 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。 2.1 hdmi 2.1 源端测试 hdmi 信号测试软件会自动进行测试,并会给出一份详细数据指标的数值报告，同时会附带眼图等图形，测试的时候,tmds信号要求在接收端提供3.3v的直流偏置。示波器连接探头和夹具进行测试时，终端要给3.3v的直流偏置,才能测出信号输出。
hdmi2.1 总的测试项目有 9 个，如下表所示，以测试lane0 为例。
图6. hdmi 2.1 frl 测试内容
1) 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。 2) 测试信号速率是固定的，不需要随分辨率变化。 3) 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。 2.2 源端（source）测试的难点解决 2.2.1 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。
图 7. 泰克有源探头端接电压调节
2.2.2 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 8. 泰克三模探棒示意图
2.2.3 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 9. 复杂的信道、均衡及串扰
2.2.4 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 10. edid/scdc 示意图
2.3 hdmi2.1 frl 信号测试 自动化方案 配置一：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 11. 泰克 hdmi 2.1 示波器级联测试方案示意图
配置二：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。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。兼顾了成本和效率，同样通过 edid emulator 实现自动化的测试。
图 12. 泰克 hdmi2.1 三模探棒测试方案示意图
2.3.1 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 信号允许的最快上升时间 22.5ps20%-80%。示波器测量到上升时间可以用如下公式计算：
从下表可以看到带宽越高，上升时间的测量误差就越小。
图13 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 信号速率最高 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 最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。
3 hdmi仿真 对tmds差分线进行频域分析，进行s参数仿真，生成差分对差分损耗，来查看相关的技术指标，一般以-3db的基准来查看传输线的性能。
通过提取的s参数，搭建链路，赋予模型，即搭建等效电路模型，就可以进行时域分析，得到相关的仿真眼图（眼高、眼宽、抖动等），查看相关指标。可以通过与测试的结果进行对比，修改相关参数设置，来比拟测试结果。
4 hdmi 信号测试总结
启威测实验室采用泰克示波器方案，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，加快了测试速度。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。
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因此对于hdmi设备的测试项目也根据被测设备的不同分为3大类：source测试、sink测试、cable测试，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。
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ddc.(display.data.channel). 使用 i2c 协议，source通过 ddc 读取 sink. 产品的 edid（包含 sink 支持的分辨率，最高速率等信息），确认最佳分辨率的输出。
2 hdmi 测试模式
为了追求更好的视觉效果和体验，人们不满足于4kp 60hz 显示分辨率， 也在追求8kp 60hz 和 4kp120hz 的体。但是8kp 60hz. 需要的带宽约 64g（rgb/ycbcr.44 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.4.0 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.；
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frl.mode. 可以分为两种模式：
图 5. 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。 2.1 hdmi 2.1 源端测试 hdmi 信号测试软件会自动进行测试,并会给出一份详细数据指标的数值报告，同时会附带眼图等图形，测试的时候,tmds信号要求在接收端提供3.3v的直流偏置。示波器连接探头和夹具进行测试时，终端要给3.3v的直流偏置,才能测出信号输出。
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2.2.2 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 8. 泰克三模探棒示意图
2.2.3 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 9. 复杂的信道、均衡及串扰
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图 10. edid/scdc 示意图
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图 11. 泰克 hdmi 2.1 示波器级联测试方案示意图
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图 12. 泰克 hdmi2.1 三模探棒测试方案示意图
2.3.1 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 信号允许的最快上升时间 22.5ps20%-80%。示波器测量到上升时间可以用如下公式计算：
从下表可以看到带宽越高，上升时间的测量误差就越小。
图13 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 信号速率最高 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 最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。
3 hdmi仿真 对tmds差分线进行频域分析，进行s参数仿真，生成差分对差分损耗，来查看相关的技术指标，一般以-3db的基准来查看传输线的性能。
通过提取的s参数，搭建链路，赋予模型，即搭建等效电路模型，就可以进行时域分析，得到相关的仿真眼图（眼高、眼宽、抖动等），查看相关指标。可以通过与测试的结果进行对比，修改相关参数设置，来比拟测试结果。
4 hdmi 信号测试总结
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低功耗LCD显示驱动芯片AiP16C2X系列介绍
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