随着智能汽车技术的飞速发展，车载娱乐系统对高清视频和音频传输的需求不断增加。HDMI（High-Definition Multimedia Interface，高清多媒体接口）作为一种能够同时传输视频和音频数据的接口技术，凭借其连接简单、兼容性好等特点，被广泛应用于汽车座舱娱乐系统中。本文将介绍HDMI技术的核心特性、应用场景以及泰克公司提供的测试解决方案。
HDMI接口可以划分为四种类型：Source（源设备）、Sink（接收设备）、Cable（线缆）和Repeater（中继器）。为了保证这些设备之间的良好兼容性，规范对电气信号提出了信号完整性的要求。HDMI接口使用TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号）编码技术，包含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，HDMI 2.0定义了每个通道最高6Gbps的速率，接口的总带宽最高可达18Gbps，能够满足4Kp60Hz所需的17.82Gbps带宽。
图2. HDMI 2.1 FRL模式示意图
随着人们对视觉体验要求的不断提高，4Kp60Hz的显示分辨率已无法满足需求，8Kp60Hz和4Kp120Hz的体验成为新的追求目标。然而，8Kp60Hz所需的带宽约为64G（RGB/YCbCr 4:4:4格式），远远超出了HDMI 2.0的支持范围。为此，HDMI协会引入了HDMI 2.1 FRL（Fixed Rate Link，固定速率链路）模式，通过提升通道数据速率和增加通道数量，实现了接口带宽的增加，满足了8Kp60Hz的需求。
在保持HDMI物理接口不变的情况下，每个通道支持的速率增加到了12Gbps，同时，原来的TMDS. Clock. channel被重定义为FRL.Lane3，共计有4个数据通道，从而实现了最高48Gbps的带宽。信号的编码方式也从TMDS的8b/10b改变为FRL的16b/18b格式，提高了编码效率。
HDMI 2.1源端测试挑战与泰克解决方案
HDMI 2.1的测试项目众多，以测试Lane0为例，测试信号是固定的码型，规范定义了8种码型Link training pattern 1～8，简写为LTP1～8，与HDMI 1.4b/2.0不同，对码型有明确要求。测试信号速率固定，不随分辨率变化。此外，还需要考虑其他lane的干扰，例如在HFR1-1项目中，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，测试方法更为复杂。
图3. HDMI 2.1 FRL测试内容
端接电压的实现
泰克示波器及探棒能够提供标准的3.3V端接电压，满足协会要求的一致性测试。在用户自定义模式下，还可以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4. 泰克有源探头端接电压调节
单端和差分信号的自动采集
在HDMI 1.4b/2.0测试中，采集单端信号和差分信号需要手动更改探棒硬件连接，过程繁琐且无法自动化，导致测试效率低下。泰克的Tri-mode探棒（三模探棒）在测试软件控制下，能够交替工作在单端模式（A-GND和B-GND），无需硬件连接的改变，即可实现8个单端信号的采集，并自动计算差分信号，从而实现了全部项目的自动化。
此外，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，进一步提高了测试效率。
图5. 泰克三模探棒示意图
解决测试复杂化的问题
图6. 复杂的信道、均衡及串扰
随着速率的提升，HDMI规范定义了新的均衡技术和cable模型，增加了测试过程的复杂性。规范定义了两种Cable mode：Category 3 Worst Cable Mode（WCM3）和Category 3 Short Cable Mode（SCM3），以及两种均衡：CTLE 1～8dB和DFE 1-tap d1 value 25mV。泰克方案针对这些情况，优化了算法，大大缩短了测试时间。
测试速率和码型自动切换以往测试需要手动更改分辨率来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中设置FRL Rate来确定测试信号速率，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，使测试过程完全自动化，提高了测试效率。
图7. EDID/SCDC示意图
泰克HDMI 2.1 FRL自动化测试方案
泰克提供了两种HDMI 2.1 FRL自动化测试方案：
配置一：DPO70000SX示波器级联方案
两台DPO70000SX示波器通过UltraSync cable同步级联，可以将8个通道的skew调整到1ps以内，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，自动计算生成4对差分信号。测试过程无需更改硬件连接，信号路径衰减小，测试速度快，效率高。搭配EDID emulator，可以实现速率和码型的自动切换。
配置二：DPO70000SX示波器搭配Tri-mode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。测试过程同样无需更改硬件连接。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。
示波器带宽的考量
HDMI 2.1规范中推荐示波器带宽为23GHz或以上。从上升时间和带宽的角度来看，HDMI 2.1信号允许的最快上升时间是22.5ps（20%-80%）。示波器测量到的上升时间可以用以下公式计算：
从下表可以看到，带宽越高，上升时间的测量误差就越小。
图8. 示波器上升时间的考量
从带宽角度看，示波器的带宽定义为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。HDMI 2.1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。
如果被测HDMI 2.1 DUT的FRL最高速率没有达到上限12Gbps，可以根据实际速率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。
总结
泰克示波器凭借通道可调端接电压、Tri-mode探棒的单端特性/示波器级联特性，以及与EDID/SCDC模拟器的配合，实现了HDMI 2.1 FRL源端测试的真正自动化，大幅提高了测试效率。专门针对FRL信号的优化算法加快了测试速度，帮助客户快速验证HDMI 2.1产品，加速产品市场化进程。随着HDMI技术在车载娱乐系统中的广泛应用，泰克的测试解决方案将继续为『工程师』提供强大的支持，助力车载娱乐系统的发展和创新。
