HDMI的发展历史介绍

HDMI的发展历史介绍

HDMI Forum， Inc. 2017

在HDMI1.0到HDMI2.1发展过程中，HDMI的组织发生着一系列变化，早期的HDMI1.1~1.4b是由7C制定的，负责HDMI官方规范的定义、开发及license的一些授权。

HDMI Forum于2013年发布了HDMI2.0规范，数据速率由3.4Gbps/lane上升到6Gbps/lane，可以支持4K@30Hz 和 4K@60Hz的高清显示。

从Agilent到Keysight在HDMI测试方案开发及标准的制定中做出的贡献是居功至伟的，从2003年HDMI1.1开始就参与测试标准的开发制定，到HDMI1.3/1.4再到现在HDMI2.0/2/1测试规范的开发及MOI的制定，Keysight一直是协会董事会BOD（Board Of Director）的重要成员，Keysight专家Brian Fetz做为HDMI Fourm的TSG（Test SubGroup）主席在GCTS， Test Events， MOIs， MOI approvals， CTS等方面做出非常大的贡献，在HDMI测量领域，Keysight一直主导HDMI测试领域的发展。

同时HDMI组织制定了CTS（Compliance Test Specification）规范，要求各家HDMI设备生产厂商均要进行一致性测试，也就是用“同一把尺子”去衡量各自的产品，也就是使用同样的测试码型，同样的测试连接方式，同样的测量算法等，目的是能够使不同的产品具有良好的兼容性及互联互通性。

二

HMDI2.1 FRL新的特性

这里注意一点，HDMI2.1的版本推出之后，将HDMI2.0纳入到了HDMI2.1版本之中，也就是HDMI2.0已经不存在了，但HDMI1.4还是存在的，因为HDMI1.4是“7C” founder制定的。所以HDMI1.4仍然存在，名称仍然是HDMI1.4，HDMI2.0纳入HDMI2.1后称之为HDMI2.1 TMDS，而HDMI2.1称之为HDMI2.1 FRL，同时测试HDMI2.1同时需要向下兼容测试HDMI1.4。

HDMI2.0升级到HDMI2.1 FRL后有如下的几点变化：

1.

速率的变化

HDMI2.1 FRL速率较之前版本有非常大的提升，HDMI1.4数据最大吞吐量为10.2Gbps，HDMI2.0数据最大吞吐量为18Gbps，而HDMI2.1 FRL单条lane速率达到12Gbps，4条lane同时使用的时候速率可达48Gbps。同时为了能够向下兼容，HDMI2.1 FRL具有两种传输模式，分别为3 data lane传输和4个data lane传输的模式。

2.

编码的变化

HDMI2.1 FRL操作模式使用 16b18b 编码方式，较之前HDMI1.4和HDMI2.0的8b/10b编码，效率提高1.2倍。

3.

传输架构的变化

HDMI1.4和HDMI2.0传输高速信号的通道数为4个，三路TMS Channel 0~2用来音视频数据data传输，一路TMDS Clock Channel用来传送时钟。

HDMI2.1 FRL高速传输通道数量没有改变，仍然是4路，但全部可以传输data，且每一路data速率可以达到12Gbps。

在HDMI1.4中，时钟CLK是数据DATA的10分频，到HDMI2.1 TMDS架构（HDMI2.0）中，时钟CLK的频率是数据Data的40分频，而到了HDMI2.1 FRL架构，已经没有单独的时钟通道，而是以1618b 编码到数据中进行传输，之后通过接收端CDR恢复时钟进行采样。

4.

eARC增强型音频回传通道变化

eARC（Enhanced Audio Return Channel）增强型音频回传通道，这是HDMI FRL中一项新的feature，目的确保音频设备与HDMI 2.1产品之间的完全兼容性，支持最先进的音频格式。

从下图中可以看出基于对象的音频，未压缩的5.1 和 7.1，以及 32 通道未压缩音频基于对象的音频可以提供沉浸式立体体验，并增强音频细节和位深度。同时音频带宽也从1M bits/second 增加到37M bits/second。

HDMI Forum， Inc. 2017

5.

Cable和Connector的类型的变化

在之前的HDMI1.4和HDMI2.0时代，采用的都是Cat 2（Category2 Cable）类线缆，而到HDMI2.1 FRL版本后，需要使用超高速HDMI线缆（Ultra High Speed HDMI Cable），在HDMI2.1的规格书中定义为Category3 Cable，带宽速度和先前的Premium Cable做比较，从18G大幅提升到48G，可以满足8K TV或4K 120Hz电竞屏幕的讯号传输需求。

针对HMDI一致性测试，主要包含TX发射机一致性测试，RX接收机一致性测试，链路互联的Cable和Connector一致性测试及eARC增强型音频回传的一致性测试。

Keysight拥有HDMI全套的自动化解决方案，首先，我们从发送端开始进行介绍。

三

HDMI2.1 TX端一致性测试

从连接示意图中可以看出，HDMI2.1 发送端主要测试配置如下表：

仪器描述数量

示波器Keysight V/Z/UXR series BW≥20GHz1

探头/线缆Tri-Mode N7003A or N7010A+SMA cable4

测试夹具HDMI2.1-TPA-P1

一致性测试软件D9020HDMC1

测试配置的选择

示波器的选择

根据HDMI2.1 CTS规范要求至少选择带宽20GHz的示波器。

Keysight DSAV204A，DSAZ204A 及 UXR0204A 三款示波器均可以满足测试要求。

探头及探头前端的选择

除了示波器之外，对于HDMI2.1 FRL测试探头及探头前端也有几种选择：

• N7003A+N5444A组合

N7003A Probe

N5444A SMA Probe Head

N7003A探头带宽20GHz，采用了 InfiniiMode 技术的三态探头，既可以单端用，又可以差分用，只需更改其设置便可测量差分信号、单端 A 或 B 信号，以及差分信号共模分量。极大扩展了测量功能和可用性。

N5444A探头提供 28 GHz 的带宽，接口为InfiniiMax III 2.92 mm/3.5 mm/SMA同轴接口。

针对HDMI2.1 FRL测试，N7003A+N5444A这个组合连接一次就可以测试所有测试项目，当然如果Data3要是用做CLK的话，需要重新连接一次。

如何实现一次连接可以测量全部项目呢？从下图可以看出，差分信号采用的是单端连接的方式，D0+连接到CH1的A， D0-连接到CH3的A， D1+连接到CH1的B， D1-连接到CH3的B，其它data lane连接方式类似…是以这样的连接方式实现单端和差分信号自动化测试的，由于连接方式是单端的，所以可以直接进行单端测试，而差分测量是通过示波器CH1-CH3或CH2-CH4方式实现的。

• N7010A+SMA Cable组合

N7010A Adapter

SMA Cable

N7010 Adapter+SMA Cable的组合，这个组合是成本最低且噪声最小的经济型解决方案，N7010A Adapter为30G带宽，内部有电阻上拉到3.3V，无需再通过power supply连接，但是缺点是每次只能测试两个data，要反复连接。

连接方式如下：

为了免除反复连接的复杂性，提高测试效率，可以借助于BIT 2100矩阵开关实现自动化的切换，CH1&CH3连接到data3，因为data3在TMDS时候是连接到CLK的，所以必须连接，然后其他的data连接在CH2&CH4，软件自动切换到其他data，实现自动化的测量。

但该矩阵开关的引入会对测试精度产生影响，所以需要进行S参数的测量后进行去嵌。

Note：目前业界上应用最多的是第一套方案N7003A+N5444A进行自动化测试。

测试夹具的选择

可用于HDMI2.1测试的 TPA-P夹具，主要厂家有Wilder，BIT和Luxshare，夹具形态如下：

Wilder HDMIA2.1-TPA-P

BIT BIT-1010-0400-0

Luxshare TFH-08P1U

在Keysight HDMI2.1一致性测试软件D9021HDMC中这三种fixture type都是支持的，客户可自行选择和购买。

EDID/SCDC Controller

EDID/SCDC Controller的厂家也有很多，包括Wilder，Allion，Vprime等，推荐使用Allion Labs AJSC-1 controller，该款controller可与Keysight自动化测试软件实现全自动化的测量。

测试点的选择

所有的高速数字总线都会标注有测试点，HDMI2.1也不例外，因为不同的测试点链路的衰减情况是不同的，所有协会规范会要求所有厂家均在要求的测试点上去衡量，针对HDMI来讲，TP1的测试点是在Source输出端的端口位置处，TP2测试点是经过Cable链路到Sink端的输入位置上。

而对于眼图测试规范要求测试的位置是TP2_EQ，也就是信号采集点仍然是TP1，然后通过Cable模型的嵌入模拟到TP2的位置，之后再对TP2位置的信号进行EQ均衡处理之后的位置测试眼图：

关于Cable Model，规范定义了两种模型，分别是Category 3 Worst Cable Model （WCM3）和Category 3 Short Cable Model （SCM3），这两种cable model都需要测量，模拟真实环境情况。

同时，还定义了两种均衡，分别是1db~8db的CTLE和一阶25mv的DFE。

DFE只在12Gbps数据速率下才使用，针对12Gbps的SCM3S模型及3/6/8/10Gbps速率只使用CTLE均衡，针对SCM3S模型使用1db的CTLE，针对WCM3S模型使用8db CTLE。

测试码型的解释

HDMI2.1 FRL 使用的Link Training Pattern（LTP）如下表：

规范针对测试码型共定义了9中，分别是LTP1~LTP8测试码型：

LTP1：All 1’s pattern ----全“1”码型

LTP2：All 0’s pattern ----全“0”码型

LTP3：Clock pattern ----时钟码型

LTP4：128 zeros followed by 128 ones----128个0&128个1的重复码型

LTP5~8：Predefined sequence of 4096 FRL Characters---- prbs伪随机码型

针对不同的测量项目需要发送不同的LTP，而且HDMI2.1 FRL测试还定义了除了待测lane（Victim Lane）发送相应的码型，其它的lanes（Aggressor Lane）也要发送相应的码型，主要考虑到不同lanes之间的crosstalk的影响，具体见下表：

Test IDDescriptionTest

PointVictim

LaneAggressor

Lane

HFR1-1DC Common ModeTP1LTP5/6/

7/8LTP5/6/

7/8

HFR1-2VSE_Max， VSE_MinTP1LTP5/6

/7/8LTP5/6/

7/8

HFR1-3TRise， TfallTP1LTP4LTP2

HFR1-4Inter-Pair SkewTP1LTP5/6/

7/8LTP5/6/

7/8

HFR1-5FRL RatesTP1LTP3LTP2

HFR1-6Random JitterTP2_EQLTP3LTP2

7/8LTP5/6/

7/8

HFR1-8AC Common Mode NoiseTP1LTP5/6/

7/8LTP2

HFR1-9FFE MonotonicityTP1LTP4LTP1

了解完LTP码型之后，我们解读一下HDMI FRL的测量项目。

针对HDMI FRL测量，协会规定共有9个测量项目，包含9个Test ID，分别为HFR1-1~HFR1-9。

HFR1-1：

DC Common Mode Test 直流偏置电压测试

目的是验证差分信号直流偏置电压，规范要求该偏置电压在AVcc-800mV~AVcc+30mV之间，此处的AVcc为3.3V，所以也就是2.5V~3.33V为判决条件，测试点位置为TP1。如果偏置电压过大可能会产生串扰，EMI等问题。

HFR1-2：

VSE_Max， VSE_Min 单端信号的最大值和最小值

目的是验证差分信号中data+和data-两个单端信号的最大值和最小值，规范要求该最大值和最小值和HFR1-1直流偏置电压的测量结果有关联，范围为”直流偏置电压±375mV”，测试点位置为TP1。所以，如果该项测量结果fail，需要查看HFR1-1的测量结果是否正确。

HFR1-3：

Rise/Fall slew rate 上升/下降斜率测试

目的是验证单端信号上升下降斜率的快慢，规范要求最大为16mV/ps（20%~80%），测试点位置为TP1，待测的lane发送LTP4长1长0码型也就是128个”1”和128个”0”进行测量。如果上升/下降斜率太快会带来辐射影响。

HFR1-4：

Inter-Pair Skew 对间延迟差测试

目的是验证不同lanes之间Differential Delay差值，规范要求不能大于4Tbit（Tbit就是1个bit的时间宽度，也就是UI），测试点位置在TP1。lane与lane之间延迟差过大会导致传输信号对组合错误，造成传输讯息错误。

HFR1-5：

FRL Rates 速率精度测试

目的是验证实际测量的FRL的速率相对于标准速率的精度，规范要求±300ppm，测试码型使用LTP3，也就是“0”和“1”交替的clock patter，其它lane发送LTP2（全“0”码型），测试点位置在TP1，如果data rate精度存在问题，会导致真个链路传输的不稳定。

HFR1-6：

Random Jitter 随机抖动测试

目的是验证随机抖动在捕获BER 10-6下进行外推到BER 10-10的条件下峰峰值不能大于0.2Tbit（Tbit就是1个bit的时间宽度，也就是总线的UI），RJ测试需要排除ISI码间干扰等与数据相关的抖动成分的影响，所以测试的码型选用的是LTP3，也就是“0”和“1”交替的clock patter，其它lane发送LTP2（全“0”码型），规范要求在1E-10 ≤ 0.2 Tbit，测试点位置在TP2_EQ，如果RJ过大会导致系统不稳定，信号传输出现异常等现象。

HFR1-7：

Data Lane Eye Diagram 眼图测试

目的是验证在使用worst cable model及short cable model情况下，通过适当的CDR及均衡，接收端仍然可以满足眼高眼宽的要求，没有碰触眼图模板。

针对眼图测量是各家测量的重点，也是难点，因为眼图测试规范要求用示波器探头单端引入，嵌入最worst cable模型，同时嵌入。

下图是针对不同速率眼高眼宽的要求：

每一个data lane会有2个眼图，一个是worst cable model下的眼图：

一个是short cable model眼图：

HFR1-8：

AC Common Mode Noise AC共模噪声测试

目的是验证AC共模噪声在规范要求范围内，规范要求在标准摆幅1V的时候，噪声不能超过±15%，即150mV， 被测试的lane发送LTP5~8，其它lane发送LTP2码型，测试点位置在TP1，以确保由共模噪声引起的辐射受到限制。

HFR1-9：

FFE Monotonicity FFE单调性测试

目的是验证4阶的FFE是否是单调增加的，被测试的lane 发送LTP4码型，其它lane发送LTP2码型，该测量项是Informative的。

上面所述的测量项目需要调用不同的cable模型，及不同的CTLE及DFE的组合，同时被测试的data lane发送特定码型，其它data lane也要发送相应的码型进行测试，如果手动测量非常繁琐，Keysight提供自动化的一致性测试软件D9021HDMC，可以帮助您提高测试效率及避免测试方法的误操作，同时自动测试完毕后会生成一份完整的测试报告。

四

HDMI2.1 Category 3 电缆和连接器测试

HDMI 2.1引入了新的3类电缆和连接器性能。新的超高速HDMI电缆支持每通道12 Gbps带宽，以支持未压缩的HDMI 2.1特性。该电缆还具有非常低的EMI发射，并向后兼容早期版本的HDMI规范，因此它可以用于现有的HDMI设备，下图是规范要求的测试点。

同时，针对Cable&Connector的CTS规范也制定了Cable3的测试内容，分别为Test ID HFR6-1~ 3. 验证测试连接器是否满足差分阻抗要求，衰减（差分插入损耗）和衰减-串扰比（远端）的要求。

Test ID HFR6-1： Mated Connector Differential Impedance

Test ID HFR6-2： Mated Connector Attenuation（Differential Insertion Loss）

Test ID HFR6-3： Mated Connector Attenuation to Far-End Crosstalk Ratio

针对Cable和Connector测量，Keysight有两个推荐的方案：

1. 使用E5080B 4端口网络分析仪进行测量，该产品具有出色的动态范围、迹线噪声和温度稳定性，连接方式如下图：

基于E5080B的HDMI Cable/Connector 测试方案

由于HDMI2.1共有4对差分lanes，即8条cable，收发两侧共计16条，E5080B需要重复连接15次才能测量所有4条差分lanes，测试时间大约90分钟，但由于E5080B还具有其它非常优异的功能，所以仍是业界广泛使用的主力解决方案。

2. 另一种解决方案是使用Keysight M937x PXI多端口矢量网络分析仪（PXI VNA）。

PXI VNA支持全16端口VNA测试，仅通过一次连接即可测量所有四个差分lanes。通过一次连接，该解决方案提供了更可靠的测试结果，减少了操作人员的错误，并增加了系统附件的寿命。测量可以在大约15分钟内完成。

HDMI cable assembly test setup using the Keysight M937x PXI VNA

关于连接Cable的TPA夹具，Luxshare，Bitifeye， Wilder均有提供，客户可自行选择购买。

五

HDMI2.1 Sink端一致性测试

接收器Sink端主要是电视机，显示器，投影仪等设备，需要使用合成了压力损伤的测试信号对系统的 Jitter Tolerance 进行测试。

在HDMI FRL规范中定义了测试Sink端的test ID如下：

主要针对差分电压的摆幅容忍度，差分对内及lane与lane之间的skew，最小Link Rate的容忍度及抖动容忍度的测量。

Keysight HDMI接收器测试解决方案的核心是基于M8195A AWG和N5991A Bitifeye Software测试自动化软件来实现。

M8195A任意波形发生器（AWG）提供高达65 GSa/s，25 GHz模拟带宽，8位垂直分辨率，并在1槽slot模块中同时多达4个通道。可用于一个M8197A模块同步多个M8195A模块的情况，延迟精度为±20ps。

在之前的HDMI1.4和HDMI2.1 TMDS测试中，我们需要人眼观察color bar来判断是否存在异常，如下图显示：

而在HDMI2.1 FRL测量中，不再通过人眼观察color Bar，而是通过EDID/SCDC Controller读取被测件芯片寄存器来查看误码率的。

六

HDMI eARC物理层测试方案

Keysight提供基于V， Z和UXR系列示波器，81160A函数发生器和BitifEye测试软件和分析仪实现eARC TX和RX一致性测试。

Keysight 针对HDMI2.1 eARC 测试配置

由81160A 函数发生器产生差分的数据信号，DSGA（Dynamic Sequencer Generator and Analyzer）设备产生共模信号，叠加到差分数据信号上，DSGA与被测件有链路协商机制，通过Common Mode Probing Board 夹具共模提取的端口接到DSGA的端口上，示波器将引入的信号进行眼图模板的测试。

小结

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