泰克示波器HDMI技術在車載娛樂系統中的應用場景

隨著智能汽車技術的飛速發展，車載娛樂系統對高清視頻和音頻傳輸的需求不斷增加。HDMI（High-Definition Multimedia Interface，高清多媒體接口）作為一種能夠同時傳輸視頻和音頻數據的接口技術，憑借其連接簡單、兼容性好等特點，被廣泛應用于汽車座艙娛樂系統中。本文將介紹HDMI技術的核心特性、應用場景以及泰克公司提供的測試解決方案。

HDMI接口可以劃分為四種類型：Source（源設備）、Sink（接收設備）、Cable（線纜）和Repeater（中繼器）。為了保證這些設備之間的良好兼容性，規范對電氣信號提出了信號完整性的要求。HDMI接口使用TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化傳輸差分信號）編碼技術，包含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，HDMI 2.0定義了每個通道最高6Gbps的速率，接口的總帶寬最高可達18Gbps，能夠滿足4Kp60Hz所需的17.82Gbps帶寬。

圖2. HDMI 2.1 FRL模式示意圖

隨著人們對視覺體驗要求的不斷提高，4Kp60Hz的顯示分辨率已無法滿足需求，8Kp60Hz和4Kp120Hz的體驗成為新的追求目標。然而，8Kp60Hz所需的帶寬約為64G（RGB/YCbCr 4:4:4格式），遠遠超出了HDMI 2.0的支持范圍。為此，HDMI協會引入了HDMI 2.1 FRL（Fixed Rate Link，固定速率鏈路）模式，通過提升通道數據速率和增加通道數量，實現了接口帶寬的增加，滿足了8Kp60Hz的需求。

在保持HDMI物理接口不變的情況下，每個通道支持的速率增加到了12Gbps，同時，原來的TMDS. Clock. channel被重定義為FRL.Lane3，共計有4個數據通道，從而實現了最高48Gbps的帶寬。信號的編碼方式也從TMDS的8b/10b改變為FRL的16b/18b格式，提高了編碼效率。

HDMI 2.1源端測試挑戰與泰克解決方案

HDMI 2.1的測試項目眾多，以測試Lane0為例，測試信號是固定的碼型，規范定義了8種碼型Link training pattern 1～8，簡寫為LTP1～8，與HDMI 1.4b/2.0不同，對碼型有明確要求。測試信號速率固定，不隨分辨率變化。此外，還需要考慮其他lane的干擾，例如在HFR1-1項目中，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，測試方法更為復雜。

圖3. HDMI 2.1 FRL測試內容

端接電壓的實現

泰克示波器及探棒能夠提供標準的3.3V端接電壓，滿足協會要求的一致性測試。在用戶自定義模式下，還可以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。

圖4. 泰克有源探頭端接電壓調節

單端和差分信號的自動采集

在HDMI 1.4b/2.0測試中，采集單端信號和差分信號需要手動更改探棒硬件連接，過程繁瑣且無法自動化，導致測試效率低下。泰克的Tri-mode探棒（三模探棒）在測試軟件控制下，能夠交替工作在單端模式（A-GND和B-GND），無需硬件連接的改變，即可實現8個單端信號的采集，并自動計算差分信號，從而實現了全部項目的自動化。

此外，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，進一步提高了測試效率。

圖5. 泰克三模探棒示意圖

解決測試復雜化的問題

圖6. 復雜的信道、均衡及串擾

隨著速率的提升，HDMI規范定義了新的均衡技術和cable模型，增加了測試過程的復雜性。規范定義了兩種Cable mode：Category 3 Worst Cable Mode（WCM3）和Category 3 Short Cable Mode（SCM3），以及兩種均衡：CTLE 1～8dB和DFE 1-tap d1 value 25mV。泰克方案針對這些情況，優化了算法，大大縮短了測試時間。

測試速率和碼型自動切換以往測試需要手動更改分辨率來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中設置FRL Rate來確定測試信號速率，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，使測試過程完全自動化，提高了測試效率。

圖7. EDID/SCDC示意圖

泰克HDMI 2.1 FRL自動化測試方案

泰克提供了兩種HDMI 2.1 FRL自動化測試方案：

配置一：DPO70000SX示波器級聯方案

兩臺DPO70000SX示波器通過UltraSync cable同步級聯，可以將8個通道的skew調整到1ps以內，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，自動計算生成4對差分信號。測試過程無需更改硬件連接，信號路徑衰減小，測試速度快，效率高。搭配EDID emulator，可以實現速率和碼型的自動切換。

配置二：DPO70000SX示波器搭配Tri-mode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。測試過程同樣無需更改硬件連接。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。

示波器帶寬的考量

HDMI 2.1規范中推薦示波器帶寬為23GHz或以上。從上升時間和帶寬的角度來看，HDMI 2.1信號允許的最快上升時間是22.5ps（20%-80%）。示波器測量到的上升時間可以用以下公式計算：

從下表可以看到，帶寬越高，上升時間的測量誤差就越小。

圖8. 示波器上升時間的考量

從帶寬角度看，示波器的帶寬定義為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。HDMI 2.1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。

如果被測HDMI 2.1 DUT的FRL最高速率沒有達到上限12Gbps，可以根據實際速率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

泰克示波器憑借通道可調端接電壓、Tri-mode探棒的單端特性/示波器級聯特性，以及與EDID/SCDC模擬器的配合，實現了HDMI 2.1 FRL源端測試的真正自動化，大幅提高了測試效率。專門針對FRL信號的優化算法加快了測試速度，幫助客戶快速驗證HDMI 2.1產品，加速產品市場化進程。隨著HDMI技術在車載娛樂系統中的廣泛應用，泰克的測試解決方案將繼續為工程師提供強大的支持，助力車載娛樂系統的發展和創新。