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

 

 

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 SourceSinkLink 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:

 

 

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

 

 

 

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。