HDMI原理及测试方法

高清多媒体接口HDMI原理及测试2009-9-222高速信号完整性工程师课程HDMI–设备类型PlugPlugReceptacleTxReceptacleRxSinkDevices•TVs,Monitors,Repeaters,etc.SourceDevices•Set-topBoxes,DVDs,Repeaters,GamingdevicesCableAssemblies•Cables2009-9-223高速信号完整性工程师培训课程HDMI–接口类型•TypeA:目前通用HDMI的接口•TypeB：DualChannel的接口•TypeC：MiniHDMI接口•TypeD:MicroHDMI接口（相对于TypeC更加紧凑)•TypeE：汽车电子专用HDMI接口2009-9-224高速信号完整性工程师培训课程HDMI1.3的原理框图2009-9-225高速信号完整性工程师培训课程HDMI1.4的原理框图HEAC通道是1.4规范新增的功能2009-9-226高速信号完整性工程师培训课程HDMISource和Sink的上电协商过程•Source设备上电后会HPD是否被上拉到2V以上•Source设备通过DDC(Displaydatachannel)读取EDID的信息以确定Sink能支持的分辩率。•Source设备检测TMDS信号是否被上拉到3.3V,有部分设备会检测所有的TMDS信号被上拉才输出TMDS信号，部分设备必须要检测到Clock上拉才输出信号，部分设备只要检测到某对TMDS被上拉即输出该上拉的TMDS.•Source设备输出目前设置的分辩率的信号到Sink端。2009-9-227高速信号完整性工程师培训课程TMDS信号特性HDMI使用最小跳变差分信号(TMDS)技术，差分信号上拉电压为＋3.3V，端口阻抗为50欧姆，单端信号为400-600mV,标称为500mV,差分信号的逻辑摆幅在800-1200mV之间，实际差分电压摆幅可以在150mV-1200mV之间变化，而且偏置电压是由Sink端提供的.3.3V2.8V+500mV-500mVSink提供3.3V的终结电压2009-9-228高速信号完整性工程师培训课程TMDSData与Clock的关系•在每个TMDS时钟周期上发送10个数据位•TMDS数据速率可以提高到340Mpps–数据速率理论上可以高达1.65Gbps(1.2)，在实际应用中的最高速率是1920*1080P/50Hz/24bit下是1.485Gbps–数据速率可以高达3.4Gbps(1.3),在实际应用中的最高速率是1920*1080P/50Hz/48bit下是2.97Gbps–在HDMI1.4规范中实际应用的数据速率同样是2.97Gbps4096*2160/24Hz/24bit•上升时间从75ps到1200ps(与分辨率相关)2009-9-229高速信号完整性工程师培训课程像素时钟Pixelclock与TMDSclock的关系•24bitmode:TMDSclock=1.0XPixelclock(1:1)•30bitmode:TMDSclock=1.25XPixelclock(5:4)•36bitmode:TMDSclock=1.5XPixelclock(3:2)•48bitmode:TMDSclock=2.0XPixelclock(2:1)2009-9-2210高速信号完整性工程师培训课程数据速率的估算Pixels/Second=H-Pixels*V-Pixels*Rate*(1+%Overhead/100)H-PixelsÎHorizontalPixels(1920)V-PixelsÎVerticalPixels(1080P)RateÎScreenRe-flashRate(60Hz)OverheadÎBlanking(0.2or20%)当colordepth=24bit时,Clockrate=pixelclockrate当colordepth>24bit时,Clockrate=pixelclockrate*(colordepth/24)ColordepthÎ24,30,36,48(24,30,36,48)/24大致估算：1920X1080P8bit:1920*1080*60*1.2*(24/24)=145MHzdatarate:1.49Gbps1920X1080P48bit:1920*1080*60*1.2*(48/24)=297MHzdatarate:2.98Gbps准确计算：1920X1080P48bit:2220*1125*60*(48/24)=297Mhzdatarate:2.97Gbps2.97Gbps是目前1.4规范中支持的最高数据速率2009-9-2211高速信号完整性工程师培训课程HDMI的编码/解码方法4bitto10bit2bitto10bit8bitto10bit2009-9-2212高速信号完整性工程师培训课程HDMI1.4的新功能-HEAC•HEAC:EthernetandAudioReturnChannel•高速以太网通讯–提供双向的点对点通讯–建立高性能的家庭网络–比目前的CEC提供1000被以上的传输速率–使用被广泛应用的以太网技术•数字音频流的传输–提供SPDIF(Sony/PhilipDigitalInterface)格式的数字通道–由AV控制中心提供多功能的音频处理–实现32k/44.1k/48k高采样率的音频质量–音频反向传输(SinktoSource)•对目前HDMI1.3的兼容性–全兼容目前的HDMI1.3的设备–自动检测是否设备有eHDMI增强功能–利用HotPlugDetect&ReservepinsHEACSourceHEACCableEthernetup-linkAudioup-linkEthernetdown-linkHEACSink2009-9-2213高速信号完整性工程师培训课程HEAC定义的信号•低幅度的以太网信号–只有200mVp-p相对于1Vp-p的普通以太网信号–差分200mVp-p–除了幅度以外，完全遵循以太网–125Mbps的数据传输率•双向的以太网传输–支持发送和接收数据流–在收发器中内嵌混合堆叠电路•共模的音频传输数据流–数字音频流以共模信号的方式传输–400mVp-p的幅度–支持32k/44.1k/48k采样率的SPDIF格式的(upto6.144Mbpsbitrate)–单向传输(SinkdeviceÆSourcedevice)•HighDCOffset–对地有4V的共模偏置2009-9-2214高速信号完整性工程师培训课程HEAC-HDMIEthernetandAudioReturnChannel2009-9-2215高速信号完整性工程师培训课程高速串行信号的一致性测试的要求•Harmonic1st3rd5thHDMI1.3/1.4实际最高DataRate=2.97Gbps,HDMI1.2实际最高DataRate=1.485Gbps•对于HDMI2.97Gbps,由于其是非归零码，基频为2.97/2=1.485GHz,5次谐波为1.485*5=7.425GHz规范推荐使用8Ghz示波器进行测试。•对于HDMI1.485Gbps,5次谐波为3.7GHz•规范推荐使用4Ghz示波器进行测试。•对于其他的分辨率，可以根据数据速率的预估•选择适当的示波器进行测试。FrequencydB2009-9-2216高速信号完整性工程师培训课程HDMI源端一致性测试•Source端测试–眼图(7-10)–时钟抖动(7-9)–时钟占空比(7-8)–信号对间时间偏移*(7-6)–上升时间/下降时间(7-4)–过冲/下冲*(7-5)–信号对内时间偏移(7-7)–低电平输出电压(7-2)4其它0协议0EDID0电容0热插拔检测0Ioff差分单端2009-9-2217高速信号完整性工程师培训课程源端测试•27MHz(or25MHz),74.25MHz,148.5MHz,and222.75MHz,如果上述仍然不能涵盖最高分辨率的话，另加Source支持的最高分辨率.•软件时钟恢复的算法形成眼图f要求软件PLL的算法进行时钟恢复，对数据信号进行切割形成眼图f要求至少捕获16M采样点对信号进行2009-9-2218高速信号完整性工程师培训课程Source差分测试（7-10）：眼图2009-9-2219高速信号完整性工程师培训课程Source差分测试（7-9）：时钟抖动•测试TMDS的Clock信号相对于从数据中恢复的理想时钟的抖动。•先从数据信号中进行时钟恢复–软件PLL算法获得理想时钟•以10GS/s速率采集的16M时钟(最小)–要求选项2XL•要求时钟抖动值《0.25Tbit2009-9-2220高速信号完整性工程师培训课程Source差分测试（7-8）：时钟占空比1:40%<ClockDutyCycle<60%2:为了保证测试的客观性和可重复性，要求捕获多次触发的波形(要求>10,000个波形)来获得测试结果.2009-9-2221高速信号完整性工程师培训课程Source差分测试（7-4）:上升/下降时间1:75ps≦Rise/FallTime2:为了保证测试的客观性和可重复性，要求捕获多次触发的波形(要求>10,000个波形)来获得测试结果.2009-9-2222高速信号完整性工程师培训课程Source差分测试（7-6）：信号对间时间偏移•找到CTL控制码型–CTLencodingpattern1101010100.•同时捕获数据(0)和数据(1)的信号•识别每条数据通道上的码型•平均CTL码型每个上升沿和下降沿之间的时间偏移•比较时间偏移值和极限值•Tskew<0.2*Tpixel•所有Data-Data之间都要测量2009-9-2223高速信号完整性工程师培训课程Source差分测试（7-6）：信号对间时间偏移11010101002009-9-2224高速信号完整性工程师培训课程测试连接-差分测试2009-9-2225高速信号完整性工程师培训课程Source单端测试（7-2）：低电平输出电压1.捕获10000次以上波形，测量Data+和Data-的低电平输出电压2.要求LowAmplitude+和LowAmplitude-符合下列规范，当支持的时钟频率小于165Mhz时，2.7<LowAmplitude<2.9;当支持的时钟频率大于165Mhz时，2.6<LowAmplitude<2.92009-9-2226高速信号完整性工程师培训课程Source单端测试（7-7）：信号对内时间偏移Skew<0.15*Tbit;2009-9-2227高速信号完整性工程师培训课程DPO技术，超高的波形捕获率DPODSODPO技术可以实现25万次/秒的波形捕获率，当对波形的捕获次数有要求的测试项目如Rise/Falltime,intra-pairskew,VL等项目进行测试时，示波器会自动打开DPO功能，缩短测试时间，同时保证测试的客观性和可重复性。2009-9-2228高速信号完整性工程师培训课程Source单端测试测试连接图P7313SMA可以支持单端和差分测试2009-9-2229高速信号完整性工程师培训课程HDMI1.3TestFixtureTPA-PTPA-REDIDboardHDMI接收器(Sink)一致性测试2009-9-2231高速信号完整性工程师培训课程接收器(sink)测试4接收器Sink0抖动容限(8-7)jittertolerance0接收灵敏度(8-5)Min/Maxdifferentialswingtolerance0信号对内时间偏移容限(8-6)Intra-Pairskewtolerance0阻抗impedance(8-8)4其它0视频和音频协议0EDID,HPD0电容0端接电压2009-9-2232高速信号完整性工程师培训课程接收端（Sink）抖动容限测试•接收端（Sink）抖动容限测试–标准的抖动注入方法-适用于通常的HDMI客户，将时钟抖动成分和数据抖动成分同时注入时钟信号上。–可选的抖动注入方法–适用于对测试精度要求非常高的客户，将时钟抖动成分和数据抖动成分分别注入时钟和数据信号上。•Tektronix提供的方案：泰克的HDMI一致性测试方案支持标准的抖动注入方式和可选的抖动注入方式.2009-9-2233高速信号完整性工程师培训课程标准抖动注入方法：使用AFG3102•DTGM32-允许注入两种抖动成分，速率可达350MHzDTGM32Jitterinput1Jitterinput2Output(Differential)2009-9-2234高速信号完整性工程师培训课程直接合成的方法实现抖动容限的测试AWG710227MHzto340MHzAWG7102EfficereTPA-PSinkDUTD0ClockD1D2Clock-Sub-rate(1/10datarate)clockmodulatedwithclockjittercomponent(4/7/10MHzsinewave)BiasTeeBiasTeeBiasTeeBiasTeeBiasTeeBiasTeeBiasTeeBiasTeeNOCableEmulator!!!BiasVoltageBiasVoltageDigitalMarkerouttoScopeDigitalMarkerouttoScopeAnalogOutputsCH1CH2AnalogOutputsCH1CH2ExtClockRefInExtClockRefInDCoutDCoutAFG3102CH1CH2TriggerGeneratorClockGeneratorNOTTCFilters!!!2009-9-2235高速信号完整性工程师培训课程接收端（Sink）抖动容限测试步骤一•进行下列Sink所支持的像素时钟速率的测试:–27MHz,74.25MHz,148.5MHz,222.75MHz,297MHz.如果设备的分辨率高于上述的分辨率，则需要针对最高分辨率进行测试.•配置Sink被测设备为需要测试的分辨率；•用下列方法配置TMDS信号源:–•按照测试的时钟速率输出需要Sink设备所支持的任意视频格式.•可选方法一–设置TMDSsignal的共模电压为3.0V–设置TMDS单端信号的逻辑摆幅为0.6Vp-p•可选方法二–设置TMDSsignal的共模电压为3.1V–设置TMDS单端信号的逻辑摆幅为0.4Vp-p•标准的抖动注入方法–Required:D_JITTER=500kHz(onTMDS_CLOCK),C_JITTER=10MHz–Required:D_JITTER=1MHz(onTMDS_CLOCK),C_JITTER=7MHz•可选的抖动注入方法–Optional:D_JITTER=500kHz(onTMDS_DATA),C_JITTER=10MHz–Optional:D_JITTER=1MHz(onTMDS_DATA),C_JITTER=7MHz2009-9-2236高速信号完整性工程师培训课程接收端（Sink）抖动容限测试步骤二•获得TP1的眼图•可选方法一–按照340MHzTMDS时钟频率的要求在TMDS的信号上加上相应的TTC，获得TP1的眼图。•可选方法二–按照每一种测试时钟频率的要求在TMDS的信号上加上相应的TTC，获得TP1的眼图。•在TP1上注入0.25*TBIT的时钟抖动成分和0.3*TBIT的数据抖动成分（可以使用两种抖动注入的方式)•通过CableEmulator将TMDS信号输入被测的Sink设备。•逐步调节TMDS_CLOCK与TMDS_DATA之间的skew值:以0.1TBIT的步进进行扫描:例如0.0TBIT,0.1TBIT…1.0TBIT.如果Sink设备在任意一个测试点出现“fails”,则测试结果Fail2009-9-2237高速信号完整性工程师培训课程接收端（Sink）抖动容限测试步骤二在TMDS信号上注入抖动后的数据眼图2009-9-2238高速信号完整性工程师培训课程接收端（Sink）抖动容限测试步骤三•分别在Dj/Cj=500kHz7MHz和Dj/Cj=1Mhz/10Mhz上进行测试•分别在要求的时钟频率下进行测试•任何一项测试Fail，最终的测试结果为Fail。2009-9-2239高速信号完整性工程师培训课程接收灵敏度测试设置8-527MHzto225/335MHzDTG5274(orDTG5334)DTGM30DTGM30DTGM30ClockD0D1D2EfficereTPA-P2009-9-2240高速信号完整性工程师培训课程接收机灵敏度测试流程8-5•第1步:为DTG配置RGB灰色锯齿码型•第2步:如果TMDSClockRate〉165Mhz，把DTG共模电压设为2.9V，如果TMDSClockRate〈165Mhz，把DTG共模电压设为3V。•第3步:把差分电压摆幅设为170mV•第4步:检查DUT,如果工作正常，则转入下一步；如果设备测试不合格•第5步:以每步20mV降低差分电压摆幅Vswing•第6步:检查设备什么时候测试不合格•第7步:把信号连接到示波器上•第8步:测量差分电压摆幅Vswing•第9步:如果差分摆幅大于150mV，设备测试不合格。如果差分摆幅小于150mV，设备测试合格•第10步:将共模电压设置为3.3V，重复以上测试。•第11步:将共模电压设置为3.3V，逻辑摆幅设置为1.2V，观察Sink设备是否支持此电平信号。2009-9-2241高速信号完整性工程师培训课程接收机灵敏度测试结果8-52009-9-2242高速信号完整性工程师培训课程信号对内时间偏移容限(8-6)27MHzto225/335MHzDTG5274(orDTG5334)DTGM30DTGM30DTGM30ClockD0D1D2EfficereTPA-PChannelundertest2009-9-2243高速信号完整性工程师培训课程信号对内时间偏移容限(8-6)•配置TMDS信号源输出Sink所支持的最高时钟速率的信号。–设置所有的TMDS信号的共模电压为3.05V逻辑摆幅为500mV.–连接TPA-P到HDMISinkDUT.–针对每一对TMDSclock和data均进行下面的测试:•配置TMDS信号源使其可以对TMDS+和-信号调节Skew。•以小于等于0.1*TBIT步进(DifferentialTimingOffset)逐步增大直到SinkDUT出现输出错误或者到达0.6*TBIT或1nsec.•如果出现输出错误:–以一个步进减少skew,直到SinkDUT不出现输出错误.2009-9-2244高速信号完整性工程师培训课程信号对内时间偏移容限(8-6)–如果TMDSclockfrequency<=222.75MHz:•intra-pairskew<0.4*TBIT,thenFAIL.–如果(TMDSclockfrequency>222.75MHz):•intra-pairskew<112psecs+0.15*TBIT,thenFAIL.•在相反的方向增加skew再进行一遍测试。•在所有的ＴＭＤＳ信号上进行测试.•由于DTGM30模块不能在差分输出之间调节skew,所以必须将被测的差分对分别连接到两组差分输出的DATA+信号上，这也是为什么要使用３个DTGM30模块的原因。2009-9-2245高速信号完整性工程师培训课程TMDS–差分阻抗8-8CTS规范中唯一指定进行阻抗测试的仪器2009-9-2246高速信号完整性工程师培训课程TMDS差分阻抗测试步骤•第１步：按照图示连接Fixture和DUT•第２步：通过Filter的设置使TDR的Risetime为200ps.•第3步：进行Skew的校准•当DUTpoweron时：–如果(ZDIFF_LOW<75Ω)OR(ZDIFF_HI>125Ω)thenFAIL–如果(ZDIFF_LOW<85Ω)OR(ZDIFF_HI>115Ω)则当偏离区间大于250ps,thenFail.•当DUTpoweroff时:–如果(ZDIFF_LOW<75Ω)OR(ZDIFF_HI>125Ω)thenFAIL–如果(ZDIFF_LOW<85Ω)OR(ZDIFF_HI>115Ω)则当偏离区间大于250ps,thenFail.•注意ATC只进行Poweroff情况下测试。2009-9-2247高速信号完整性工程师培训课程TMDS差分阻抗测试结果图示HDMICable一致性测试2009-9-2249高速信号完整性工程师培训课程电缆测试•TMDS数据眼图(必测项)•阻抗(必测项)4其它（可选项）0信号对间和信号对内时间偏移0衰减0串扰使用TDR示波器或NA进行测试2009-9-2250高速信号完整性工程师培训课程TMDS数据眼图(5-3)•Category1(upto74.25MHz):–必须符合HDMITable4-21的Category1参数要求–在74.25Mhz的时钟速率符合不带均衡补偿的眼图测试要求•Category2(upto340MHz):–必须符合HDMITable4-21的Category2参数要求–在165Mhz的时钟速率时符合不带均衡补偿的眼图测试要求–在340Mhz的时钟速率时符合带均衡补偿的眼图测试要求–CTS规定对于Category2Cable的340Mhz测试时可以使用335MHz的时钟速率2009-9-2251高速信号完整性工程师培训课程CableAssemblyTMDS参数2009-9-2252高速信号完整性工程师培训课程CompliancetestpointforCable2009-9-2253高速信号完整性工程师培训课程在TP1得到WorstCase的眼图•在TP1得到WorstCase的眼图–在DTG中调出相应的码型文件–调节TMDSclock信号的抖动使其输出包含0.3*Tbit频率为500KHz的抖动。–将逻辑摆幅设置为400mV–通过右图的Fixture连接方式通过示波器获得TP1的眼图可以使用软件TTC或者硬件TTC的方式。–如果抖动幅度不符合要求，微调抖动幅度至合适的值。–如果测试的２类Cable,则在眼图测试时使用均衡补偿。2009-9-2254高速信号完整性工程师培训课程软件TTC和Cable均衡补偿2009-9-2255高速信号完整性工程师培训课程CreatetheworsteyeatTP12009-9-2256高速信号完整性工程师培训课程CreatetheworsteyeatTP12009-9-2257高速信号完整性工程师培训课程CreatetheworsteyeatTP12009-9-2258高速信号完整性工程师培训课程测试TP2的眼图•在TP1测试完成后，将被测Cable连接进Fixture•测试经过Cable传输后TMDS信号的眼图.–如果有任何的点接触到模板，则Fail.•ChangetheVswingvoltageandRepeatthetest(1.2a){Vh,Vl}={3.3Vand2.9V}2009-9-2259高速信号完整性工程师培训课程线缆的测试连接2009-9-2260高速信号完整性工程师培训课程TP2眼图测试结果2009-9-2261高速信号完整性工程师培训课程Cable差分阻抗测试5-8•不管是ATC认证还是用户预测试，都强制要求测试该项目•要求ＴＤＲ采用200ps的RiseTimefilter•阻抗要求：–(ZDIFF_CABLE_LOW<90Ω)OR(ZDIFF_CABLE_HI>110Ω)则FAIL.–(ZDIFF_CONN_LOW<75Ω)OR(ZDIFF_CONN_HI>125Ω)则FAIL.–(ZDIFF_CONN_LOW<85Ω)OR(ZDIFF_CONN_HI>115Ω)，如果阻抗偏离超过250psec则FAIL2009-9-2262高速信号完整性工程师培训课程Cable差分阻抗测试5-8CTS规范中唯一指定进行阻抗测试的仪器2009-9-2263高速信号完整性工程师培训课程Cableintra-pairskew5-4测试CableCategoryis1:If(TIPSKEW>151ps)thenFAIL.CableCategoryis2:If(TIPSKEW>111ps)thenFAIL.2009-9-2264高速信号完整性工程师培训课程Cableinter-pairskew5-5测试•每测试一对信号均进行一次保存，最后统一进行比较CableCategoryis1:If(TXPSKEW>2.42ns)thenFAIL.CableCategoryis2:If(TXPSKEW>1.78ns)thenFAIL.2009-9-2265高速信号完整性工程师培训课程DPO70804B/DSA70804BDigitalPhosphorOscilloscopeP7313SMADifferentialProbesAWG7122BTPA-xTestAdaptersDTG5334DigitalTimingGeneratorWith#3M30P80318TDRProbeDSA8200TektronixsolutionTDSHT3ComplianceTestSoftware