HDMI技术在车载娱乐系统中的应用与测试

车载娱乐系统

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技术在车载娱乐系统中的应用场景

图1. HDMI接口示意图

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。

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