玩转HDMI2.1 源端测试之【规范解读篇】

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。

Source和Sink的Link THDMI2.1 raining 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LinkTraining。

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。Linktraining 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。