基于泰克示波器完成HDMI的全部物理層測試

被稱作DTV革命催化劑的高清多媒體接口（ HDMI）技術(shù)即將迎來大規(guī)模應(yīng)用的曙光。在HDMI標準下，內(nèi)容提供商、系統(tǒng)運營商和消費電子產(chǎn)品（CE）制造商正在展開一場拉力賽。這就使行業(yè)關(guān)注的重點轉(zhuǎn)向如何證明產(chǎn)品測試與HDMI標準所定義的測試一致。設(shè)計和驗證工程師需要依靠工具來快速可靠地完成標準所要求的大量測試，從而提高效率。本文介紹了用以確保產(chǎn)品通過驗證的HDMI關(guān)鍵測試、復(fù)雜HDMI信號測試中存在的挑戰(zhàn)，示波器自帶測試軟件如何能在保證結(jié)果可靠的前提下實現(xiàn)效率的飛躍，以及這些軟件如何大幅提高測試的自動化程度。

HDMI官方機構(gòu)于2006年6月公布了1.3版的HDMI規(guī)范，其中增加了一些分辨率更高的顯示格式，包括1080P這種串行數(shù)據(jù)率高達3.4 Gb/s的深色顯示格式（deep color format）。HDMI 1.3的出臺是迄今為止該規(guī)范最重大的一次飛躍，而HDMI標準也已成為包括DVD播放器、高清電視機和新型游戲設(shè)備在內(nèi)的諸多高清設(shè)備廣為采用的接口事實標準。HDMI 1.3中收入了去年底開始出現(xiàn)在消費電子市場并且今年仍將繼續(xù)大量使用的新型高清音、視頻技術(shù)。為保證信息傳輸?shù)目煽啃院驮O(shè)備的互通性，該標準還對網(wǎng)絡(luò)的物理層提出了要求。在HDMI規(guī)范［1］和更明確的HDMI一致性測試規(guī)范（CTS）中，定義了一系列適用于HDMI物理層的一致性測試。2007年3月，HDMI官方機構(gòu)又公布了最新的一致性測試規(guī)范（CTS V1.3b）文件，其中包括對HDMI V1.3中定義的一些功能的新測試。

HDMI V1.3物理層一致性測試中面臨的挑戰(zhàn)

要保證被測設(shè)備與HDMI CTS 1.3b規(guī)范的規(guī)定一致，并最終保證HDMI 1.3規(guī)范的產(chǎn)品開發(fā)成功，必須要有適合高速串行數(shù)據(jù)的高品質(zhì)測試與測量儀器和方案。圖1給出了HDMI傳輸系統(tǒng)的主要構(gòu)成元素—源端、電纜和接收器。當然，測試越詳盡越好，但對滿足一致性而言，核心的電測試才是最關(guān)鍵的。圖1總結(jié)了核心測試的一些條目。

根據(jù)HDMI CTS 1.3b規(guī)范，一套完整的一致性測試方案中需要實時示波器、采樣示波器、信號發(fā)生器、差分探頭和測試夾具。但關(guān)鍵問題是如何選擇合適的測試平臺來簡化設(shè)計，并保證新的HDMI設(shè)計與新的一致性測試要求相符。為此，工程師們需要利用這些儀器組合出一套完整、靈活的高性價比測試方案。只有組合起一套功能強大的集成測試方案后，才能進行快速眼圖繪制和抖動驗證，因為這兩項功能要求在盡可能短的時間內(nèi)積累大量波形。而且，為了利用示波器上自帶的“一鍵運行（one-button）”一致性測試軟件自動完成復(fù)雜的電纜和接收器測試，信號發(fā)生器必須工作在一個閉環(huán)環(huán)路中。

圖1：HDMI最小化傳輸差分信號（TMDS）的邏輯連接以及CTS規(guī)范所要求的核心測試。

HDMI一致性測試技術(shù)

1．實時示波器

一套完整的HDMI CTS 1.3b測試方案中應(yīng)包含針對消費電子產(chǎn)品、半導(dǎo)體和電纜制造商的設(shè)計與測試工程師使用的高性能硬件與全面的軟件。在關(guān)鍵儀器方面，測試HDMI 1.3信號需要帶寬至少為8GHz，并且可運行一致性測試軟件的實時示波器。

圖2是一次利用HDMI一致性測試軟件進行HDMI V1.3源端測試得到的結(jié)果。同時，為保證全面體現(xiàn)信號特點，CTS 1.3b還規(guī)定了捕捉信號所需的最小示波器記錄長度。根據(jù)該規(guī)定，示波器至少應(yīng)能累積40萬個單位時間間隔（或Tbit）來繪制眼圖。在16 M/20 M的記錄長度下，示波器至少能捕捉40萬單位時間間隔的低分辨率信號，或260萬單位時間間隔的高分辨率信號?？紤]到高達3.4Gbps的數(shù)據(jù)率，高采樣率（高于10GS/s）下示波器的最小記錄長度就應(yīng)大于16M。

圖2：HDMI源端一致性測試結(jié)果。

任何傳輸系統(tǒng)最關(guān)心的問題都是時鐘抖動，抖動測試的目的就是檢查并確保時鐘信號中沒有過多的抖動。例如，占空比抖動測量就是評估時鐘確定性抖動的一種很好的方法。CTS規(guī)定，在50%的標稱占空比附近可以有+10%的變化裕量。但應(yīng)注意，此處所說的占空比變化是指在大量捕獲信號的基礎(chǔ)上進行測量得到的結(jié)果。因為CTS規(guī)定，測量占空比變化至少需要一萬個觸發(fā)波形。這樣一來，示波器的觸發(fā)再準備速率（Trigger re-arm rate）就變成最重要的一個因素。一般情況下，觸發(fā)再準備速率約為每秒100個波形（wfms/s）。

這可能就意味著信號捕獲和測試時間將長到讓人難以接受的程度。幸運的是，還有一些精密技術(shù)，例如數(shù)字熒光示波器（DPO）上的FastAcq技術(shù)能夠提高觸發(fā)再準備速率，使其達到30萬wfms/s的水平。圖3所示就是用FastAcq技術(shù)進行時鐘占空比測試的情況。圖中示波器所表現(xiàn)的信息非常豐富，正是這一點保證了測量的說服力。

圖3：利用DPO進行時鐘抖動測試。

2．信號發(fā)生器

數(shù)字高清接收設(shè)備最重要的一個特性就是它對信號抖動具備一定程度的耐受力。標準中將這種耐受能力規(guī)定為0.3*Tbit。測試時，需將一定量的抖動逐次加入發(fā)送的TMDS信號中，直到接收設(shè)備無法恢復(fù)信號。然后再將接收設(shè)備所能承受的總抖動與標準規(guī)定的限度進行比較，檢查設(shè)備與標準的一致性。

抖動裕度測量是指向信號中加入一定量的抖動后進行幾次測量。以下是對（a） 、（b）兩個案例進行三次測量的例子：（a）在500KHz下的數(shù)據(jù)抖動，在10 MHz下的時鐘抖動率；（b）在1 MHz下的數(shù)據(jù)抖動，7 MHz下的時鐘抖動頻率

要選擇合適的HDMI CTS測試設(shè)備，必須了解需要解決的問題有那些。例如，TMDS信號的產(chǎn)生在接收器測試中扮演著十分重要的角色，而信號發(fā)生器中的一個關(guān)鍵問題就是怎樣提供一系列高精度信號，并精確控制這些信號的參數(shù)。

最小差分靈敏度測試要求20mV的分辨率；對內(nèi)偏移（intra-pair skew）測試要求延遲設(shè)置精確到亞皮秒級分辨率。

抖動容限測試比抖動裕度測試更加困難，因為在測試中既要改變時鐘抖動也要改變數(shù)據(jù)抖動。而產(chǎn)生10 MHz級的抖動頻率就需要同時使用幾種信號發(fā)生器組合。由于HDMI規(guī)范對抖動裕度的要求比較嚴格，因此必須精確控制抖動幅度。因為需要調(diào)整的參數(shù)很多，抖動裕度又很緊張，因此抖動容限測試就變得極端復(fù)雜，可能需要很長的時間才能完成。圖4就一個自動化接收器測試系統(tǒng)的例子。

圖4：基于閉環(huán)機制的集成接收測試系統(tǒng)。

該例中，數(shù)字熒光示波器通過一條GPIB電纜與TMDS信號發(fā)生器DTG5334相連，需要時還可通過一條GPIBUSB-B電纜將其與抖動插入信號發(fā)生器AWG/AFG相連。HDMI設(shè)計與測試工程師可以在一套閉環(huán)裝置中控制這些信號發(fā)生器，利用示波器上自帶的“一鍵運行”一致性測試軟件自動實現(xiàn)復(fù)雜的電纜和接收器測試。該例中采用的閉環(huán)裝置大大縮短了測試時間，也消除了測試裝置的非線性。

3．差分探測系統(tǒng)

此外，擁有靈活、通用的高性能探測系統(tǒng)也很重要。如今的許多高速串行數(shù)據(jù)標準都在多條信號通路上采用了差分信號傳輸，這對單個示波器能否同時測量兩路差分信號提出了挑戰(zhàn)。為此，工程師需要一種能利用4個差分SMA探頭同時捕獲多達4路高速差分信號的示波器（參考圖4）。該示波器的另一個好處是其探頭的SMA輸入上連接了一個高品質(zhì)的50？ 終端，因而其回波損耗可達到業(yè)界領(lǐng)先水平。這在頻率日益增高的HDMI一致性測試中是非常重要的。

差分SMA探頭為終端網(wǎng)絡(luò)提供了一個共模直流電壓輸入。終端電壓可以由用戶從外部提供，也可由示波器從內(nèi)部提供。此外，該探頭還具備一種自動模式，能感測輸入信號的共模電壓并自動設(shè)置終端電壓使其與輸入共模電壓匹配。

P7313SMA拓寬的終端電壓范圍使其成為測試HDMI和DVI等高共模電壓類差分標準的理想選擇。除了終端電壓范圍拓寬之外，P7313SMA的動態(tài)范圍也得到了展寬。這就允許探頭在2.5x的衰減設(shè)置（屬于低噪設(shè)置）下測量更大的信號。

4．采樣示波器

為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸而采用的差分傳輸線對阻抗匹配非常敏感。因此，在HDMI一致性測試中，阻抗特性測試十分重要。直接連接阻抗允許在規(guī)范規(guī)定的100 ？上下有15%的波動。終端阻抗的可變范圍要求就比較嚴格，只能在特性阻抗100 ？上下10%范圍內(nèi)變化。同時，工程師還需要檢查對內(nèi)偏移（Intra-pair）、對間偏移（Inter-pair）和串擾等電纜的關(guān)鍵特性是否達到要求。

時域反射計（Time Domain Reflectometry， TDR）是一種可精確測量互連系統(tǒng)阻抗與長度特性的功能強大的工具。雖然TDR的基本概念相對比較簡單，但要想得到精確的測量結(jié)果，必須考慮幾個問題，其中最重要的就是如何實現(xiàn)真正的差分TDR。泰克DSA8200采樣示波器自帶的iConnect軟件提供了一種性價比較高的創(chuàng)新式TDR測試功能，它同時還具備一些新的測試功能，可作為替代VNA的一種高效低價的測試方案。

本文小結(jié)

高清多媒體接口（HDMI）技術(shù)正處于迅猛增長階段。如何保證此類產(chǎn)品與HDMI 1.3規(guī)范的一致性并最終保證產(chǎn)品的成功開發(fā)，這是HDMI設(shè)計與測試工程師面臨的一項十分艱巨的任務(wù)。在測試HDMI 1.3信號時，工程師需要帶寬至少為8GHz的實時示波器。泰克開發(fā)了可在示波器上運行的Tektronix HT3 3.3.1等HDMI一致性測試軟件，它們還可以控制接收器和電纜測試中的DTG、AWG或AFG。自帶iConnect軟件的DSA8200采樣示波器則提供了完整的TDR、FEXT和偏移（Skew）測量功能，可完成HDMI的全部物理層測試。

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