高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface），是一種全數字化的影音傳輸接口，廣泛應用于電視、播放器、個人電腦、數字音響等消費電子設備。HDMI接口支持高分辨率的視頻流與高保真的音頻流的傳輸，大大減少了布線的復雜度。

2002年4月由日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜、東芝七家公司（業界習慣稱為“7C”）共同組建了HDMI高清多媒體接口接口組織，即HDMI協會。同年12月9日正式發布了HDMI 1.0版標準，標志著HDMI技術正式進入歷史舞臺。

HDMI Forum， Inc. 2017

在HDMI1.0到HDMI2.1發展過程中，HDMI的組織發生著一系列變化，早期的HDMI1.1~1.4b是由7C制定的，負責HDMI官方規范的定義、開發及license的一些授權。

在2011年HDMI1.4b之后，出現了HDMI Forum，是一個更開放的組織論壇，超過80多成員，Keysight也是技術工作組和測試組的重要成員之一。

HDMI Forum于2013年發布了HDMI2.0規范，數據速率由3.4Gbps/lane上升到6Gbps/lane，可以支持4K@30Hz 和 4K@60Hz的高清顯示。

但隨著更豐富的電視和游戲內容的出現，消費者的期望已經從超高清4K顯示提高到具有更細微圖像細節、更大色彩范圍。為了向數字電視和日益流行的基于HDMI的源設備提供優質內容，HDMI Forum于2017年發布了HDMI規范2.1版本，增加了FRL（Fixed Rate Link）模式，支持8K@60Hz和4K@120Hz和帶寬增到到48Gbps。具有更高視頻分辨率、更逼真的色彩和亮度、更高質量更復雜的音頻格式，以及更加流暢的游戲體驗。

HDMI各版本也在不斷的升級，從最初的V1.0已經發展到最新的V2.1，其中比較典型的版本為V1.4b，V2.0和V2.1版本，它們各版本所支持的最大速率，時鐘頻率及壓縮格式請參考下表：

從Agilent到Keysight在HDMI測試方案開發及標準的制定中做出的貢獻是居功至偉的，從2003年HDMI1.1開始就參與測試標準的開發制定，到HDMI1.3/1.4再到現在HDMI2.0/2/1測試規范的開發及MOI的制定，Keysight一直是協會董事會BOD（Board Of Director）的重要成員，Keysight專家Brian Fetz做為HDMI Fourm的TSG（Test SubGroup）主席在GCTS， Test Events， MOIs， MOI approvals， CTS等方面做出非常大的貢獻，在HDMI測量領域，Keysight一直主導HDMI測試領域的發展。

同時HDMI組織制定了CTS（Compliance Test Specification）規范，要求各家HDMI設備生產廠商均要進行一致性測試，也就是用“同一把尺子”去衡量各自的產品，也就是使用同樣的測試碼型，同樣的測試連接方式，同樣的測量算法等，目的是能夠使不同的產品具有良好的兼容性及互聯互通性。

HDMI組織授權的ATC（Authorized Test Centers）實驗室目前全球接近20家，由于Keysihgt在HDMI測試領域一直推動HDMI測試發展，所以接近80%的ATC采用Keysight全套的解決方案。

二

HMDI2.1 FRL新的特性

HDMI 2.1 FRL是 HDMI 規范的最新版本，FRL是Fix Rate Link固定速率鏈路的縮寫，支持一系列更高的視頻分辨率和刷新率，包括8K@60Hz 和 4K@120Hz，分辨率高達10K。還支持動態 HDR 格式，帶寬增加到 48Gbps。

這里注意一點，HDMI2.1的版本推出之后，將HDMI2.0納入到了HDMI2.1版本之中，也就是HDMI2.0已經不存在了，但HDMI1.4還是存在的，因為HDMI1.4是“7C” founder制定的。所以HDMI1.4仍然存在，名稱仍然是HDMI1.4，HDMI2.0納入HDMI2.1后稱之為HDMI2.1 TMDS，而HDMI2.1稱之為HDMI2.1 FRL，同時測試HDMI2.1同時需要向下兼容測試HDMI1.4。

HDMI2.0升級到HDMI2.1 FRL后有如下的幾點變化：

1.

速率的變化

HDMI2.1 FRL速率較之前版本有非常大的提升，HDMI1.4數據最大吞吐量為10.2Gbps，HDMI2.0數據最大吞吐量為18Gbps，而HDMI2.1 FRL單條lane速率達到12Gbps，4條lane同時使用的時候速率可達48Gbps。同時為了能夠向下兼容，HDMI2.1 FRL具有兩種傳輸模式，分別為3 data lane傳輸和4個data lane傳輸的模式。

2.

編碼的變化

HDMI2.1 FRL操作模式使用 16b18b 編碼方式，較之前HDMI1.4和HDMI2.0的8b/10b編碼，效率提高1.2倍。

3.

傳輸架構的變化

HDMI1.4和HDMI2.0傳輸高速信號的通道數為4個，三路TMS Channel 0~2用來音視頻數據data傳輸，一路TMDS Clock Channel用來傳送時鐘。

HDMI2.1 FRL高速傳輸通道數量沒有改變，仍然是4路，但全部可以傳輸data，且每一路data速率可以達到12Gbps。

在HDMI1.4中，時鐘CLK是數據DATA的10分頻，到HDMI2.1 TMDS架構（HDMI2.0）中，時鐘CLK的頻率是數據Data的40分頻，而到了HDMI2.1 FRL架構，已經沒有單獨的時鐘通道，而是以1618b 編碼到數據中進行傳輸，之后通過接收端CDR恢復時鐘進行采樣。

4.

eARC增強型音頻回傳通道變化

eARC（Enhanced Audio Return Channel）增強型音頻回傳通道，這是HDMI FRL中一項新的feature，目的確保音頻設備與HDMI 2.1產品之間的完全兼容性，支持最先進的音頻格式。

從下圖中可以看出基于對象的音頻，未壓縮的5.1 和 7.1，以及 32 通道未壓縮音頻基于對象的音頻可以提供沉浸式立體體驗，并增強音頻細節和位深度。同時音頻帶寬也從1M bits/second 增加到37M bits/second。

HDMI Forum， Inc. 2017

5.

Cable和Connector的類型的變化

在之前的HDMI1.4和HDMI2.0時代，采用的都是Cat 2（Category2 Cable）類線纜，而到HDMI2.1 FRL版本后，需要使用超高速HDMI線纜（Ultra High Speed HDMI Cable），在HDMI2.1的規格書中定義為Category3 Cable，帶寬速度和先前的Premium Cable做比較，從18G大幅提升到48G，可以滿足8K TV或4K 120Hz電競屏幕的訊號傳輸需求。

由于速率的提升，HDMI2.1 Cat 3線纜規格與1.4b Cat 2的對比，HDMI 2.1的延遲差（skew）規格比HDMI1.4b 及2.0更嚴格，所以HDMI 2.1協會針對Calbe和Connector制定了專門的一致性測試規范（CTS），規范要求電纜必須通過HDMI論壇授權測試中心（ATC）的認證，每條型號線的每條長度都必須經過認證，特別強調適用于3類電纜，目的是確保良好的信號完整性并降低 EMI。

針對HMDI一致性測試，主要包含TX發射機一致性測試，RX接收機一致性測試，鏈路互聯的Cable和Connector一致性測試及eARC增強型音頻回傳的一致性測試。

整體的測量方案包括以高性能示波器為基礎的Source發送端及eARC測試，以AWG 8195A為基礎接收端Sink測量，以網絡分析儀為基礎的鏈路互聯的表征。

Keysight擁有HDMI全套的自動化解決方案，首先，我們從發送端開始進行介紹。

三

HDMI2.1 TX端一致性測試

從連接示意圖中可以看出，HDMI2.1 發送端主要測試配置如下表：

儀器描述數量

示波器Keysight V/Z/UXR series BW≥20GHz1

探頭/線纜Tri-Mode N7003A or N7010A+SMA cable4

測試夾具HDMI2.1-TPA-P1

測試控制器EDID/SCDC Controller1

一致性測試軟件D9020HDMC1

測試配置的選擇

示波器的選擇

根據HDMI2.1 CTS規范要求至少選擇帶寬20GHz的示波器。

Keysight DSAV204A，DSAZ204A 及 UXR0204A 三款示波器均可以滿足測試要求。

其中 UXR 系列采用10bit ADC 相對前兩款有更高 ADC 位數及本底噪聲，會帶來更高測量精度及更多的裕量。

探頭及探頭前端的選擇

除了示波器之外，對于HDMI2.1 FRL測試探頭及探頭前端也有幾種選擇：

? N7003A+N5444A組合

N7003A Probe

N5444A SMA Probe Head

N7003A探頭帶寬20GHz，采用了 InfiniiMode 技術的三態探頭，既可以單端用，又可以差分用，只需更改其設置便可測量差分信號、單端 A 或 B 信號，以及差分信號共模分量。極大擴展了測量功能和可用性。

N5444A探頭提供 28 GHz 的帶寬，接口為InfiniiMax III 2.92 mm/3.5 mm/SMA同軸接口。

針對HDMI2.1 FRL測試，N7003A+N5444A這個組合連接一次就可以測試所有測試項目，當然如果Data3要是用做CLK的話，需要重新連接一次。

如何實現一次連接可以測量全部項目呢？從下圖可以看出，差分信號采用的是單端連接的方式，D0+連接到CH1的A， D0-連接到CH3的A， D1+連接到CH1的B， D1-連接到CH3的B，其它data lane連接方式類似…是以這樣的連接方式實現單端和差分信號自動化測試的，由于連接方式是單端的，所以可以直接進行單端測試，而差分測量是通過示波器CH1-CH3或CH2-CH4方式實現的。

? N7010A+SMA Cable組合

N7010A Adapter

SMA Cable

N7010 Adapter+SMA Cable的組合，這個組合是成本最低且噪聲最小的經濟型解決方案，N7010A Adapter為30G帶寬，內部有電阻上拉到3.3V，無需再通過power supply連接，但是缺點是每次只能測試兩個data，要反復連接。

連接方式如下：

為了免除反復連接的復雜性，提高測試效率，可以借助于BIT 2100矩陣開關實現自動化的切換，CH1&CH3連接到data3，因為data3在TMDS時候是連接到CLK的，所以必須連接，然后其他的data連接在CH2&CH4，軟件自動切換到其他data，實現自動化的測量。

但該矩陣開關的引入會對測試精度產生影響，所以需要進行S參數的測量后進行去嵌。

Note：目前業界上應用最多的是第一套方案N7003A+N5444A進行自動化測試。

測試夾具的選擇

可用于HDMI2.1測試的 TPA-P夾具，主要廠家有Wilder，BIT和Luxshare，夾具形態如下：

Wilder HDMIA2.1-TPA-P

BIT BIT-1010-0400-0

Luxshare TFH-08P1U

在Keysight HDMI2.1一致性測試軟件D9021HDMC中這三種fixture type都是支持的，客戶可自行選擇和購買。

EDID/SCDC Controller

EDID/SCDC控制器的目的有兩個，一是為了能夠而模擬任意的顯示設備，二是寫入和讀取SCDC值以設置測試條件，并向被測設備發送消息，模擬真實的鏈路環境。

EDID/SCDC Controller的廠家也有很多，包括Wilder，Allion，Vprime等，推薦使用Allion Labs AJSC-1 controller，該款controller可與Keysight自動化測試軟件實現全自動化的測量。

測試點的選擇

所有的高速數字總線都會標注有測試點，HDMI2.1也不例外，因為不同的測試點鏈路的衰減情況是不同的，所有協會規范會要求所有廠家均在要求的測試點上去衡量，針對HDMI來講，TP1的測試點是在Source輸出端的端口位置處，TP2測試點是經過Cable鏈路到Sink端的輸入位置上。

而對于眼圖測試規范要求測試的位置是TP2_EQ，也就是信號采集點仍然是TP1，然后通過Cable模型的嵌入模擬到TP2的位置，之后再對TP2位置的信號進行EQ均衡處理之后的位置測試眼圖：

關于Cable Model，規范定義了兩種模型，分別是Category 3 Worst Cable Model （WCM3）和Category 3 Short Cable Model （SCM3），這兩種cable model都需要測量，模擬真實環境情況。

同時，還定義了兩種均衡，分別是1db~8db的CTLE和一階25mv的DFE。

DFE只在12Gbps數據速率下才使用，針對12Gbps的SCM3S模型及3/6/8/10Gbps速率只使用CTLE均衡，針對SCM3S模型使用1db的CTLE，針對WCM3S模型使用8db CTLE。

測試碼型的解釋

HDMI2.1 FRL增加Link Training Pattern（LTP），之前在HDMI2.0及HDMI1.4會找設置分辨率，找一些同步幀進行測試，但HDMI2.1 FRL需要針對不同的測量items發送不同的測試碼型，目的是特定的pattern不會對抖動等測試產生影響。

HDMI2.1 FRL 使用的Link Training Pattern（LTP）如下表：

規范針對測試碼型共定義了9中，分別是LTP1~LTP8測試碼型：

LTP1：All 1’s pattern ----全“1”碼型

LTP2：All 0’s pattern ----全“0”碼型

LTP3：Clock pattern ----時鐘碼型

LTP4：128 zeros followed by 128 ones----128個0&128個1的重復碼型

LTP5~8：Predefined sequence of 4096 FRL Characters---- prbs偽隨機碼型

針對不同的測量項目需要發送不同的LTP，而且HDMI2.1 FRL測試還定義了除了待測lane（Victim Lane）發送相應的碼型，其它的lanes（Aggressor Lane）也要發送相應的碼型，主要考慮到不同lanes之間的crosstalk的影響，具體見下表：

Test IDDescriptionTest

PointVictim

LaneAggressor

Lane

HFR1-1DC Common ModeTP1LTP5/6/

7/8LTP5/6/

7/8

HFR1-2VSE_Max， VSE_MinTP1LTP5/6

/7/8LTP5/6/

7/8

HFR1-3TRise， TfallTP1LTP4LTP2

HFR1-4Inter-Pair SkewTP1LTP5/6/

7/8LTP5/6/

7/8

HFR1-5FRL RatesTP1LTP3LTP2

HFR1-6Random JitterTP2_EQLTP3LTP2

HFR1-7Data Lane Eye DiagramTP2_EQLTP5/6/

7/8LTP5/6/

7/8

HFR1-8AC Common Mode NoiseTP1LTP5/6/

7/8LTP2

HFR1-9FFE MonotonicityTP1LTP4LTP1

了解完LTP碼型之后，我們解讀一下HDMI FRL的測量項目。

針對HDMI FRL測量，協會規定共有9個測量項目，包含9個Test ID，分別為HFR1-1~HFR1-9。

HFR1-1：

DC Common Mode Test 直流偏置電壓測試

目的是驗證差分信號直流偏置電壓，規范要求該偏置電壓在AVcc-800mV~AVcc+30mV之間，此處的AVcc為3.3V，所以也就是2.5V~3.33V為判決條件，測試點位置為TP1。如果偏置電壓過大可能會產生串擾，EMI等問題。

HFR1-2：

VSE_Max， VSE_Min 單端信號的最大值和最小值

目的是驗證差分信號中data+和data-兩個單端信號的最大值和最小值，規范要求該最大值和最小值和HFR1-1直流偏置電壓的測量結果有關聯，范圍為”直流偏置電壓±375mV”，測試點位置為TP1。所以，如果該項測量結果fail，需要查看HFR1-1的測量結果是否正確。

HFR1-3：

Rise/Fall slew rate 上升/下降斜率測試

目的是驗證單端信號上升下降斜率的快慢，規范要求最大為16mV/ps（20%~80%），測試點位置為TP1，待測的lane發送LTP4長1長0碼型也就是128個”1”和128個”0”進行測量。如果上升/下降斜率太快會帶來輻射影響。

HFR1-4：

Inter-Pair Skew 對間延遲差測試

目的是驗證不同lanes之間Differential Delay差值，規范要求不能大于4Tbit（Tbit就是1個bit的時間寬度，也就是UI），測試點位置在TP1。lane與lane之間延遲差過大會導致傳輸信號對組合錯誤，造成傳輸訊息錯誤。

HFR1-5：

FRL Rates 速率精度測試

目的是驗證實際測量的FRL的速率相對于標準速率的精度，規范要求±300ppm，測試碼型使用LTP3，也就是“0”和“1”交替的clock patter，其它lane發送LTP2（全“0”碼型），測試點位置在TP1，如果data rate精度存在問題，會導致真個鏈路傳輸的不穩定。

HFR1-6：

Random Jitter 隨機抖動測試

目的是驗證隨機抖動在捕獲BER 10-6下進行外推到BER 10-10的條件下峰峰值不能大于0.2Tbit（Tbit就是1個bit的時間寬度，也就是總線的UI），RJ測試需要排除ISI碼間干擾等與數據相關的抖動成分的影響，所以測試的碼型選用的是LTP3，也就是“0”和“1”交替的clock patter，其它lane發送LTP2（全“0”碼型），規范要求在1E-10 ≤ 0.2 Tbit，測試點位置在TP2_EQ，如果RJ過大會導致系統不穩定，信號傳輸出現異常等現象。

HFR1-7：

Data Lane Eye Diagram 眼圖測試

目的是驗證在使用worst cable model及short cable model情況下，通過適當的CDR及均衡，接收端仍然可以滿足眼高眼寬的要求，沒有碰觸眼圖模板。

針對眼圖測量是各家測量的重點，也是難點，因為眼圖測試規范要求用示波器探頭單端引入，嵌入最worst cable模型，同時嵌入。

下圖是針對不同速率眼高眼寬的要求：

每一個data lane會有2個眼圖，一個是worst cable model下的眼圖：

一個是short cable model眼圖：

HFR1-8：

AC Common Mode Noise AC共模噪聲測試

目的是驗證AC共模噪聲在規范要求范圍內，規范要求在標準擺幅1V的時候，噪聲不能超過±15%，即150mV， 被測試的lane發送LTP5~8，其它lane發送LTP2碼型，測試點位置在TP1，以確保由共模噪聲引起的輻射受到限制。

HFR1-9：

FFE Monotonicity FFE單調性測試

目的是驗證4階的FFE是否是單調增加的，被測試的lane 發送LTP4碼型，其它lane發送LTP2碼型，該測量項是Informative的。

上面所述的測量項目需要調用不同的cable模型，及不同的CTLE及DFE的組合，同時被測試的data lane發送特定碼型，其它data lane也要發送相應的碼型進行測試，如果手動測量非常繁瑣，Keysight提供自動化的一致性測試軟件D9021HDMC，可以幫助您提高測試效率及避免測試方法的誤操作，同時自動測試完畢后會生成一份完整的測試報告。

四

HDMI2.1 Category 3 電纜和連接器測試

HDMI 2.1引入了新的3類電纜和連接器性能。新的超高速HDMI電纜支持每通道12 Gbps帶寬，以支持未壓縮的HDMI 2.1特性。該電纜還具有非常低的EMI發射，并向后兼容早期版本的HDMI規范，因此它可以用于現有的HDMI設備，下圖是規范要求的測試點。

同時，針對Cable&Connector的CTS規范也制定了Cable3的測試內容，分別為Test ID HFR6-1~ 3. 驗證測試連接器是否滿足差分阻抗要求，衰減（差分插入損耗）和衰減-串擾比（遠端）的要求。

Test ID HFR6-1： Mated Connector Differential Impedance

Test ID HFR6-2： Mated Connector Attenuation（Differential Insertion Loss）

Test ID HFR6-3： Mated Connector Attenuation to Far-End Crosstalk Ratio

針對Cable和Connector測量，Keysight有兩個推薦的方案：

1. 使用E5080B 4端口網絡分析儀進行測量，該產品具有出色的動態范圍、跡線噪聲和溫度穩定性，連接方式如下圖：

基于E5080B的HDMI Cable/Connector 測試方案

由于HDMI2.1共有4對差分lanes，即8條cable，收發兩側共計16條，E5080B需要重復連接15次才能測量所有4條差分lanes，測試時間大約90分鐘，但由于E5080B還具有其它非常優異的功能，所以仍是業界廣泛使用的主力解決方案。

2. 另一種解決方案是使用Keysight M937x PXI多端口矢量網絡分析儀（PXI VNA）。

PXI VNA支持全16端口VNA測試，僅通過一次連接即可測量所有四個差分lanes。通過一次連接，該解決方案提供了更可靠的測試結果，減少了操作人員的錯誤，并增加了系統附件的壽命。測量可以在大約15分鐘內完成。

HDMI cable assembly test setup using the Keysight M937x PXI VNA

關于連接Cable的TPA夾具，Luxshare，Bitifeye， Wilder均有提供，客戶可自行選擇購買。

五

HDMI2.1 Sink端一致性測試

接收器Sink端主要是電視機，顯示器，投影儀等設備，需要使用合成了壓力損傷的測試信號對系統的 Jitter Tolerance 進行測試。

在HDMI FRL規范中定義了測試Sink端的test ID如下：

主要針對差分電壓的擺幅容忍度，差分對內及lane與lane之間的skew，最小Link Rate的容忍度及抖動容忍度的測量。

在實際操作中，不可能通過窮舉法進行測試，因此就需要采用標準的信號源設備發出標準信號并合成由規范定義的標定的類型及額度的信號損傷，如水平方向的抖動分量包括隨機抖動（Rj），周期抖動（Pj），碼間干擾（ISI）及串擾信號等。在測試過程中，不僅完全可以按照規范要求設定和標定各種損傷分量幅度及頻率等參數，也可以通過加重損傷幅度的方法來檢測接收端系統的最高容忍度（Tolerance），這一測試過程就是 RX 測試中的抖動容限（Jitter Tolerance）測試，而這一合成了各種損傷的信號叫做壓力測試信號（Stress test signal）。

Keysight HDMI接收器測試解決方案的核心是基于M8195A AWG和N5991A Bitifeye Software測試自動化軟件來實現。

M8195A任意波形發生器（AWG）提供高達65 GSa/s，25 GHz模擬帶寬，8位垂直分辨率，并在1槽slot模塊中同時多達4個通道。可用于一個M8197A模塊同步多個M8195A模塊的情況，延遲精度為±20ps。

在之前的HDMI1.4和HDMI2.1 TMDS測試中，我們需要人眼觀察color bar來判斷是否存在異常，如下圖顯示：

之后，N5991A自動化軟件會提示color Bar否是存在異常，根據工程師的配合后進行判讀測試結果是否Pass。

而在HDMI2.1 FRL測量中，不再通過人眼觀察color Bar，而是通過EDID/SCDC Controller讀取被測件芯片寄存器來查看誤碼率的。

六

HDMI eARC物理層測試方案

eARC功能使音頻流能夠從HDMI接收器傳輸到相鄰HDMI源/中繼器，以反方向傳輸到視頻信號。eARC特性在H14b音頻返回通道（ARC）的基礎上進行了改進可以跟上音頻編解碼器的變化，特別是包含新的基于對象的音頻編解碼器，杜比全景聲 和 DTS：X。

數據通道是從source到sink端，但Audio通道是Sink到Source端的，也就是Sink端是eARC的TX，Source端是eARC的RX，通過HPD 和 Utility pin進行傳輸。

Keysight提供基于V， Z和UXR系列示波器，81160A函數發生器和BitifEye測試軟件和分析儀實現eARC TX和RX一致性測試。

Keysight 針對HDMI2.1 eARC 測試配置

由81160A 函數發生器產生差分的數據信號，DSGA（Dynamic Sequencer Generator and Analyzer）設備產生共模信號，疊加到差分數據信號上，DSGA與被測件有鏈路協商機制，通過Common Mode Probing Board 夾具共模提取的端口接到DSGA的端口上，示波器將引入的信號進行眼圖模板的測試。

小結

綜上所述，本文簡單的介紹了HDMI的發展歷史，詳細的分析了HDMI2.1 FRL最新版本的變化，著重刨析了HDMI2.1 FRL 測試內容及方法，全面的闡述了HDMI 源端，接收端，傳輸電纜和連接器及eARC全套的解決方案。同時是德科技提供了完整的HDMI測試解決方案，這些方案已經在實際中得到驗證，表現優異。

責任編輯：haq