HDMI2.1 FRL测试漫谈-是德科技提供完整的HDMI测试解决方案

高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface)，是一种全数字化的影音传输接口，广泛应用于电视、播放器、个人电脑、数字音响等消费电子设备。HDMI接口支持高分辨率的视频流与高保真的音频流的传输，大大减少了布线的复杂度。

2002年4月由日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝七家公司（业界习惯称为“7C”）共同组建了HDMI高清多媒体接口接口组织，即HDMI协会。同年12月9日正式发布了HDMI 1.0版标准，标志着HDMI技术正式进入历史舞台。

在HDMI1.0到HDMI2.1发展过程中，HDMI的组织发生着一系列变化，早期的HDMI1.1~1.4b是由7C制定的，负责HDMI官方规范的定义、开发及license的一些授权。

在2011年HDMI1.4b之后，出现了HDMI Forum，是一个更开放的组织论坛，超过80多成员，KEYSIGHT也是技术工作组和测试组的重要成员之一。

HDMI Forum于2013年发布了HDMI2.0规范，数据速率由3.4Gbps/lane上升到6Gbps/lane，可以支持4K@30Hz 和 4K@60Hz的高清显示。

但随着更丰富的电视和游戏内容的出现，消费者的期望已经从超高清4K显示提高到具有更细微图像细节、更大色彩范围。为了向数字电视和日益流行的基于HDMI的源设备提供优质内容，HDMI Forum于2017年发布了HDMI规范2.1版本，增加了FRL（Fixed Rate Link）模式，支持8K@60Hz和4K@120Hz和带宽增到到48Gbps。具有更高视频分辨率、更逼真的色彩和亮度、更高质量更复杂的音频格式，以及更加流畅的游戏体验。

HDMI各版本也在不断的升级，从最初的V1.0已经发展到最新的V2.1，其中比较典型的版本为V1.4b,V2.0和V2.1版本，它们各版本所支持的最大速率，时钟频率及压缩格式请参考下表：

从Agilent到Keysight在HDMI测试方案开发及标准的制定中做出的贡献是居功至伟的，从2003年HDMI1.1开始就参与测试标准的开发制定，到HDMI1.3/1.4再到现在HDMI2.0/2/1测试规范的开发及MOI的制定，Keysight一直是协会董事会BOD(Board Of Director)的重要成员，Keysight专家Brian Fetz做为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贡献，在HDMI测量领域，Keysight一直主导HDMI测试领域的发展。

同时HDMI组织制定了CTS(Compliance Test Specification)规范，要求各家HDMI设备生产厂商均要进行一致性测试，也就是用“同一把尺子”去衡量各自的产品，也就是使用同样的测试码型，同样的测试连接方式，同样的测量算法等，目的是能够使不同的产品具有良好的兼容性及互联互通性。

HDMI组织授权的ATC(Authorized Test Centers)实验室目前全球接近20家，由于Keysihgt在HDMI测试领域一直推动HDMI测试发展，所以接近80%的ATC采用Keysight全套的解决方案。

厂家及全球分布区域如下图：

HDMI2.1 FRL新的特性

HDMI 2.1 FRL是 HDMI 规范的最新版本，FRL是Fix Rate Link固定速率链路的缩写，支持一系列更高的视频分辨率和刷新率，包括8K@60Hz 和 4K@120Hz，分辨率高达10K。还支持动态 HDR 格式，带宽增加到 48Gbps。

这里注意一点，HDMI2.1的版本推出之后，将HDMI2.0纳入到了HDMI2.1版本之中，也就是HDMI2.0已经不存在了，但HDMI1.4还是存在的，因为HDMI1.4是“7C” founder制定的。所以HDMI1.4仍然存在，名称仍然是HDMI1.4，HDMI2.0纳入HDMI2.1后称之为HDMI2.1 TMDS，而HDMI2.1称之为HDMI2.1 FRL，同时测试HDMI2.1同时需要向下兼容测试HDMI1.4。

HDMI2.0升级到HDMI2.1 FRL后有如下的几点变化：

• 速率的变化

HDMI2.1 FRL速率较之前版本有非常大的提升，HDMI1.4数据最大吞吐量为10.2Gbps，HDMI2.0数据最大吞吐量为18Gbps，而HDMI2.1 FRL单条lane速率达到12Gbps，4条lane同时使用的时候速率可达48Gbps。同时为了能够向下兼容，HDMI2.1 FRL具有两种传输模式，分别为3 data lane传输和4个data lane传输的模式。

• 编码的变化

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

• 传输架构的变化

HDMI1.4和HDMI2.0传输高速信号的通道数为4个，三路TMS Channel 0~2用来音视频数据data传输，一路TMDS Clock Channel用来传送时钟。

HDMI2.1 FRL高速传输通道数量没有改变，仍然是4路，但全部可以传输data，且每一路data速率可以达到12Gbps。

在HDMI1.4中，时钟CLK是数据DATA的10分频，到HDMI2.1 TMDS架构（HDMI2.0）中，时钟CLK的频率是数据Data的40分频，而到了HDMI2.1 FRL架构，已经没有单独的时钟通道，而是以1618b 编码到数据中进行传输，之后通过接收端CDR恢复时钟进行采样。

• eARC增强型音频回传通道变化

eARC(Enhanced Audio Return Channel)增强型音频回传通道，这是HDMI FRL中一项新的feature，目的确保音频设备与HDMI 2.1产品之间的完全兼容性，支持最先进的音频格式。

从下图中可以看出基于对象的音频，未压缩的5.1 和 7.1，以及 32 通道未压缩音频基于对象的音频可以提供沉浸式立体体验，并增强音频细节和位深度。同时音频带宽也从1M bits/second 增加到37M bits/second。

• Cable和Connector的类型的变化

在之前的HDMI1.4和HDMI2.0时代，采用的都是Cat 2（Category2 Cable）类线缆，而到HDMI2.1 FRL版本后，需要使用超高速HDMI线缆(Ultra High Speed HDMI Cable)，在HDMI2.1的规格书中定义为Category3 Cable，带宽速度和先前的Premium Cable做比较，从18G大幅提升到48G，可以满足8K TV或4K 120Hz电竞屏幕的讯号传输需求。

由于速率的提升，HDMI2.1 Cat 3线缆规格与1.4b Cat 2的对比，HDMI 2.1的延迟差（skew）规格比HDMI1.4b 及2.0更严格，所以HDMI 2.1协会针对Calbe和Connector制定了专门的一致性测试规范(CTS)，规范要求电缆必须通过HDMI论坛授权测试中心(ATC)的认证，每条型号线的每条长度都必须经过认证，特别强调适用于3类电缆，目的是确保良好的信号完整性并降低 EMI。

针对HMDI一致性测试，主要包含TX发射机一致性测试，RX接收机一致性测试，链路互联的Cable和Connector一致性测试及eARC增强型音频回传的一致性测试。

整体的测量方案包括以高性能示波器为基础的Source发送端及eARC测试，以AWG 8195A为基础接收端Sink测量，以网络分析仪为基础的链路互联的表征。

Keysight拥有HDMI全套的自动化解决方案，首先，我们从发送端开始进行介绍。

3、HDMI2.1 TX端一致性测试

下图是HDMI2.1 发送端测试连接示意图，主要有示波器、探头、探头前端、夹具及EDID控制器组成。

从连接示意图中可以看出，HDMI2.1 发送端主要测试配置如下表：

测试配置的选择

• 示波器的选择

根据HDMI2.1 CTS规范要求至少选择带宽20GHz的示波器。

Keysight DSAV204A，DSAZ204A 及 UXR0204A 三款示波器均可以满足测试要求。

其中 UXR 系列采用10bit ADC 相对前两款有更高 ADC 位数及本底噪声，会带来更高测量精度及更多的裕量。

• 探头及探头前端的选择

除了示波器之外，对于HDMI2.1 FRL测试探头及探头前端也有几种选择：

N7003A+N5444A组合：

N7003A探头带宽20GHz，采用了 InfiniiMode 技术的三态探头，既可以单端用，又可以差分用，只需更改其设置便可测量差分信号、单端 A 或 B 信号，以及差分信号共模分量。极大扩展了测量功能和可用性。

N5444A探头提供 28 GHz 的带宽，接口为InfiniiMax III 2.92 mm/3.5 mm/SMA同轴接口。

针对HDMI2.1 FRL测试，N7003A+N5444A这个组合连接一次就可以测试所有测试项目，当然如果Data3要是用做CLK的话，需要重新连接一次。

如何实现一次连接可以测量全部项目呢？从下图可以看出，差分信号采用的是单端连接的方式，D0+连接到CH1的A, D0-连接到CH3的A, D1+连接到CH1的B, D1-连接到CH3的B，其它data lane连接方式类似…是以这样的连接方式实现单端和差分信号自动化测试的，由于连接方式是单端的，所以可以直接进行单端测试，而差分测量是通过示波器CH1-CH3或CH2-CH4方式实现的。

连接方式如下：

N7010A+SMA Cable组合：

N7010 Adapter+SMA Cable的组合，这个组合是成本最低且噪声最小的经济型解决方案，N7010A Adapter为30G带宽，内部有电阻上拉到3.3V，无需再通过power supply连接，但是缺点是每次只能测试两个data，要反复连接。

连接方式如下：

为了免除反复连接的复杂性，提高测试效率，可以借助于BIT 2100矩阵开关实现自动化的切换，CH1&CH3连接到data3，因为data3在TMDS时候是连接到CLK的，所以必须连接，然后其他的data连接在CH2&CH4，软件自动切换到其他data，实现自动化的测量。

但该矩阵开关的引入会对测试精度产生影响，所以需要进行S参数的测量后进行去嵌。

Note：目前业界上应用最多的是第一套方案N7003A+N5444A进行自动化测试。

• 测试夹具的选择

可用于HDMI2.1测试的 TPA-P夹具，主要厂家有Wilder，BIT和Luxshare，夹具形态如下：

在Keysight HDMI2.1一致性测试软件D9021HDMC中这三种fixture type都是支持的，客户可自行选择和购买。

EDID/SCDC Controller

EDID/SCDC控制器的目的有两个，一是为了能够而模拟任意的显示设备，二是写入和读取SCDC值以设置测试条件，并向被测设备发送消息，模拟真实的链路环境。

EDID/SCDC Controller的厂家也有很多，包括Wilder，Allion，Vprime等，推荐使用Allion Labs AJSC-1 controller，该款controller可与Keysight自动化测试软件实现全自动化的测量。

下图是HDMI2.1 TX 一致性测试解决方案配置：

• 测试点的选择

所有的高速数字总线都会标注有测试点，HDMI2.1也不例外，因为不同的测试点链路的衰减情况是不同的，所有协会规范会要求所有厂家均在要求的测试点上去衡量，针对HDMI来讲，TP1的测试点是在Source输出端的端口位置处，TP2测试点是经过Cable链路到Sink端的输入位置上。

而对于眼图测试规范要求测试的位置是TP2_EQ，也就是信号采集点仍然是TP1，然后通过Cable模型的嵌入模拟到TP2的位置，之后再对TP2位置的信号进行EQ均衡处理之后的位置测试眼图：

关于Cable Model，规范定义了两种模型，分别是Category 3 Worst Cable Model (WCM3)和Category 3 Short Cable Model (SCM3)，这两种cable model都需要测量，模拟真实环境情况。

同时，还定义了两种均衡，分别是1db~8db的CTLE和一阶25mv的DFE。

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

测试码型的解释

HDMI2.1 FRL增加Link Training Pattern(LTP)，之前在HDMI2.0及HDMI1.4会找设置分辨率，找一些同步帧进行测试，但HDMI2.1 FRL需要针对不同的测量items发送不同的测试码型，目的是特定的pattern不会对抖动等测试产生影响。

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

规范针对测试码型共定义了9中，分别是LTP1~LTP8测试码型：

LTP1：All 1’s pattern ----全“1”码型

LTP2：All 0’s pattern ----全“0”码型

LTP3：Clock pattern ----时钟码型

LTP4：128 zeros followed by 128 ones----128个0&128个1的重复码型

LTP5~8：Predefined sequence of 4096 FRL Characters---- prbs伪随机码型

针对不同的测量项目需要发送不同的LTP，而且HDMI2.1 FRL测试还定义了除了待测lane(Victim Lane)发送相应的码型，其它的lanes(Aggressor Lane)也要发送相应的码型，主要考虑到不同lanes之间的crosstalk的影响，具体见下表：

了解完LTP码型之后，我们解读一下HDMI FRL的测量项目。

针对HDMI FRL测量，协会规定共有9个测量项目，包含9个Test ID，分别为HFR1-1~HFR1-9。

HFR1-1：

DC Common Mode Test 直流偏置电压测试

目的是验证差分信号直流偏置电压，规范要求该偏置电压在AVcc-800mV~AVcc+30mV之间，此处的AVcc为3.3V，所以也就是2.5V~3.33V为判决条件，测试点位置为TP1。如果偏置电压过大可能会产生串扰，EMI等问题。

HFR1-2：

VSE_Max, VSE_Min 单端信号的最大值和最小值

目的是验证差分信号中data+和data-两个单端信号的最大值和最小值，规范要求该最大值和最小值和HFR1-1直流偏置电压的测量结果有关联，范围为”直流偏置电压±375mV”，测试点位置为TP1。所以，如果该项测量结果fail，需要查看HFR1-1的测量结果是否正确。

HFR1-3：

Rise/Fall slew rate 上升/下降斜率测试

目的是验证单端信号上升下降斜率的快慢，规范要求最大为16mV/ps（20%~80%），测试点位置为TP1，待测的lane发送LTP4长1长0码型也就是128个”1”和128个”0”进行测量。如果上升/下降斜率太快会带来辐射影响。

HFR1-4：

Inter-Pair Skew  对间延迟差测试

目的是验证不同lanes之间Differential Delay差值，规范要求不能大于4Tbit(Tbit就是1个bit的时间宽度，也就是UI)，测试点位置在TP1。lane与lane之间延迟差过大会导致传输信号对组合错误，造成传输讯息错误。

HFR1-5：

FRL Rates 速率精度测试

目的是验证实际测量的FRL的速率相对于标准速率的精度，规范要求±300ppm，测试码型使用LTP3，也就是“0”和“1”交替的clock patter，其它lane发送LTP2(全“0”码型)，测试点位置在TP1，如果data rate精度存在问题，会导致真个链路传输的不稳定。

HFR1-6：

Random Jitter 随机抖动测试

目的是验证随机抖动在捕获BER 10-6下进行外推到BER 10-10的条件下峰峰值不能大于0.2Tbit(Tbit就是1个bit的时间宽度，也就是总线的UI)，RJ测试需要排除ISI码间干扰等与数据相关的抖动成分的影响，所以测试的码型选用的是LTP3，也就是“0”和“1”交替的clock patter，其它lane发送LTP2(全“0”码型)，规范要求在1E-10 ≤ 0.2 Tbit，测试点位置在TP2_EQ，如果RJ过大会导致系统不稳定，信号传输出现异常等现象。

HFR1-7：

Data Lane Eye Diagram 眼图测试

目的是验证在使用worst cable model及short cable model情况下，通过适当的CDR及均衡，接收端仍然可以满足眼高眼宽的要求，没有碰触眼图模板。

针对眼图测量是各家测量的重点，也是难点，因为眼图测试规范要求用示波器探头单端引入，嵌入最worst cable模型，同时嵌入。

下图是针对不同速率眼高眼宽的要求：

每一个data lane会有2个眼图，一个是worst cable model下的眼图：

一个是short cable model眼图：

HFR1-8：

AC Common Mode Noise AC共模噪声测试

目的是验证AC共模噪声在规范要求范围内，规范要求在标准摆幅1V的时候，噪声不能超过±15%，即150mV， 被测试的lane发送LTP5~8，其它lane发送LTP2码型，测试点位置在TP1，以确保由共模噪声引起的辐射受到限制。

HFR1-9：

FFE Monotonicity FFE单调性测试

目的是验证4阶的FFE是否是单调增加的，被测试的lane 发送LTP4码型，其它lane发送LTP2码型，该测量项是Informative的。

上面所述的测量项目需要调用不同的cable模型，及不同的CTLE及DFE的组合，同时被测试的data lane发送特定码型，其它data lane也要发送相应的码型进行测试，如果手动测量非常繁琐，Keysight提供自动化的一致性测试软件D9021HDMC，可以帮助您提高测试效率及避免测试方法的误操作，同时自动测试完毕后会生成一份完整的测试报告。

4、HDMI2.1 Category 3 电缆和连接器测试

HDMI 2.1引入了新的3类电缆和连接器性能。新的超高速HDMI电缆支持每通道12 Gbps带宽，以支持未压缩的HDMI 2.1特性。该电缆还具有非常低的EMI发射，并向后兼容早期版本的HDMI规范，因此它可以用于现有的HDMI设备，下图是规范要求的测试点。

同时，针对Cable&Connector的CTS规范也制定了Cable3的测试内容，分别为Test ID HFR6-1~ 3. 验证测试连接器是否满足差分阻抗要求，衰减(差分插入损耗)和衰减-串扰比(远端)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

针对Cable和Connector测量，Keysight有两个推荐的方案：

1. 使用E5080B 4端口网络分析仪进行测量，该产品具有出色的动态范围、迹线噪声和温度稳定性，连接方式如下图：

基于E5080B的HDMI Cable/Connector 测试方案

由于HDMI2.1共有4对差分lanes，即8条cable，收发两侧共计16条，E5080B需要重复连接15次才能测量所有4条差分lanes，测试时间大约90分钟，但由于E5080B还具有其它非常优异的功能，所以仍是业界广泛使用的主力解决方案。

2. 另一种解决方案是使用Keysight M937x PXI多端口矢量网络分析仪(PXI VNA)。

PXI VNA支持全16端口VNA测试，仅通过一次连接即可测量所有四个差分lanes。通过一次连接，该解决方案提供了更可靠的测试结果，减少了操作人员的错误，并增加了系统附件的寿命。测量可以在大约15分钟内完成。

关于连接Cable的TPA夹具，Luxshare，BitifEye, Wilder均有提供，客户可自行选择购买。

5、HDMI2.1 Sink端一致性测试 

接收器Sink端主要是电视机，显示器，投影仪等设备，需要使用合成了压力损伤的测试信号对系统的 Jitter Tolerance 进行测试。

在HDMI FRL规范中定义了测试Sink端的test ID如下：

主要针对差分电压的摆幅容忍度，差分对内及lane与lane之间的skew，最小Link Rate的容忍度及抖动容忍度的测量。

在实际操作中，不可能通过穷举法进行测试，因此就需要采用标准的信号源设备发出标准信号并合成由规范定义的标定的类型及额度的信号损伤，如水平方向的抖动分量包括随机抖动(Rj)，周期抖动(Pj)，码间干扰(ISI)及串扰信号等。在测试过程中，不仅完全可以按照规范要求设定和标定各种损伤分量幅度及频率等参数，也可以通过加重损伤幅度的方法来检测接收端系统的最高容忍度(Tolerance)，这一测试过程就是 RX 测试中的抖动容限(Jitter Tolerance)测试，而这一合成了各种损伤的信号叫做压力测试信号(Stress test signal)。

Keysight HDMI接收器测试解决方案的核心是基于M8195A AWG和N5991A Bitifeye Software测试自动化软件来实现。

M8195A任意波形发生器(AWG)提供高达65 GSa/s，25 GHz模拟带宽，8位垂直分辨率，并在1槽slot模块中同时多达4个通道。可用于一个M8197A模块同步多个M8195A模块的情况，延迟精度为±20ps。

在之前的HDMI1.4和HDMI2.1 TMDS测试中，我们需要人眼观察color bar来判断是否存在异常，如下图显示：

之后，N5991A自动化软件会提示color Bar否是存在异常，根据工程师的配合后进行判读测试结果是否Pass。

而在HDMI2.1 FRL测量中，不再通过人眼观察color Bar，而是通过EDID/SCDC Controller读取被测件芯片寄存器来查看误码率的。

6、HDMI eARC物理层测试方案

eARC功能使音频流能够从HDMI接收器传输到相邻HDMI源/中继器，以反方向传输到视频信号。eARC特性在H14b音频返回通道(ARC)的基础上进行了改进可以跟上音频编解码器的变化，特别是包含新的基于对象的音频编解码器，杜比全景声 和 DTS：X。

数据通道是从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，通过HPD 和 Utility pin进行传输。

Keysight提供基于V, Z和UXR系列示波器，81160A函数发生器和BitifEye测试软件和分析仪实现eARC TX和RX一致性测试。

测试组网图如下图所示：

由81160A函数发生器产生差分的数据信号，DSGA（Dynamic Sequencer Generator and Analyzer）设备产生共模信号，叠加到差分数据信号上，DSGA与被测件有链路协商机制，通过Common Mode Probing Board 夹具共模提取的端口接到DSGA的端口上，示波器将引入的信号进行眼图模板的测试。

小结

综上所述，本文简单的介绍了HDMI的发展历史，详细的分析了HDMI2.1 FRL最新版本的变化，着重刨析了HDMI2.1 FRL 测试内容及方法，全面的阐述了HDMI 源端，接收端，传输电缆和连接器及eARC全套的解决方案。同时是德科技提供了完整的HDMI测试解决方案，这些方案已经在实际中得到验证，表现优异。