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选择恰当平台简化HDMI设备的调试与验证
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被称作DTV革命催化剂的高清多媒体接口( HDMI)技术即将迎来大规模应用的曙光。在HDMI标准下，内容提供商、系统运营商和消费电子产品(CE)制造商正在展开一场拉力赛。这就使行业关注的重点转向如何证明产品测试与HDMI标准所定义的测试一致。设计和验证工程师需要依靠工具来快速可靠地完成标准所要求的大量测试，从而提高效率。本文介绍了用以确保产品通过验证的HDMI关键测试、复杂HDMI信号测试中存在的挑战，示波器自带测试软件如何能在保证结果可靠的前提下实现效率的飞跃，以及这些软件如何大幅提高测试的自动化程度。
HDMI官方机构于2006年6月公布了1.3版的HDMI规范，其中增加了一些分辨率更高的显示格式，包括1080P这种串行数据率高达3.4 Gb/s的深色显示格式(deep color format)。HDMI 1.3的出台是迄今为止该规范最重大的一次飞跃，而HDMI标准也已成为包括DVD播放器、高清电视机和新型游戏设备在内的诸多高清设备广为采用的接口事实标准。HDMI 1.3中收入了去年底开始出现在消费电子市场并且今年仍将继续大量使用的新型高清音、视频技术。为保证信息传输的可靠性和设备的互通性，该标准还对网络的物理层提出了要求。在HDMI规范和更明确的HDMI一致性测试规范(CTS) 中，定义了一系列适用于HDMI物理层的一致性测试。2007年3月，HDMI官方机构又公布了最新的一致性测试规范(CTS V1.3b)文件，其中包括对HDMI V1.3中定义的一些功能的新测试。
HDMI V1.3物理层一致性测试中面临的挑战
要保证被测设备与HDMI CTS 1.3b规范的规定一致，并最终保证HDMI 1.3规范的产品开发成功，必须要有适合高速串行数据的高品质测试与测量仪器和方案。图1给出了HDMI传输系统的主要构成元素—源端、电缆和接收器。当然，测试越详尽越好，但对满足一致性而言，核心的电测试才是最关键的。图1总结了核心测试的一些条目。
根据HDMI CTS 1.3b规范，一套完整的一致性测试方案中需要实时示波器、采样示波器、信号发生器、差分探头和测试夹具。但关键问题是如何选择合适的测试平台来简化设计，并保证新的HDMI设计与新的一致性测试要求相符。为此，工程师们需要利用这些仪器组合出一套完整、灵活的高性价比测试方案。只有组合起一套功能强大的集成测试方案后，才能进行快速眼图绘制和抖动验证，因为这两项功能要求在尽可能短的时间内积累大量波形。而且，为了利用示波器上自带的“一键运行(one-button)”一致性测试软件自动完成复杂的电缆和接收器测试，信号发生器必须工作在一个闭环环路中。
图1：HDMI最小化传输差分信号(TMDS)的逻辑连接以及CTS规范所要求的核心测试。
HDMI一致性测试技术
1．实时示波器
一套完整的HDMI CTS 1.3b测试方案中应包含针对消费电子产品、半导体和电缆制造商的设计与测试工程师使用的高性能硬件与全面的软件。在关键仪器方面，测试HDMI 1.3信号需要带宽至少为8GHz，并且可运行一致性测试软件的实时示波器。
图2是一次利用HDMI一致性测试软件进行HDMI V1.3源端测试得到的结果。同时，为保证全面体现信号特点，CTS 1.3b还规定了捕捉信号所需的最小示波器记录长度。根据该规定，示波器至少应能累积40万个单位时间间隔(或Tbit)来绘制眼图。在16 M/20 M的记录长度下，示波器至少能捕捉40万单位时间间隔的低分辨率信号，或260万单位时间间隔的高分辨率信号。考虑到高达3.4Gbps的数据率，高采样率(高于10GS/s)下示波器的最小记录长度就应大于16M。
图2：HDMI源端一致性测试结果。
任何传输系统最关心的问题都是时钟抖动，抖动测试的目的就是检查并确保时钟信号中没有过多的抖动。例如，占空比抖动测量就是评估时钟确定性抖动的一种很好的方法。CTS规定，在50%的标称占空比附近可以有+10%的变化裕量。但应注意，此处所说的占空比变化是指在大量捕获信号的基础上进行测量得到的结果。因为CTS规定，测量占空比变化至少需要一万个触发波形。这样一来，示波器的触发再准备速率(Trigger re-arm rate)就变成最重要的一个因素。一般情况下，触发再准备速率约为每秒100个波形(wfms/s)。
这可能就意味着信号捕获和测试时间将长到让人难以接受的程度。幸运的是，还有一些精密技术，例如数字荧光示波器(DPO)上的FastAcq技术能够提高触发再准备速率，使其达到30万wfms/s的水平。图3所示就是用FastAcq技术进行时钟占空比测试的情况。图中示波器所表现的信息非常丰富，正是这一点保证了测量的说服力。
图3：利用DPO进行时钟抖动测试。
2．信号发生器
数字高清接收设备最重要的一个特性就是它对信号抖动具备一定程度的耐受力。标准中将这种耐受能力规定为0.3*Tbit。测试时，需将一定量的抖动逐次加入发送的TMDS信号中，直到接收设备无法恢复信号。然后再将接收设备所能承受的总抖动与标准规定的限度进行比较，检查设备与标准的一致性。
抖动裕度测量是指向信号中加入一定量的抖动后进行几次测量。以下是对(a) 、(b)两个案例进行三次测量的例子：(a)在500KHz下的数据抖动，在10 MHz下的时钟抖动率；(b)在1 MHz下的数据抖动，7 MHz下的时钟抖动频率
要选择合适的HDMI CTS测试设备，必须了解需要解决的问题有那些。例如，TMDS信号的产生在接收器测试中扮演着十分重要的角色，而信号发生器中的一个关键问题就是怎样提供一系列高精度信号，并精确控制这些信号的参数。
最小差分灵敏度测试要求20mV的分辨率；对内偏移(intra-pair skew)测试要求延迟设置精确到亚皮秒级分辨率。
抖动容限测试比抖动裕度测试更加困难，因为在测试中既要改变时钟抖动也要改变数据抖动。而产生10 MHz级的抖动频率就需要同时使用几种信号发生器组合。由于HDMI规范对抖动裕度的要求比较严格，因此必须精确控制抖动幅度。因为需要调整的参数很多，抖动裕度又很紧张，因此抖动容限测试就变得极端复杂，可能需要很长的时间才能完成。图4就一个自动化接收器测试系统的例子。
图4：基于闭环机制的集成接收测试系统。
该例中，数字荧光示波器通过一条GPIB电缆与TMDS信号发生器DTG5334相连，需要时还可通过一条GPIBUSB-B电缆将其与抖动插入信号发生器AWG/AFG相连。HDMI设计与测试工程师可以在一套闭环装置中控制这些信号发生器，利用示波器上自带的“一键运行”一致性测试软件自动实现复杂的电缆和接收器测试。该例中采用的闭环装置大大缩短了测试时间，也消除了测试装置的非线性。
3．差分探测系统
此外，拥有灵活、通用的高性能探测系统也很重要。如今的许多高速串行数据标准都在多条信号通路上采用了差分信号传输，这对单个示波器能否同时测量两路差分信号提出了挑战。为此，工程师需要一种能利用4个差分SMA探头同时捕获多达4路高速差分信号的示波器(参考图4)。该示波器的另一个好处是其探头的SMA输入上连接了一个高品质的50 终端，因而其回波损耗可达到业界领先水平。这在频率日益增高的HDMI一致性测试中是非常重要的。
差分SMA探头为终端网络提供了一个共模直流电压输入。终端电压可以由用户从外部提供，也可由示波器从内部提供。此外，该探头还具备一种自动模式，能感测输入信号的共模电压并自动设置终端电压使其与输入共模电压匹配。
P7313SMA拓宽的终端电压范围使其成为测试HDMI和DVI等高共模电压类差分标准的理想选择。除了终端电压范围拓宽之外，P7313SMA的动态范围也得到了展宽。这就允许探头在2.5x的衰减设置(属于低噪设置)下测量更大的信号。
4．采样示波器
为实现高速数据传输而采用的差分传输线对阻抗匹配非常敏感。因此，在HDMI一致性测试中，阻抗特性测试十分重要。直接连接阻抗允许在规范规定的100 上下有15%的波动。终端阻抗的可变范围要求就比较严格，只能在特性阻抗100 上下10%范围内变化。同时，工程师还需要检查对内偏移(Intra-pair)、对间偏移(Inter-pair)和串扰等电缆的关键特性是否达到要求。
时域反射计(Time Domain Reflectometry, TDR)是一种可精确测量互连系统阻抗与长度特性的功能强大的工具。虽然TDR的基本概念相对比较简单，但要想得到精确的测量结果，必须考虑几个问题，其中最重要的就是如何实现真正的差分TDR。泰克DSA8200采样示波器自带的iConnect软件提供了一种性价比较高的创新式TDR测试功能，它同时还具备一些新的测试功能，可作为替代VNA的一种高效低价的测试方案。
本文小结
高清多媒体接口(HDMI)技术正处于迅猛增长阶段。如何保证此类产品与HDMI 1.3规范的一致性并最终保证产品的成功开发，这是HDMI设计与测试工程师面临的一项十分艰巨的任务。在测试HDMI 1.3信号时，工程师需要带宽至少为8GHz的实时示波器。泰克开发了可在示波器上运行的Tektronix HT3 3.3.1等HDMI一致性测试软件，它们还可以控制接收器和电缆测试中的DTG、AWG或AFG。自带iConnect软件的DSA8200采样示波器则提供了完整的TDR、FEXT和偏移(Skew)测量功能，可完成HDMI的全部物理层测试。
HDMI官方机构于2006年6月公布了1.3版的HDMI规范，其中增加了一些分辨率更高的显示格式，包括1080P这种串行数据率高达3.4 Gb/s的深色显示格式(deep color format)。HDMI 1.3的出台是迄今为止该规范最重大的一次飞跃，而HDMI标准也已成为包括DVD播放器、高清电视机和新型游戏设备在内的诸多高清设备广为采用的接口事实标准。HDMI 1.3中收入了去年底开始出现在消费电子市场并且今年仍将继续大量使用的新型高清音、视频技术。为保证信息传输的可靠性和设备的互通性，该标准还对网络的物理层提出了要求。在HDMI规范和更明确的HDMI一致性测试规范(CTS) 中，定义了一系列适用于HDMI物理层的一致性测试。2007年3月，HDMI官方机构又公布了最新的一致性测试规范(CTS V1.3b)文件，其中包括对HDMI V1.3中定义的一些功能的新测试。
HDMI V1.3物理层一致性测试中面临的挑战
要保证被测设备与HDMI CTS 1.3b规范的规定一致，并最终保证HDMI 1.3规范的产品开发成功，必须要有适合高速串行数据的高品质测试与测量仪器和方案。图1给出了HDMI传输系统的主要构成元素—源端、电缆和接收器。当然，测试越详尽越好，但对满足一致性而言，核心的电测试才是最关键的。图1总结了核心测试的一些条目。
根据HDMI CTS 1.3b规范，一套完整的一致性测试方案中需要实时示波器、采样示波器、信号发生器、差分探头和测试夹具。但关键问题是如何选择合适的测试平台来简化设计，并保证新的HDMI设计与新的一致性测试要求相符。为此，工程师们需要利用这些仪器组合出一套完整、灵活的高性价比测试方案。只有组合起一套功能强大的集成测试方案后，才能进行快速眼图绘制和抖动验证，因为这两项功能要求在尽可能短的时间内积累大量波形。而且，为了利用示波器上自带的“一键运行(one-button)”一致性测试软件自动完成复杂的电缆和接收器测试，信号发生器必须工作在一个闭环环路中。
图1：HDMI最小化传输差分信号(TMDS)的逻辑连接以及CTS规范所要求的核心测试。
HDMI一致性测试技术
1．实时示波器
一套完整的HDMI CTS 1.3b测试方案中应包含针对消费电子产品、半导体和电缆制造商的设计与测试工程师使用的高性能硬件与全面的软件。在关键仪器方面，测试HDMI 1.3信号需要带宽至少为8GHz，并且可运行一致性测试软件的实时示波器。
图2是一次利用HDMI一致性测试软件进行HDMI V1.3源端测试得到的结果。同时，为保证全面体现信号特点，CTS 1.3b还规定了捕捉信号所需的最小示波器记录长度。根据该规定，示波器至少应能累积40万个单位时间间隔(或Tbit)来绘制眼图。在16 M/20 M的记录长度下，示波器至少能捕捉40万单位时间间隔的低分辨率信号，或260万单位时间间隔的高分辨率信号。考虑到高达3.4Gbps的数据率，高采样率(高于10GS/s)下示波器的最小记录长度就应大于16M。
图2：HDMI源端一致性测试结果。
任何传输系统最关心的问题都是时钟抖动，抖动测试的目的就是检查并确保时钟信号中没有过多的抖动。例如，占空比抖动测量就是评估时钟确定性抖动的一种很好的方法。CTS规定，在50%的标称占空比附近可以有+10%的变化裕量。但应注意，此处所说的占空比变化是指在大量捕获信号的基础上进行测量得到的结果。因为CTS规定，测量占空比变化至少需要一万个触发波形。这样一来，示波器的触发再准备速率(Trigger re-arm rate)就变成最重要的一个因素。一般情况下，触发再准备速率约为每秒100个波形(wfms/s)。
这可能就意味着信号捕获和测试时间将长到让人难以接受的程度。幸运的是，还有一些精密技术，例如数字荧光示波器(DPO)上的FastAcq技术能够提高触发再准备速率，使其达到30万wfms/s的水平。图3所示就是用FastAcq技术进行时钟占空比测试的情况。图中示波器所表现的信息非常丰富，正是这一点保证了测量的说服力。
图3：利用DPO进行时钟抖动测试。
2．信号发生器
数字高清接收设备最重要的一个特性就是它对信号抖动具备一定程度的耐受力。标准中将这种耐受能力规定为0.3*Tbit。测试时，需将一定量的抖动逐次加入发送的TMDS信号中，直到接收设备无法恢复信号。然后再将接收设备所能承受的总抖动与标准规定的限度进行比较，检查设备与标准的一致性。
抖动裕度测量是指向信号中加入一定量的抖动后进行几次测量。以下是对(a) 、(b)两个案例进行三次测量的例子：(a)在500KHz下的数据抖动，在10 MHz下的时钟抖动率；(b)在1 MHz下的数据抖动，7 MHz下的时钟抖动频率
要选择合适的HDMI CTS测试设备，必须了解需要解决的问题有那些。例如，TMDS信号的产生在接收器测试中扮演着十分重要的角色，而信号发生器中的一个关键问题就是怎样提供一系列高精度信号，并精确控制这些信号的参数。
最小差分灵敏度测试要求20mV的分辨率；对内偏移(intra-pair skew)测试要求延迟设置精确到亚皮秒级分辨率。
抖动容限测试比抖动裕度测试更加困难，因为在测试中既要改变时钟抖动也要改变数据抖动。而产生10 MHz级的抖动频率就需要同时使用几种信号发生器组合。由于HDMI规范对抖动裕度的要求比较严格，因此必须精确控制抖动幅度。因为需要调整的参数很多，抖动裕度又很紧张，因此抖动容限测试就变得极端复杂，可能需要很长的时间才能完成。图4就一个自动化接收器测试系统的例子。
图4：基于闭环机制的集成接收测试系统。
该例中，数字荧光示波器通过一条GPIB电缆与TMDS信号发生器DTG5334相连，需要时还可通过一条GPIBUSB-B电缆将其与抖动插入信号发生器AWG/AFG相连。HDMI设计与测试工程师可以在一套闭环装置中控制这些信号发生器，利用示波器上自带的“一键运行”一致性测试软件自动实现复杂的电缆和接收器测试。该例中采用的闭环装置大大缩短了测试时间，也消除了测试装置的非线性。
3．差分探测系统
此外，拥有灵活、通用的高性能探测系统也很重要。如今的许多高速串行数据标准都在多条信号通路上采用了差分信号传输，这对单个示波器能否同时测量两路差分信号提出了挑战。为此，工程师需要一种能利用4个差分SMA探头同时捕获多达4路高速差分信号的示波器(参考图4)。该示波器的另一个好处是其探头的SMA输入上连接了一个高品质的50 终端，因而其回波损耗可达到业界领先水平。这在频率日益增高的HDMI一致性测试中是非常重要的。
差分SMA探头为终端网络提供了一个共模直流电压输入。终端电压可以由用户从外部提供，也可由示波器从内部提供。此外，该探头还具备一种自动模式，能感测输入信号的共模电压并自动设置终端电压使其与输入共模电压匹配。
P7313SMA拓宽的终端电压范围使其成为测试HDMI和DVI等高共模电压类差分标准的理想选择。除了终端电压范围拓宽之外，P7313SMA的动态范围也得到了展宽。这就允许探头在2.5x的衰减设置(属于低噪设置)下测量更大的信号。
4．采样示波器
为实现高速数据传输而采用的差分传输线对阻抗匹配非常敏感。因此，在HDMI一致性测试中，阻抗特性测试十分重要。直接连接阻抗允许在规范规定的100 上下有15%的波动。终端阻抗的可变范围要求就比较严格，只能在特性阻抗100 上下10%范围内变化。同时，工程师还需要检查对内偏移(Intra-pair)、对间偏移(Inter-pair)和串扰等电缆的关键特性是否达到要求。
时域反射计(Time Domain Reflectometry, TDR)是一种可精确测量互连系统阻抗与长度特性的功能强大的工具。虽然TDR的基本概念相对比较简单，但要想得到精确的测量结果，必须考虑几个问题，其中最重要的就是如何实现真正的差分TDR。泰克DSA8200采样示波器自带的iConnect软件提供了一种性价比较高的创新式TDR测试功能，它同时还具备一些新的测试功能，可作为替代VNA的一种高效低价的测试方案。
本文小结
高清多媒体接口(HDMI)技术正处于迅猛增长阶段。如何保证此类产品与HDMI 1.3规范的一致性并最终保证产品的成功开发，这是HDMI设计与测试工程师面临的一项十分艰巨的任务。在测试HDMI 1.3信号时，工程师需要带宽至少为8GHz的实时示波器。泰克开发了可在示波器上运行的Tektronix HT3 3.3.1等HDMI一致性测试软件，它们还可以控制接收器和电缆测试中的DTG、AWG或AFG。自带iConnect软件的DSA8200采样示波器则提供了完整的TDR、FEXT和偏移(Skew)测量功能，可完成HDMI的全部物理层测试。
