林巧珊

（作者單位：深圳國(guó)實(shí)檢測(cè)技術(shù)有限公司）

1 研究概述

高清晰度多媒體接口（High Definition Multimedia Interface, HDMI）作為消費(fèi)性電子產(chǎn)品中領(lǐng)先的影音傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)，整合了數(shù)字化影像和聲音傳輸，用一根線材即可同時(shí)傳輸音頻、視頻信號(hào)，在各類接口應(yīng)用中占據(jù)領(lǐng)先地位。隨著電子產(chǎn)品影音消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)于高畫質(zhì)影音應(yīng)用需求的日益增加，4K/8K超高清電視機(jī)越發(fā)普及。尤其隨著8K超高清電視機(jī)擁有的7 680×4 320分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍成像（High Dynamic Range Imaging, HDR）、BT.2020標(biāo)準(zhǔn)的色域范圍、12 bit的量化深度、120 fps的頻率以及22.2聲道的環(huán)繞立體聲技術(shù)的融入，8K超高清電視在視聽呈現(xiàn)能力上較普通高清電視有了巨大飛躍，畫面的清晰度、真實(shí)感和表現(xiàn)力均有了極大提升，8K超高清已成為現(xiàn)行電視行業(yè)技術(shù)的最高標(biāo)準(zhǔn)。為了承載海量超高清的音視頻數(shù)據(jù)，國(guó)際協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化組織新發(fā)布的HDMI2.1標(biāo)準(zhǔn)[1]，加入了全新的固定速率鏈路（Fixed Rate Link,FRL）傳輸模式功能，擴(kuò)展了其信道帶寬，可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率、更寬的色域、更高的幀率、更強(qiáng)的對(duì)比度，滿足消費(fèi)者對(duì)極致視聽效果的追求。

在HDMI2.1標(biāo)準(zhǔn)[1]發(fā)布前，影音傳輸領(lǐng)域多使用傳統(tǒng)的最小化傳輸差分信號(hào)（Transition Minimized Differential Signaling, TMDS）架構(gòu)來進(jìn)行信號(hào)的傳輸，最高帶寬可達(dá)18 Gbps，可用來傳送每幀像素為3 840×2 160分辨率的4K高畫質(zhì)圖像。而新的FRL傳輸模式可將帶寬提升到48 Gbps，在非壓縮模式下可以傳輸每幀像素為7 680×4 320分辨率的高畫質(zhì)圖像，在壓縮模式下可以傳輸每幀像素為10 240×4 320分辨率的高畫質(zhì)圖像，更適合超高清多媒體技術(shù)的快速發(fā)展需求。

2 FRL鏈路訓(xùn)練介紹

2.1 HDMI FRL信道傳輸模式

在傳統(tǒng)的TMDS架構(gòu)下，HDMI傳輸方式是利用一個(gè)獨(dú)立的通道來傳送時(shí)鐘信號(hào)；但在FRL的架構(gòu)中，則是將時(shí)鐘信號(hào)嵌入數(shù)據(jù)信號(hào)中，再通過時(shí)鐘恢復(fù)的處理方式恢復(fù)出時(shí)鐘信號(hào)，因此就多一條信道來傳送數(shù)據(jù)，帶寬便獲得大大提升。

此外，在FRL架構(gòu)下引入新的物理層傳送方式，TMDS使用的是8 b/10 b編碼方式，而FRL使用的是16 b/18 b編碼方式，改善了9%的編碼效率，這進(jìn)一步提升了信道帶寬的使用率，可以讓通道傳輸更高的分辨率圖像或更高刷新率的圖像，為用戶提供更好的影音質(zhì)量體驗(yàn)。

HDMI2.1 FRL除了在高速信號(hào)傳輸架構(gòu)上作了改變，在低速信號(hào)顯示器數(shù)據(jù)通道上傳輸?shù)臄U(kuò)展顯示器識(shí)別數(shù)據(jù)（Extended Display Identification Data, EDID）以及狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)通道（Status and Control Data Channel, SCDC）也重新定義了原本的保留字段，用于標(biāo)識(shí)FRL模式的功能屬性，而這些低速信號(hào)的交換在FRL的鏈路訓(xùn)練過程中承擔(dān)著極其重要的作用。

2.2 FRL鏈路訓(xùn)練過程

在FRL架構(gòu)下，需要通過鏈路訓(xùn)練的方式來決定接收端與發(fā)送端設(shè)備之間的傳輸數(shù)據(jù)速率。以下是FRL鏈路訓(xùn)練過程的簡(jiǎn)化描述。

首先，發(fā)送端讀取解析接收端的EDID，確認(rèn)接收端是否支持FRL模式，如不支持FRL傳輸模式則回到傳統(tǒng)的TMDS傳輸模式。

其次，支持FRL傳輸特性的接收端，通過寫入SCDC狀態(tài)標(biāo)志中的固定速率鏈路訓(xùn)練準(zhǔn)備，來通知發(fā)送端可以進(jìn)行鏈路訓(xùn)練。當(dāng)發(fā)送端查詢到固定速率鏈路訓(xùn)練準(zhǔn)備值被設(shè)定后，即可設(shè)定要輸出的FRL數(shù)據(jù)速率和支持的通道數(shù)，以及前向反饋均衡的參數(shù)值。

再次，支持FRL傳輸特性的接收端會(huì)要求發(fā)送端輸出相對(duì)應(yīng)的鏈路訓(xùn)練模板，雙方確認(rèn)無誤之后才可進(jìn)入正式的FRL信號(hào)傳輸。HDMI設(shè)備在支持FRL模式下，接收端與發(fā)送端在首次建立鏈接時(shí)需要進(jìn)行鏈路訓(xùn)練；HDMI設(shè)備更新FRL速率也是需要進(jìn)行鏈路訓(xùn)練。

最后，如果FRL鏈路訓(xùn)練失敗，則會(huì)開啟TMDS傳輸模式。

2.3 FRL鏈路訓(xùn)練測(cè)試過程中存在的問題

在當(dāng)前的FRL架構(gòu)下，具備HDMI2.1 FRL功能的產(chǎn)品（如電視機(jī)、機(jī)頂盒）在用戶使用過程中，不涉及物理層信號(hào)完整性的測(cè)試，用戶更聚焦在產(chǎn)品功能是否正常。例如，傳輸一個(gè)8K的視頻，用戶只關(guān)心這個(gè)8K視頻在電視上能否正常顯示，或者顯示效果是否滿意，而不關(guān)心產(chǎn)品的物理性能，這導(dǎo)致了物理層信號(hào)完整性測(cè)試手段的缺失。

FRL的電氣特性測(cè)試和TMDS的程序不同，過往執(zhí)行TMDS的電氣特性測(cè)試時(shí)，發(fā)送端設(shè)備只要可以正確讀到EDID，就可以輸出TMDS信號(hào)，因此在測(cè)試過程中可以用顯示器來取代EDID仿真器。但是發(fā)送端在FRL測(cè)試除了要讀到EDID，還需通過鏈路訓(xùn)練程序，因此無法透過顯示器來仿真這道程序，電氣測(cè)試也會(huì)較復(fù)雜。

另外，HDMI2.1 FRL功能產(chǎn)品在進(jìn)行設(shè)備測(cè)試時(shí)，需要在鏈路訓(xùn)練過程中或者完成后才能完成相關(guān)的測(cè)試，這種測(cè)試機(jī)制是HDMI2.1規(guī)范[2]定義的。例如，支持HDMI2.1 FRL功能的發(fā)送端產(chǎn)品，需要在鏈路訓(xùn)練階段進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)完整性測(cè)試；支持HDMI2.1 FRL功能的接收端產(chǎn)品，需要在鏈路完成后才能進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)抖動(dòng)容限測(cè)試。然而，通用的測(cè)試儀器，如任意波形發(fā)生器、高速示波器只具備信號(hào)采集及分析、碼型產(chǎn)生的功能，而不具備HDMI2.1 FRL的鏈路訓(xùn)練功能，無法誘導(dǎo)被測(cè)產(chǎn)品發(fā)出相關(guān)的測(cè)試碼型或使被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)入誤碼測(cè)試狀態(tài)。因此，在當(dāng)前的技術(shù)下，鏈路訓(xùn)練過程需要依賴第三方設(shè)備協(xié)助才能完成，這也降低了設(shè)備的測(cè)試效率。

3 支持HDMI2.1 FRL鏈路訓(xùn)練的測(cè)試方法的目標(biāo)模擬裝置設(shè)計(jì)

為了解決FRL鏈路訓(xùn)練存在的問題，本文著重設(shè)計(jì)一種支持FRL鏈路訓(xùn)練的測(cè)試方法的目標(biāo)模擬裝置[3]。該鏈路訓(xùn)練的設(shè)備測(cè)試方法應(yīng)用于HDMI2.1 FRL的場(chǎng)景下，用于在物理層測(cè)試中實(shí)現(xiàn)HDMI FRL的狀態(tài)控制及實(shí)現(xiàn)鏈路訓(xùn)練，并配合任意波形發(fā)生器或者高速示波器，完成HDMI2.1 FRL的接收端設(shè)備、發(fā)送端設(shè)備或中繼器設(shè)備的目標(biāo)測(cè)試。

3.1 目標(biāo)模擬裝置介紹

本文提出的一種目標(biāo)模擬裝置設(shè)計(jì)框架如圖1所示，主要包括：

圖1 目標(biāo)模擬裝置設(shè)計(jì)框架

第一，微控制器：包括但不限于嵌入式處理器，微控制器還包括存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)單元中保存有上位機(jī)控制程序和應(yīng)用程序編程接口函數(shù)。

第二，HDMI低速接口設(shè)備：HDMI低速接口設(shè)備與微控制器連接，它用于與外界的HDMI夾具設(shè)備進(jìn)行連接，從而利用應(yīng)用程序編程接口函數(shù)來建立與目標(biāo)設(shè)備的連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)設(shè)備的測(cè)試。

第三，通用串行總線（Universal Serial Bus,USB）接口設(shè)備：USB接口設(shè)備與微控制器連接，它用于與上位機(jī)設(shè)備、任意波形發(fā)生器或高速示波器連接，上報(bào)數(shù)據(jù)信道數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、熱插拔檢測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，或接收上位機(jī)等發(fā)送的控制命令給微控制器。

第四，工作狀態(tài)指示設(shè)備：工作狀態(tài)指示設(shè)備與微控制器連接，它用于向用戶指示目前該目標(biāo)模擬裝置的工作狀態(tài)信息，包括主機(jī)狀態(tài)、從機(jī)狀態(tài)。若目標(biāo)設(shè)備為接收端設(shè)備，則目標(biāo)模擬裝置為發(fā)送端模擬設(shè)備，此時(shí)目標(biāo)模擬裝置的工作狀態(tài)信息為主機(jī)狀態(tài)；若目標(biāo)設(shè)備為發(fā)送端設(shè)備，則目標(biāo)模擬裝置為接收端設(shè)備，此時(shí)目標(biāo)模擬裝置的工作狀態(tài)信息為從機(jī)狀態(tài)。

最終開發(fā)出來的HDMI目標(biāo)模擬裝置樣圖如圖2所示，樣機(jī)采用了CY7C68013A-128AXC芯片，該芯片是一款由英飛凌科技生產(chǎn)的USB接口芯片，它被廣泛應(yīng)用于各種USB接口設(shè)備中，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，它采用了8位8051內(nèi)核，主頻為48 MHz。該芯片還配備了16 kB的內(nèi)存，以滿足各種應(yīng)用需求。此外，為了滿足后續(xù)接口、功能的擴(kuò)展，樣機(jī)內(nèi)置了一顆賽靈思的可編程邏輯器件芯片。

圖2 目標(biāo)模擬裝置

3.2 基于HDMI2.1 FRL鏈路訓(xùn)練的測(cè)試方法介紹

下面分別以不同目標(biāo)設(shè)備類型，詳細(xì)介紹具備HDMI2.1 FRL功能的設(shè)備鏈路訓(xùn)練測(cè)試方法：

3.2.1 HDMI2.1 FRL的接收端設(shè)備鏈路訓(xùn)練測(cè)試方法

當(dāng)目標(biāo)設(shè)備為接收端設(shè)備，那么設(shè)定的目標(biāo)模擬裝置則為發(fā)送端模擬裝置，目標(biāo)模擬裝置功能應(yīng)包括電壓輸出功能、熱插拔檢測(cè)狀態(tài)檢測(cè)功能、顯示器數(shù)據(jù)通道總線主機(jī)功能、EDID信息解析功能、SCDC信息解析功能[4]。測(cè)試方法連接如圖3所示。

圖3 接收端設(shè)備鏈路訓(xùn)練測(cè)試方法連接圖

首先，根據(jù)目標(biāo)模擬裝置對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行鏈路訓(xùn)練，得到訓(xùn)練結(jié)果信息，包括發(fā)送端模擬裝置啟用EDID信息解析功能，以讀取接收端設(shè)備的EDID數(shù)據(jù)；EDID數(shù)據(jù)用于判斷接收端設(shè)備是否支持FRL功能，若接收端設(shè)備支持FRL功能，則發(fā)送端模擬裝置啟用SCDC信息解析功能，以讀取接收端設(shè)備的SCDC數(shù)據(jù)的狀態(tài)標(biāo)志位中的準(zhǔn)備狀態(tài)數(shù)據(jù)；準(zhǔn)備狀態(tài)數(shù)據(jù)用于表征接收端設(shè)備是否準(zhǔn)備好進(jìn)入訓(xùn)練狀態(tài)。若檢測(cè)到固定速率鏈路訓(xùn)練準(zhǔn)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等于1，則發(fā)送端模擬裝置將預(yù)設(shè)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)寫入接收端設(shè)備的SCDC數(shù)據(jù)的接收端配置寄存器中；訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括FRL功能的數(shù)據(jù)速率值、通道數(shù)量、前向反饋均衡的參數(shù)值，發(fā)送端模擬裝置讀取接收端設(shè)備的SCDC數(shù)據(jù)中的訓(xùn)練測(cè)試碼型請(qǐng)求數(shù)據(jù)，發(fā)送端模擬裝置根據(jù)訓(xùn)練測(cè)試碼型請(qǐng)求數(shù)據(jù)控制高速任意波形發(fā)生器生成訓(xùn)練測(cè)試碼型數(shù)據(jù)。若檢測(cè)到訓(xùn)練超時(shí)或訓(xùn)練測(cè)試碼型請(qǐng)求數(shù)據(jù)不符時(shí)，則停止鏈路訓(xùn)練并生成訓(xùn)練結(jié)果信息。

其次，根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果信息對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)測(cè)試。若訓(xùn)練結(jié)果信息為訓(xùn)練已完成，則發(fā)送端模擬裝置控制高速任意波形發(fā)生器生成目標(biāo)測(cè)試碼型數(shù)據(jù)，接收端設(shè)備的SCDC數(shù)據(jù)的狀態(tài)標(biāo)志位中的通道鎖定數(shù)據(jù)為1，則上位機(jī)通過發(fā)送端模擬裝置讀取接收端設(shè)備的SCDC數(shù)據(jù)的字符錯(cuò)誤檢測(cè)寄存器，以得到誤碼率數(shù)據(jù)；根據(jù)誤碼率數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的誤碼率閾值得到抖動(dòng)容限測(cè)試的結(jié)果。

以上即為通過對(duì)接收端設(shè)備進(jìn)行抖動(dòng)容限測(cè)試的應(yīng)用來闡述基于HDMI2.1 FRL功能的鏈路訓(xùn)練和目標(biāo)測(cè)試的過程。目標(biāo)模擬裝置模擬為一個(gè)發(fā)送端模擬裝置的設(shè)置下，配合任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的測(cè)試碼型，可以對(duì)支持FRL特性的HDMI2.1 接收端設(shè)備完成鏈路訓(xùn)練與相關(guān)的碼型接收容限測(cè)試。

3.2.2 HDMI2.1 FRL的發(fā)送端設(shè)備鏈路訓(xùn)練測(cè)試方法

當(dāng)目標(biāo)設(shè)備為發(fā)送端設(shè)備，那么設(shè)定的目標(biāo)模擬裝置則為接收端模擬裝置，目標(biāo)模擬裝置功能應(yīng)包括電壓檢測(cè)功能、熱插拔檢測(cè)信號(hào)輸出功能、顯示器數(shù)據(jù)通道總線從機(jī)功能、EDID信息預(yù)置及編輯功能、SCDC信息預(yù)置及編輯功能。測(cè)試方法連接如圖4所示。

圖4 發(fā)送端設(shè)備鏈路訓(xùn)練測(cè)試方法連接圖

首先，根據(jù)目標(biāo)模擬裝置對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行鏈路訓(xùn)練，得到訓(xùn)練結(jié)果信息，包括接收端模擬裝置啟用電壓檢測(cè)功能，以得到電壓檢測(cè)結(jié)果；根據(jù)電壓檢測(cè)結(jié)果控制接收端模擬裝置啟用熱插拔檢測(cè)信號(hào)輸出功能，以將熱插拔檢測(cè)信號(hào)設(shè)置為高電平；接收端模擬裝置寫入發(fā)送端設(shè)備SCDC數(shù)據(jù)的發(fā)送端測(cè)試配置寄存器；發(fā)送端設(shè)備根據(jù)寫入的配置信息關(guān)閉前饋均衡器、鏈路訓(xùn)練的計(jì)時(shí)器；發(fā)送端設(shè)備讀取接收端模擬裝置的SCDC數(shù)據(jù)的狀態(tài)標(biāo)志位中的準(zhǔn)備狀態(tài)數(shù)據(jù)；若檢測(cè)到固定速率鏈路訓(xùn)練準(zhǔn)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等于1，則發(fā)送端設(shè)備將預(yù)設(shè)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)寫入接收端模擬裝置的SCDC數(shù)據(jù)的接收端配置寄存器中；訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括FRL功能的數(shù)據(jù)速率值、通道數(shù)量；發(fā)送端設(shè)備讀取接收端模擬裝置的SCDC數(shù)據(jù)中的訓(xùn)練測(cè)試碼型請(qǐng)求數(shù)據(jù)；發(fā)送端設(shè)備根據(jù)訓(xùn)練測(cè)試碼型請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送測(cè)試模板數(shù)據(jù)給接收端模擬裝置，若檢測(cè)到測(cè)試模板發(fā)送成功，則生成訓(xùn)練結(jié)果信息。

其次，根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果信息對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)測(cè)試。若訓(xùn)練結(jié)果信息為訓(xùn)練已完成，則接收端模擬裝置控制高速示波器進(jìn)行碼型捕獲與分析，以得到鏈路訓(xùn)練測(cè)試數(shù)據(jù)；高速示波器根據(jù)鏈路訓(xùn)練測(cè)試數(shù)據(jù)得到物理層信號(hào)完整性測(cè)試結(jié)果。

以上即為通過對(duì)發(fā)送端設(shè)備進(jìn)行物理層信號(hào)完整性測(cè)試的應(yīng)用來闡述基于HDMI2.1 FRL功能的鏈路訓(xùn)練和目標(biāo)測(cè)試的過程。目標(biāo)模擬裝置在模擬為一個(gè)接收端模擬裝置的設(shè)置下，配合高速示波器及其差分探棒，可以完成對(duì)發(fā)送端設(shè)備輸出的FRL信號(hào)的物理層信號(hào)完整性測(cè)試。

在實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)設(shè)備還可以是HDMI中繼器設(shè)備。針對(duì)中繼器產(chǎn)品兼具接收端與發(fā)送端功能的特性，需要根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果信息對(duì)目標(biāo)設(shè)備分別進(jìn)行如上述實(shí)施例的針對(duì)接收端設(shè)備和針對(duì)發(fā)射端設(shè)備的測(cè)試，即分別進(jìn)行物理層信號(hào)完整性測(cè)試和抖動(dòng)容限測(cè)試。

通用的測(cè)試設(shè)備如任意波形發(fā)生器、高速示波器，廣泛應(yīng)用于通用的物理層信號(hào)的測(cè)試，然而這些測(cè)試設(shè)備本身是不具備任何與被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行交互的通道。例如，當(dāng)采用高速示波器對(duì)HDMI FRL發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量分析時(shí)，就需要通過外部裝置或設(shè)備誘導(dǎo)HDMI FRL發(fā)送端設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的測(cè)試碼型，本文提出的目標(biāo)模擬裝置就是這種外部誘導(dǎo)裝置的一種實(shí)現(xiàn)形式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于HDMI2.1 FRL鏈路訓(xùn)練的測(cè)試方法的目標(biāo)模擬裝置設(shè)計(jì)，是對(duì)現(xiàn)有測(cè)試方法的改進(jìn)，并能夠產(chǎn)生積極效果，該技術(shù)方案能有效提高設(shè)備的測(cè)試效率。隨著技術(shù)的演變和新應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)，本文提供的技術(shù)方案對(duì)于類似的技術(shù)問題同樣適用。期盼未來整體技術(shù)更加完整，以提升高清晰度多媒體影像產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展[5]。