HDMI接口硬件测试.docx

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HDMI接口硬件测试

HDMI接口硬件测试

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图目录ListofFigures

HDMI接口硬件测试规范

关键词：

数字高清、HDMI、TDSHT3、测试

摘要：

本文介绍了数字高清技术的特点及业界与高清相关的接口，详细分析了HDMI接口标准规范，从中总结和提取出了硬件特性要求和测试要求，同时介绍了HDMI的帧结构，最后介绍了使用TDSHT3软件进行HDMI接口测试的过程。

1综述

随着音视频产品和格式的发展，特别是HDTV产品日益被普通消费者所接受，高清格式节目所带来的大量数据的传输压力、更多的高保真声道导致的布线混乱，以及日益重要的高清音视频节目版权保护，都向技术发展提出了新的需求。

目前，主流数字家电的接口规范只能传输压缩或者未压缩数字视频信号，音频信号需要单独的接口进行连接，这在使用过程中给普通消费者带来不便。

1998年9月，intel在器开发者论坛（inteldeveloperforum）上宣布成立数字显示工作小组。

并于1999年4月提出了DVI（digitalvisualinterface）成为计算机和电视可以共用的显示设备接口。

DVI的出现，正式提供了数字输出－数字输入的快捷方案。

由于数字传输的诸多优势，PC显示卡和显示器都逐渐改成以DVI为主要输出输入接口。

但是DVI接口仅仅保持在视频信号的处暑方面，并没有包括音频信号的传输。

本世纪初，在HollyWood大多数影音工作室、制片商、众多注明电视节目供应商、有线电视工业界以及大多数消费电子制造商的认同下，有SiliconImage倡导，联合Sony、Hitachi、Panasonic、PHILIPS、THOMSON（RCA）、Toshiba等数家注明消费电子制造商成立的工作组共同开发，并签署协议认可推出了高清晰度数字多媒体接口HDMI（High－DefinitionDigitalMultimediaInterface）接口标准，并于2002年12月正式公布了HDMIVersion规范。

该接口退出后不久，DVD论坛于2003年10月批准HDMI为标准信号传输制式之一。

2004年5月HDMI规格发布，2005年8月又推出了标准，2005年12月推出了标准。

2006年6月推出了现在使用HDMI标准。

2HDMI的应用优势

足够的带宽需求：

数字高清的数据量和传输量是非常巨大的，连接信号源与接收端的数据接口和线缆必须能提供大于数字高清视频播放所要求的带宽。

HDTV1080P高清模式所需要的数字带宽在－（1920×1080*24bit×30frame×经验常数），算上8声道（音响系统）的音频传输需求，总的带宽需求也没有超过4Gbps。

而HDMI标准可以在HDMI接口间提供5Gbps，完全能够满足高清格式数据的传输要求。

随着标准的升级，将来能够提供更高的带宽，现在的标准最高可以达到10Gbps。

2.1音视频融合

通过HDMI接口我们可以直接欣赏到数字高清所带来的震撼效果，而不用分开来传输音频和视频，HDMI接口也是现在唯一能提供音视频同时传输的数字高清传输接口。

音视频的融合大大简化了我们连接影音设备的工程。

连接一个声道的音响系统我们需要8条音频线。

而HDMI接口只要一根线就所有工作都搞定，面对这么简单的连线，谁不愿意使用这么方面的东西呢。

2.2良好的兼容性

现在的设备提供DVI接口的远多于HDMI接口的。

为了节省成本和顺利推行HDMI接口，HDMI接口完全是兼容DVI接口（接口信号定义兼容，只是采用了不同的接口封装），通过DVI-HDMI接口转接器，就可以方便的使用HDMI接口了。

2.3出色的抗衰减能力

HDMI在数据传输方面有着出色的抗衰减能力，这使得它在长距离传输上比DVI等方式更具优势。

普通HDMI线与高价HDMI线性能表现类似（只要通过测试合格），HDMI没有指定长度限制，但是一般的线缆厂商提供的HDMI铜线都在15M以内，一方面有良好的可靠性保证，一方面价格比较利于消费者接受。

这个距离也远远超过DVI所能保证的5M的距离。

2.4支持更多原色色深

DVI由于产生于PC平台，其支持的原色的色深受限于TrueColor的24bit，而现在的数字电视要求的是36bit高逼真画面，即要求三原色各自有12bit数字视频信号。

目前，DVI无法满足这种要求，而HDMI则可以支持12bit数字视频信号。

HDMI的出现使我们可以欣赏到色彩层次更加丰富，暗影细节更多的画面。

3HDMI物理接口

HDMI物理接口总共有三种类型：

TypeA/B/C。

TypeA接口携带所有的HDMI信号，包括单一的TMDSLINK。

TypeB连接器比TypeB

稍微大一些，携带了两个TMDSLINK，一般用于相对要求较高的计算机显示方面。

TypeC是miniHDMI接口，包括一个TMDSlink，在尺寸上面比TypeA小，所携带的信号和TypeA是一样的。

接口分为插座（RECEPTACLE）和插头（PLUG）,插座放置在单板上，插头则是HDMI线缆的接头。

下面是三种类型的插座和插头的机械尺寸和外貌。

3.1TypeA

图1左边是插座，右边是插头

图2TypeA信号定义

3.2TypeB

图3左边是插座，右边是插头

图4TypeB信号定义

3.3TypeC

图5左边是插座，右边是插头

图6TypeC信号定义

3.4HDMI电气特性及要求

HDMI的电气特性是与TMDS信号特性相关，同时也与TMDS时钟相关，其中的接口测试是根据传输的不同阶段而分段测试，最后组成一个完整的测试。

3.4.1TMDS概述

TMDS差分结构示意图如图7所示。

TMDS技术利用电流驱动产生低电压差分信号，在接收端通过DC耦合形成传输，传输链路的参考电压AVcc设置差分信号的高电平，低电平由HDMI源的电流和接收端的终端匹配电阻决定，终端电阻RT和传输线的特性阻抗Zo必须匹配，一般选择50欧姆。

图7TMDS差分对结构示意图

差分线的单端信号高电平是AVcc，低电平是Vswing，而差分信号的摆幅就是2*Vswing，高电平是正的Vswing，低电平是负的Vswing，如图8所示：

图8差分信号的单端电平和差分电平

TMDS信号的测试点如图9所示，TP1是用于测试HDMI的源端输出，TP2是用于测试接收端输入，TP1和TP2结合用于测试传输电缆。

图9TMDS链接测试点

3.4.2TMDS系统运行条件及测试特性

终端供电电压AVcc：

±5%；终端匹配电阻RT：

50ohms±10%。

所有的TMDS时钟和数据信号的抖动特性都与一个理想的恢复时钟相关，这个恢复时钟用在测试TMDS信号眼图的时候做触发源，这个触发源用一个PLL来实现，带有-3dB带宽为4MHz的低通滤波器。

另外通常高速串行总线都有加重和预加重，在HDMI接口采用传输线均衡器来实现，从而改善传输性能，在接收端能够有一个比较理想的眼图。

图10均衡器公式及增益

3.4.3HDMI源端TMDS特性

HDMI需要一个DC耦合TMDS连接，源端测试示意图如图10所示，AVcc为。

图11源端测试示意图

源端设备应满足DC特性，如表1：

表1HDMI源端DC特性

Item

Value

单端输出停靠电压，VOFF

AVcc±10mV

单端输出摆放电压，Vswing

400mV≤Vswing≤600mV

单端输出高电平，VH

如果接收端支持TMDS时钟≤165MHz，则为AVcc±10mV；

如果接收端支持TMDS时钟>165MHz，则为（AVcc-200mV）≤VH≤（AVcc+10mV）

单端输出低电平，VL

如果接收端支持TMDS时钟≤165MHz，则为（AVcc-600mV）≤VL≤（AVcc-400mV）；

如果接收端支持TMDS时钟>165MHz，则为（AVcc-700mV）≤VL≤（AVcc-400mV）

源端设备应满足AC特性，如表2：

表2HDMI源端AC特性

Item

Value

上升/下降时间（20％-80％）

75ps≤上升/下降时间≤

最大过冲

全差分幅度（Vswing*2）的25％

差分信号间skew

差分对信号间skew

时钟占空比，min/average/max

40%/50%/60%

TMDS差分时钟信号抖动，max

在源端的TP1处按照图11的测试设计，测出的眼图应该是如图12所示，要求满足时间的幅度的最小眼张开宽度，这与平均的差分偏移和最高和最低电平有关。

图12源端测试信号眼图模板

Vhigh（max）=Vswing（max）+15%*（2*Vswing（max））=600+180=780mV

Vhigh（min）=Vswing（min）-25%*（2*Vswing（min））=400-200=200mV

Vlow（max）=-Vswing（max）-15%*（2*Vswing（max））=-600-180=-780mV

Vlow（min）=-Vswing（min）+25%*（2*Vswing（min））=-400+200=-200mV

最小眼图张开幅度=Vhigh（min）–Vlow（min）=400mV

3.4.4HDMI接收端TMDS特性

HDMI接收端测试采用如图13所示的测试示意图：

图13接收端测试示意图

接收端设备应满足的DC特性如表3所示：

表3接收端设备DC特性

Item

Value

在接收端连接并运行的情况下

输入差分电平，Vidiff

150≤Vidff≤1200mV

输入共模电平，Vicm

Vicm1：

如果接收端仅支持TMDS时钟≤165MHz

则（AVcc-300mV）≤Vicm1≤）

如果接收端仅支持TMDS时钟>165MHz

则（AVcc-400mV）≤Vicm1≤）

Vicm2：

AVcc±10mV

在接收端没有连接或使用的情况下

差分电平

AVcc±10mV

注：

所有的接收端设备必须都要支持Vicm电平范围（包括Vicm1和Vicm2），AC耦合时共模为Vicm2，但是源端并不允许在Vicm2运行，当高速传输时，DC耦合Vicm1小于上表中的要求，则源端设备会终止通信。

接收端设备应满足的AC特性如表4所示：

表4接收端设备AC特性

Item

Value

最小差分敏感电平（peak-to-peak）

150mV

最大差分输入电平（peak-to-peak）

1560mV

最大允许差分对内偏移

TMDS时钟在225MHz以下：

TMDS时钟在225MHz以上：

+111ps

最大允许差分对间偏移

+

TMDS时钟抖动

上升时间

≤200ps

接收端设备测试在TP2的眼图要求如下：

图14接收端测试眼图模板

表5HDMI接收端阻抗特性

Item

Value

TDR（时域反射计）上升时间（10%-90%）

≤200ps

整个连接阻抗

100ohms±15%

终端阻抗（Vicm在Vicm1范围内）

100ohms±10%

终端阻抗（Vicm在Vicm2范围内）

100ohms±35%

3.4.5传输系统TMDS特性

传输系统（Cableassembly）包括五个独立的部分：

源端连接器、源端转换器、传输电缆、接收端转换器、接收端连接器。

HDMI传输线测试的测试点在如图15所示的TP3和TP4之间：

图15传输系统测试示意图

HDMI的传输系统有两类：

一类是支持TMDS时钟频率达；另一类支持TMDS时钟频率达340MHz。

HDMI传输系统测试采用两个不同的眼图来衡量：

一个是不加均衡器的测试（non-equalized），一个是加均衡器的测试（equalized）。

不加均衡器的眼图要求，当被输入符合如图11所示眼图模板的信号时，在TMDS输出波形应该在接收端的眼图符合图13所示的眼图模板；加均衡器眼图要求，当被输入符合图11所示眼图模板的信号时，在TMDS输出波形应该在接收端的眼图符合加均衡器后的眼图模板要求。

根据传输线支持的频率不同，对应于有不同的特性要求。

类一（）：

传输线应该符合如下要求：

a）各项参数符合表9要求；

b）或者，无均衡器眼图符合在情况下的眼图模板；

类二（>）：

传输线应该符合如下要求：

a）各项参数符合表9要求；

b）或者，无均衡器眼图符合在165MHz情况下的眼图模板，并且带均衡器眼图在340MHz符合模板要求，及如果采用铜线传输则必须满足图17所示的衰减要求，如果采用带均衡器的传输线，则必须满足图18所示的衰减要求。

表6传输系统TMDS参数

参数

类一（）

类二（>）

最大传输差分信号间Skew

151ps

111ps

最大传输差分信号内Skew

远端串扰

<-26dB

<-26dB

衰减：

300kHz–825MHz

825MHz–

–

–

参看图15

<8dB

<21dB

<30dB

--

参看图16

<5dB

<5dB…<12dB

<12dB…<20dB

<20dB…<25dB

差分阻抗

连接点到转换部件：

启动到1ns

传输线部分：

1ns–

100欧姆±15%

100欧姆±10%

图16类一传输衰减限制类二传输衰减限制

图17类二铜线传输衰减限制加均衡器传输衰减限制

3.4.6+5V电源

HDMI连接器提供一个管脚用于源端设备提供5V给传输线和接收端设备。

所有的HDMI源端设备都必须能够提供5V信号，无论时用于DDC或TMDS信号，对于5V的要求如表10所示，同时还应提供过流保护，当大于的时候由源端设备提供。

所有的HDMI源端设备都必须能够提供至少55mA给5V电压管脚，接收端设备一般消耗的电流不会超过50mA，当接收端设备启动后最多只需要10mA就可以了。

所以传输系统必须要能支持最少50mA的电流通量。

5V电压信号通过DDC/CEC地信号作为回路。

表7+5V电压管脚电压要求

Item

Min

Max

TP1电压

TP2电压

3.4.7DDC信号

DDC（DisplayDataChannel）I/O、I2C及接地信号应该满足相应的要求，如I2C总线版本“标准模式”设备，对于HDMI设备的DDC电气特性如表11和表12所示：

表8DDC链路最大电容要求

Item

HDMI源设备

传输系统

HDMI接收设备

SDA-DDC/CECGND

50pF

700pF

50Pf

SCL-DDC/CECGND

50pF

700pF

50Pf

表9DDC链路上拉电阻要求

Item

Value

源端上拉电阻，SCL和SDA

ohms–ohms

接收端上拉电阻，SCL

47kohms，±10%

3.4.8热插拔检测信号

热插拔检测信号的参考地就是DDC、CEC的地管脚。

对于热插拔信号的电气特性要求如下：

表10热插拔电气特性要求

Item

Value

高电平（接收端）

–

地电平（接收端）

0V–

接收端输出阻抗

1000ohms±20%

高电平（源端）

–

低电平（源端）

0V–

值得注意的是，许多接收端设备仅仅是简单地把HPD（热插拔）信号通过1kohms的电阻与+5V相连，实际上在源端需要把HPD信号下拉处理，以可靠的区分是未连接还是HPD的高电平信号。

3.4.9CEC信号

CEC（ConsumerElectronicsControl）是一个可选的协议。

CEC信号线不论使用还是不使用，都必须与所有的HDMI设备互连，当一个设备是最终的CEC根设备时，就不应该把CEC再连到任何其他的HDMI输出上，CEC在下电后的漏电流最大不能超过，设备端最大负载电容不能超过200pF，传输系统的最大负载电容不能超过700pF。

4HDMI的信号传输原理

HDMI连接是有一对信号源和接收器组成，不过一个系统种也可以包括多个HDMI输入或者输出设备。

每个HDMI信号输入接口都可以依据标准接收连接器的信息，同样信号输出接口也会携带所有的信号信息。

一对信号源和接收器的HDMI接口的结构为HDMI电缆、接收器和发送器，接收器和发送起包括三个不同的TMDS数据信息通道和一个时钟通道。

这些通道支持视频、音频和一些附加信息。

除此之外，还有DDC通道实现信号源和接收器之间的数据交换，CEC通道通过协议对整个链路上的各种视听设备进行控制，也就是说可以通过遥控器控制HDMI连接的多台设备。

视频音频和附加信息通过三个通道传送到接收器上，而视频的象素时钟则通过TMDS时钟通道传送，接收器接收这个频率参数之后，将还原另外三个通道传递过来的信息。

视频信号传输：

比如当24bit象素的视频信号通过TMDS通道传输，TMDS将每通道8bit的信号编码转换为10bit的DC-balanced（稍作介绍），在每个10bit象素时钟周期传送一个最小话的信号序列到接收器。

视频象素流的速率一般在25M～165M之间，当视频格式的速率低于25M（例如480i/NTSC的传输率为）则视频流种的象素将被重复使用。

视频流中的编码可以转换为RGB、YCbCr4：

4：

4或者4：

2：

2格式以适应不同的输出设备，随着技术的不断更新，原来24bit/pixel可以升级到36bit甚至是48bit/pixel。

图18HDMI信号流框图

HDMI通过数据岛中的数据包方式传输音频和辅助的数据，为了获得声音数据和控制数据的高可靠性，该数据采用了一个BCH错误纠正码，并在编码的时候采用了出错率较地的10bitword进行传输。

声音信号则是基于IEC60958L-PCM的信号流，其声音的采样比率可选择为32KHz、KHz或者48KHz，从而满足任何立体声系统的需要。

相应的，HDMI的声音信号传输可以支持单一采样率最高为192KHz的声音数据流，或者采样率最高为96KHz的2～4个声音数据流（支持3～8个声道）。

HDMI同样可以支持IEC61937压缩的最高采样率为196MHz的声音编码格式（例如环绕声），而且HDMI还能够携带2～8声道的ONEBITAUDIO声音。

图19HDMI支持的音频格式

DDC（I2Cbus）的使用是为了让信息源识别接收器的显示设备ID信息（EXTENDEDDISPLAYIDENTIFICATIONDATA）,从而发现接收器的配置信息和能力。

TMDS的时钟通道持续传送这视频的象素比率，在一个TMDS时钟通道循环中，每一个数据通道都传送10bit信号，这10bit字符编码可以是几种不同编码格式中的一种。

输入的源编码格式包括视频象素、数据包和控制数据，数据包的数据包括音频数据和附加信息数据以及相关的纠错编码。

对于以上三种数据信息的处理，可以采用多种不同的方式，只要在每一个TMDS通道中包含2bits的控制数据、8bits的视频数据和4bits的数据包即可。

源编码采用一种数据类型或者在给定的时钟循环中给出编码的GuardBand即可。

HDMI的信息传送分为三个阶段：

视频数据、数据岛周期和控制周期。

在视频数据周期内，象素和视频信息被传送；在数据岛周期，音频和附加的信息通过一些列连续的数据包被传送；在控制周期内没有任何视频数据、音频数据或者附加数据被传送，控制周期在任意两个周期之间是必须存在的。

表11传输期间传输类型和编码类别

周期

数据传送

编码类型

视频数据

视频象素

视频数据编码

（8bitsto10bits）

（GuardBand）

归一化成10bits

数据孤岛

包数据

-音频采样

-信息帧

HSYNC、VSYNC

TERC4编码

（4bitsto10bits）

（GuardBand）

归一化成10bits

控制

控制

-前导码

-HSYNC、VSYNC

控制周期编码

（2bitsto10bits）

在视频数据周期中每个通道至少传送8bits的源编码，三个TMDS通道总量为24bits的象素信息。

数据岛周期是传送相似的编码，TMDS错误修正（TERC4），每个通道传送4bits，三个TMDS通道总共传送12bits的信息。

控制周期中，每个通道传送2bits信息，三个TMDS通道总共传送6bits的编码信息。

这6bits信息包括HSYNC/VSYNC/CTL0/CTL1/CTL2/CTL3。

在每个控制周期最后的阶段，通过CTLxbit指出下一个周期是视频数据周期还是数据岛周期。

下图表示了一帧图像数据中各个周期的位置

图20720×480的数据传送周期

4.1视频数据周期

视频数据周期传送的是视频的有效象素，每个视频数据周期之前都有前导码，视频数据周期以2位的视频Leadingpreamble开始。

视频数据周期开始时有GuardBand标志后面传输的有效视频数据，视频有效数据传输结束时没有TrailingGuardBand作结束标记。

GuardBand编码成10bits进行传送，分别是：

4.1.1视频支持格式

一个HDMI设备所支持的视频格式有可能是RGB4:

4:

4；YCBCR4:

4:

4；YCBCR4:

2:

2中的任意一种，但是所有的HDMI源端设备和接收端设备都至少应该支持RGB4:

4:

4格式；而对于源端设备和接收端设备支持YCBCR4:

4:

4或YCBCR4:

2:

2格式，则根据需要而定，但是如果HDMI接收端设备支持YCBCR4:

4:

4或YCBCR4:

2:

2格式的任意一种，那么以上两种都应该支持。

对于格式的支持能力的交换源端和接收端通过E-EDID来进行。

HDMI源端和接收端设备都有可能支持24、30、36、48bits/pixel的色彩深度格式，但是对于24bits深度的格式，源端和接收端设备都必须要支持。

大于24bits的我们称之为“Deepcolor”模式，虽然所有的深度色彩都是可选的，但是一旦HDMI源端和接收端支持任何一种“Deepcolor”模式，则必须支持36bits格式的。

对于“Deepcolor”模式而言YCBCR4:

2:

2是不允许的。

HDMI支持的象素和帧频分两类，一类是必须支持的，另一类是可选支持的：

表12HDMI支持的分辨率和帧频

首（必）选格式

分辨率

帧频

640×480p

60Hz

1280×720p

60Hz

1920×1080i

60Hz

720×480p

60Hz

720（1440）×480i

60Hz

1280×720p

50Hz

1920×1080i

50Hz

720×576p

50Hz

720（1440）×576i

50Hz

次（可）选格式

720（1440）×240p

60Hz

2880×480i

60Hz

2880×240p

60Hz

1440×480p

60Hz

1920×1080p

60Hz

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