一種支持高清晰度多媒體接口固定速率鏈路訓練的裝置設計

林巧珊

（作者單位：深圳國實檢測技術有限公司）

1 研究概述

高清晰度多媒體接口（High Definition Multimedia Interface, HDMI）作為消費性電子產品中領先的影音傳輸接口標準，整合了數字化影像和聲音傳輸，用一根線材即可同時傳輸音頻、視頻信號，在各類接口應用中占據領先地位。隨著電子產品影音消費市場對于高畫質影音應用需求的日益增加，4K/8K超高清電視機越發普及。尤其隨著8K超高清電視機擁有的7 680×4 320分辨率、高動態范圍成像（High Dynamic Range Imaging, HDR）、BT.2020標準的色域范圍、12 bit的量化深度、120 fps的頻率以及22.2聲道的環繞立體聲技術的融入，8K超高清電視在視聽呈現能力上較普通高清電視有了巨大飛躍，畫面的清晰度、真實感和表現力均有了極大提升，8K超高清已成為現行電視行業技術的最高標準。為了承載海量超高清的音視頻數據，國際協會標準化組織新發布的HDMI2.1標準[1]，加入了全新的固定速率鏈路（Fixed Rate Link,FRL）傳輸模式功能，擴展了其信道帶寬，可實現更高的分辨率、更寬的色域、更高的幀率、更強的對比度，滿足消費者對極致視聽效果的追求。

在HDMI2.1標準[1]發布前，影音傳輸領域多使用傳統的最小化傳輸差分信號（Transition Minimized Differential Signaling, TMDS）架構來進行信號的傳輸，最高帶寬可達18 Gbps，可用來傳送每幀像素為3 840×2 160分辨率的4K高畫質圖像。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分辨率的高畫質圖像，更適合超高清多媒體技術的快速發展需求。

2 FRL鏈路訓練介紹

2.1 HDMI FRL信道傳輸模式

在傳統的TMDS架構下，HDMI傳輸方式是利用一個獨立的通道來傳送時鐘信號；但在FRL的架構中，則是將時鐘信號嵌入數據信號中，再通過時鐘恢復的處理方式恢復出時鐘信號，因此就多一條信道來傳送數據，帶寬便獲得大大提升。

此外，在FRL架構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量體驗。

HDMI2.1 FRL除了在高速信號傳輸架構上作了改變，在低速信號顯示器數據通道上傳輸的擴展顯示器識別數據（Extended Display Identification Data, EDID）以及狀態和控制數據通道（Status and Control Data Channel, SCDC）也重新定義了原本的保留字段，用于標識FRL模式的功能屬性，而這些低速信號的交換在FRL的鏈路訓練過程中承擔著極其重要的作用。

2.2 FRL鏈路訓練過程

在FRL架構下，需要通過鏈路訓練的方式來決定接收端與發送端設備之間的傳輸數據速率。以下是FRL鏈路訓練過程的簡化描述。

首先，發送端讀取解析接收端的EDID，確認接收端是否支持FRL模式，如不支持FRL傳輸模式則回到傳統的TMDS傳輸模式。

其次，支持FRL傳輸特性的接收端，通過寫入SCDC狀態標志中的固定速率鏈路訓練準備，來通知發送端可以進行鏈路訓練。當發送端查詢到固定速率鏈路訓練準備值被設定后，即可設定要輸出的FRL數據速率和支持的通道數，以及前向反饋均衡的參數值。

再次，支持FRL傳輸特性的接收端會要求發送端輸出相對應的鏈路訓練模板，雙方確認無誤之后才可進入正式的FRL信號傳輸。HDMI設備在支持FRL模式下，接收端與發送端在首次建立鏈接時需要進行鏈路訓練；HDMI設備更新FRL速率也是需要進行鏈路訓練。

最后，如果FRL鏈路訓練失敗，則會開啟TMDS傳輸模式。

2.3 FRL鏈路訓練測試過程中存在的問題

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

FRL的電氣特性測試和TMDS的程序不同，過往執行TMDS的電氣特性測試時，發送端設備只要可以正確讀到EDID，就可以輸出TMDS信號，因此在測試過程中可以用顯示器來取代EDID仿真器。但是發送端在FRL測試除了要讀到EDID，還需通過鏈路訓練程序，因此無法透過顯示器來仿真這道程序，電氣測試也會較復雜。

另外，HDMI2.1 FRL功能產品在進行設備測試時，需要在鏈路訓練過程中或者完成后才能完成相關的測試，這種測試機制是HDMI2.1規范[2]定義的。例如，支持HDMI2.1 FRL功能的發送端產品，需要在鏈路訓練階段進行相關的信號完整性測試；支持HDMI2.1 FRL功能的接收端產品，需要在鏈路完成后才能進行相關的信號抖動容限測試。然而，通用的測試儀器，如任意波形發生器、高速示波器只具備信號采集及分析、碼型產生的功能，而不具備HDMI2.1 FRL的鏈路訓練功能，無法誘導被測產品發出相關的測試碼型或使被測產品進入誤碼測試狀態。因此，在當前的技術下，鏈路訓練過程需要依賴第三方設備協助才能完成，這也降低了設備的測試效率。

3 支持HDMI2.1 FRL鏈路訓練的測試方法的目標模擬裝置設計

為了解決FRL鏈路訓練存在的問題，本文著重設計一種支持FRL鏈路訓練的測試方法的目標模擬裝置[3]。該鏈路訓練的設備測試方法應用于HDMI2.1 FRL的場景下，用于在物理層測試中實現HDMI FRL的狀態控制及實現鏈路訓練，并配合任意波形發生器或者高速示波器，完成HDMI2.1 FRL的接收端設備、發送端設備或中繼器設備的目標測試。

3.1 目標模擬裝置介紹

本文提出的一種目標模擬裝置設計框架如圖1所示，主要包括：

圖1 目標模擬裝置設計框架

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單元，存儲單元中保存有上位機控制程序和應用程序編程接口函數。

第二，HDMI低速接口設備：HDMI低速接口設備與微控制器連接，它用于與外界的HDMI夾具設備進行連接，從而利用應用程序編程接口函數來建立與目標設備的連接，進而實現對目標設備的測試。

第三，通用串行總線（Universal Serial Bus,USB）接口設備：USB接口設備與微控制器連接，它用于與上位機設備、任意波形發生器或高速示波器連接，上報數據信道數據、電壓數據、熱插拔檢測狀態數據，或接收上位機等發送的控制命令給微控制器。

第四，工作狀態指示設備：工作狀態指示設備與微控制器連接，它用于向用戶指示目前該目標模擬裝置的工作狀態信息，包括主機狀態、從機狀態。若目標設備為接收端設備，則目標模擬裝置為發送端模擬設備，此時目標模擬裝置的工作狀態信息為主機狀態；若目標設備為發送端設備，則目標模擬裝置為接收端設備，此時目標模擬裝置的工作狀態信息為從機狀態。

最終開發出來的HDMI目標模擬裝置樣圖如圖2所示，樣機采用了CY7C68013A-128AXC芯片，該芯片是一款由英飛凌科技生產的USB接口芯片，它被廣泛應用于各種USB接口設備中，具有高性能和低功耗的特點，它采用了8位8051內核，主頻為48 MHz。該芯片還配備了16 kB的內存，以滿足各種應用需求。此外，為了滿足后續接口、功能的擴展，樣機內置了一顆賽靈思的可編程邏輯器件芯片。

圖2 目標模擬裝置

3.2 基于HDMI2.1 FRL鏈路訓練的測試方法介紹

下面分別以不同目標設備類型，詳細介紹具備HDMI2.1 FRL功能的設備鏈路訓練測試方法：

3.2.1 HDMI2.1 FRL的接收端設備鏈路訓練測試方法

當目標設備為接收端設備，那么設定的目標模擬裝置則為發送端模擬裝置，目標模擬裝置功能應包括電壓輸出功能、熱插拔檢測狀態檢測功能、顯示器數據通道總線主機功能、EDID信息解析功能、SCDC信息解析功能[4]。測試方法連接如圖3所示。

圖3 接收端設備鏈路訓練測試方法連接圖

首先，根據目標模擬裝置對目標設備進行鏈路訓練，得到訓練結果信息，包括發送端模擬裝置啟用EDID信息解析功能，以讀取接收端設備的EDID數據；EDID數據用于判斷接收端設備是否支持FRL功能，若接收端設備支持FRL功能，則發送端模擬裝置啟用SCDC信息解析功能，以讀取接收端設備的SCDC數據的狀態標志位中的準備狀態數據；準備狀態數據用于表征接收端設備是否準備好進入訓練狀態。若檢測到固定速率鏈路訓練準備狀態數據等于1，則發送端模擬裝置將預設的訓練數據寫入接收端設備的SCDC數據的接收端配置寄存器中；訓練數據包括FRL功能的數據速率值、通道數量、前向反饋均衡的參數值，發送端模擬裝置讀取接收端設備的SCDC數據中的訓練測試碼型請求數據，發送端模擬裝置根據訓練測試碼型請求數據控制高速任意波形發生器生成訓練測試碼型數據。若檢測到訓練超時或訓練測試碼型請求數據不符時，則停止鏈路訓練并生成訓練結果信息。

其次，根據訓練結果信息對目標設備進行目標測試。若訓練結果信息為訓練已完成，則發送端模擬裝置控制高速任意波形發生器生成目標測試碼型數據，接收端設備的SCDC數據的狀態標志位中的通道鎖定數據為1，則上位機通過發送端模擬裝置讀取接收端設備的SCDC數據的字符錯誤檢測寄存器，以得到誤碼率數據；根據誤碼率數據和預設的誤碼率閾值得到抖動容限測試的結果。

以上即為通過對接收端設備進行抖動容限測試的應用來闡述基于HDMI2.1 FRL功能的鏈路訓練和目標測試的過程。目標模擬裝置模擬為一個發送端模擬裝置的設置下，配合任意波形發生器產生的測試碼型，可以對支持FRL特性的HDMI2.1 接收端設備完成鏈路訓練與相關的碼型接收容限測試。

3.2.2 HDMI2.1 FRL的發送端設備鏈路訓練測試方法

當目標設備為發送端設備，那么設定的目標模擬裝置則為接收端模擬裝置，目標模擬裝置功能應包括電壓檢測功能、熱插拔檢測信號輸出功能、顯示器數據通道總線從機功能、EDID信息預置及編輯功能、SCDC信息預置及編輯功能。測試方法連接如圖4所示。

圖4 發送端設備鏈路訓練測試方法連接圖

首先，根據目標模擬裝置對目標設備進行鏈路訓練，得到訓練結果信息，包括接收端模擬裝置啟用電壓檢測功能，以得到電壓檢測結果；根據電壓檢測結果控制接收端模擬裝置啟用熱插拔檢測信號輸出功能，以將熱插拔檢測信號設置為高電平；接收端模擬裝置寫入發送端設備SCDC數據的發送端測試配置寄存器；發送端設備根據寫入的配置信息關閉前饋均衡器、鏈路訓練的計時器；發送端設備讀取接收端模擬裝置的SCDC數據的狀態標志位中的準備狀態數據；若檢測到固定速率鏈路訓練準備狀態數據等于1，則發送端設備將預設的訓練數據寫入接收端模擬裝置的SCDC數據的接收端配置寄存器中；訓練數據包括FRL功能的數據速率值、通道數量；發送端設備讀取接收端模擬裝置的SCDC數據中的訓練測試碼型請求數據；發送端設備根據訓練測試碼型請求數據發送測試模板數據給接收端模擬裝置，若檢測到測試模板發送成功，則生成訓練結果信息。

其次，根據訓練結果信息對目標設備進行目標測試。若訓練結果信息為訓練已完成，則接收端模擬裝置控制高速示波器進行碼型捕獲與分析，以得到鏈路訓練測試數據；高速示波器根據鏈路訓練測試數據得到物理層信號完整性測試結果。

以上即為通過對發送端設備進行物理層信號完整性測試的應用來闡述基于HDMI2.1 FRL功能的鏈路訓練和目標測試的過程。目標模擬裝置在模擬為一個接收端模擬裝置的設置下，配合高速示波器及其差分探棒，可以完成對發送端設備輸出的FRL信號的物理層信號完整性測試。

在實際應用中，目標設備還可以是HDMI中繼器設備。針對中繼器產品兼具接收端與發送端功能的特性，需要根據訓練結果信息對目標設備分別進行如上述實施例的針對接收端設備和針對發射端設備的測試，即分別進行物理層信號完整性測試和抖動容限測試。

通用的測試設備如任意波形發生器、高速示波器，廣泛應用于通用的物理層信號的測試，然而這些測試設備本身是不具備任何與被測產品進行交互的通道。例如，當采用高速示波器對HDMI FRL發送端發送的信號進行信號質量分析時，就需要通過外部裝置或設備誘導HDMI FRL發送端設備發出相應的測試碼型，本文提出的目標模擬裝置就是這種外部誘導裝置的一種實現形式。

4 結語

本文提出的基于HDMI2.1 FRL鏈路訓練的測試方法的目標模擬裝置設計，是對現有測試方法的改進，并能夠產生積極效果，該技術方案能有效提高設備的測試效率。隨著技術的演變和新應用場景的出現，本文提供的技術方案對于類似的技術問題同樣適用。期盼未來整體技術更加完整，以提升高清晰度多媒體影像產業的蓬勃發展[5]。