HDMI兼容性设计

本文作者:admin       点击: 2005-06-10 00:00
前言:
今日对于电子标准的需求,远超过20年前。没有标准,就不可能有移动电话数字通信的成长,以及因DVD播放机而热销的高品质电影。即使制定标准的机构竭尽所能仔细定义标准规格,但产品运作的每项细节,是无法单以文字来描述。当然,即使编订了完美的标准,但仍然会因实际设计产品的人在阅读标准时会产生解读上的差异。这些不确定性可能导致产品与市面上其它产品不兼容,并会由于消费者不接受而导致滞销。

为避免这种情形发生,许多标准会纳入兼容性测试,以增加产品能如预期运作的信心。产品通常必须通过兼容性测试,才可贴上标准商标。例如IEEE-1394与USB接口就必须通过各别的兼容性测试,才能贴上各自的商标。



HDMI与兼容性测试

高分辨率多媒体接口(High Definition Multimedia Interface; HDMI)使用极高频宽基频信号数字化传输高解析视频及音频。HDMI的技术基础源自数字视频接口(DVI)技术,DVI原本是为个人计算机将数字图像与视频传输至显示器而开发的技术。事实上,HDMI在电子特性方面与DVI兼容。若要将较旧的DVI装置与新HDMI设备连接,只需一端有DVI接头而另一端为HDMI接头的缆线即可。

HDMI比DVI优胜的地方在于首先,HDMI可用来承载声音信号以及影像信号。数字化频讯封装于音讯样本封包(Audio Sample Packet)中,在每条视频行空白间隔处传输。HDMI同时支持压缩与非压缩音讯,使它非常适合承载各种常见音频格式,如MPEG-2、Dolby Digital(AC-3)与DTS,以及立体声及多轨脉码调变(pulse-code modulated; PCM)音频。其次,HDMI接头比DVI接头更适合用于消费性电子产品。DVI接头体积相当庞大,可同时承载仿真与数字影像信号。DVI接头如同许多D型接头,配备手指旋式螺丝,将接头固定至个人计算机或显示器上。HDMI接头体积小,采用套入式接头,消费者可轻易将它连接至DVD播放机、机上盒(STB)或电视上使用。

HDMI还有其它的优点,例如能透过HDMI接口将关于目前音频与视频格式的信息传送给显示器。显示器可使用此信息自动调整视频分辨率、长宽比或音频编码格式,以搭配输入的信号。在数字接口应用中使用HDMI的优点甚多。当HDMI工作小组的创始成员定义HDMI标准时,他们了解兼容性测试是增加消费者信心的重要关键,不同的HDMI产品必须能在消费者家中共享。因此,小组同时开发列明实际测试程序的HDMI兼容性测试规格(HDMI Compliance Test Specification; HDMI CTS)与HDMI规格,而后者专门说明产品的行为、通信协议与电子特性上的要求。

设计师制造应明白符合HDMI规格产品的正确做法是根据HDMI设计。由于CTS并未对HDMI规格中的所有产品要求都指定测试方法,因此仅按照HDMI CTS设计还是有可能导致设计上的遗漏。除了规格兼容性外,产品设计师也必须了解在消费者家中可能产生的一些问题。如果能再配合额外的设计标准,例如PanelLink Cinema Partners计划(请参阅www.panellinkcinema.com)中所推广的标准,就可以藉由测试实际产品之间的互通性,减少以上问题的产生,同时,也可以HDMI规格中所未指定或执行的测试,进行高频宽数字内容保护(HDCP)的功能测试。本文将深入讨论HDMI CTS的各种测试类别。



HDMI兼容性测试规格

HDMI兼容性测试规格,为采用HDMI规格的业者,开发能与市面上其它HDMI产品互通的指南。HDMI CTS包含用来测试HDMI兼容性的程序与建议使用的测试设备。HDMI授权测试中心(Authorized Testing Center; ATC)以CTS文件中所指定的做法与设备,执行CTS测试。

制造商能以HDMI CTS作为指南,自行设立HDMI测试实验室,在提交产品至HDMI ATC前进行初步测试。事实上,采用HDMI规格的业者,一旦每种类别都在ATC有一项产品通过测试,即可自行测试产品。此4种HDMI类别为来源装置(source)、终端装置(sink)、复送器(repeater)与缆线(cable)。表1列出4种HDMI类别的说明。无论提交至ATC或是自行测试实验室,每项产品都必须通过HDMI CTS文件中的完整测试程序,并且必须使用HDMI CTS中所列出的设备(或其同等设备)。

HDMI CTS根据装置类别而设立不同测试部分。装置上所有HDMI输入与输出都必须完全测试兼容性。在每项装置类别中,针对测试中装置(DUT)有不同的测试子类别必须执行。来源装置(Source)与终端装置(Sink)测试扩展显示识别资料(Enhanced Extended Display Identification Data; E-EDID)、电子特性、通信协议、视频、音频与DVI互通的兼容性。复送器(Repeater)测试包括来源装置与终端装置的所有测试,以及重复输入与输出端口和实体地址的测试。缆线(Cable)则测试其机械与电子兼容性。



 来源装置测试

所有HDMI终端装置都必须要有VESA的增强扩展显示识别数据(E-EDID)结构,并可从HDMI的增强显示数据信道(E-DDC)读取以上资料。EDID结构必须完全与VESA以及CEA-861B标准兼容。

E-EDID结构的前128个位必须包含EDID 1.3版本结构。第一个E-EDID扩展(通常在第二个128位)必须包含CEA Timing Extension,而且可能还有其它Timing Extension。所有EDID Timing Extensions都必须为第三版,而非第一或第二版本。第一个E-EDID扩展部分必须包括HDMI 制造商专用数据模块(HDMI Vendor-Specific Data Block, VSDB),不过也可以同时包含任何数量的其它VSDB。E-DDC使用区段指标(segment pointer),可存取高达32K字节的数据。

来源装置的EDID测试验证DUT是否能正确读取EDID 1.3结构,且能使用E-DDC区段指标读取CEA Timing Extensions。HDMI CTS指定的电子特性测试,涵盖与Transition-Minimized Differential Signaling (TMDS)电子特性要求相关的实体HDMI接口规格,测试来源装置是否符合TMDS接口要求的所有规格以正常运作。来源装置的电子特性测试列在表2。

来源装置的HDMI通信协议测试,确定DUT数据流在Control Periods、Data Island Periods与Video Periods中,包含有效的编码序列,而且DUT在规定期间传送Extended Control Period。来源装置通信协议测试也验证DUT仅传送允许的封包类型。HDMI CTS指定的视频测试,验证来源装置与终端装置,支持HDMI规格中所有必要的视频格式与时脉。测试HDMI来源装置的DUT至少支持三种基本视频分辨率其中一种:

 640x480p @ 59.94/60Hz

 720x480p @ 59.94/60Hz

 720x576p @ 50Hz

若HDMI来源装置DUT在其它视频输出接口支持HDTV,那就必须在HDMI接口测试是否支持下列格式:

 1280x720p @ 59.94/60Hz

 1920x1080i @ 59.94/60Hz

 720x480p @ 59.94/60Hz

若DUT设计支持50Hz的信号,便改为测试上面所列出的50Hz的对应格式。

在其它任何输出接口支持色差格式时,也应测试来源装置是否支持YCbCr 4:2:2与4:4:4像素编码,以及是否强制支持RGB 4:4:4像素编码。CEA-861B定义的视频格式之所有像素数目、行数与像素时脉频率都必须符合标准的规格,并以兼容性测试验证此点。

某些HDMI格式需要像素重复(pixel repetition)。对于这些视频格式,来源装置DUT必须在Auxiliary Video Information(AVI)封包中,指出像素重复值。验证像素重复值以及实际像素重复。除此之外,来源装置测试确认每两个视频字段至少送出一个AVI封包(最好是每个字段一次)。

请注意HDMI使用视频栏来表示一间VSYNC与下一个VSYNC之间的周期与数据。对逐行扫描(Progressive)格式而言,这与视频帧相同。如前所述,HDMI以视频格中未使用的部份支持音讯,封包结

构亦类似序列数字音讯串流使用的IEC 60958与IEC 61937标准。这些标准常用于新力/飞利浦数字接口格式(S/PDIF)。

对HDMI来源装置DUT所做的最基本测试,是决定是否支持音讯。若以其它输出支持音讯,则DUT必须支持HDMI的音讯。当建立音讯支持,便会测试DUT以验证音讯封包中的字段是否符合HDMI规格。测试确定音讯Layout类型(0或1)以及封包中其它字段是否正确无误。

接下来,验证音讯时脉重生(Audio Clock Regeneration, ACR)参数关系,以确定ACR机制正常运作。测试音讯样本封包时基误差以确定是否在指定的容忍度内。音讯InfoFrame承载关于音讯格式的信息。HDMI CTS要求音讯InfoFrame每两个视频字段至少传送一次,且测试InfoFrame的内容以确定资料是否有效。

最终来源装置测试确定DVI的互通性。DUT不可传送任何HDMI指定数据(Video Guard Band或Data Island)至EDID内不含 HDMI VSDB之终端装置。



 终端装置测试

终端装置EDID测试验证DUT是否包含可透过DDC读取的有效EDID。额外的测试验证EDID 1.3 block与基本EDID Extension处理正确,且CEA Timing Extension格式正确。在终端装置电子测试方面,需测试DUT是否符合TMDS接口正常运作所须的所有规格。终端装置电子测试列在表3。

对于终端装置而言,通信协议测试可确定DUT能在最短Control Periods与数据串流同步,且DUT可接收所有指定的封包类型。

在终端装置EDID中,所有CEA-861B视频格式都必须在Short Video Descriptor(SVD)中指定,或者可选择在Detailed Timing Descriptor (DTD)中指定。兼容性测试只确定在DTD确定没有指定CEA-861B格式。对于所有CEA-861B格式而言,终端装置测试也验证240/480行格式更新率为59.94 Hz,而所有720/1080行格式更新率为60 Hz。

视频测试确定终端装置支持先前所述来源装置要求的格式。下表列出每种视频更新率要求的所有格式以及支持的视频格式。每个终端装置必须至少支持640x480p,以及720x480p @59.94Hz或720x576p @50Hz其中一种。这些功能将被测试,并且在其它任何输入中,当提供HDTV视频格式使用时,测试对HDTV格式的支持。

若其它任何终端装置输入支持YCbCr 4:2:2或YCbCr 4:4:4像素编码,那在HDMI接口上必须要支持这两种像素编码格式。若HDMI接口上支持YCbCr 4:2:2或4:4:4像素编码,则在HDMI终端装置上必须同时支持这两种格式。CTS要求认证DUT是否正确支持此像素编码需求。最终视频测试确定所有必要格式以及终端装置DUT支持的所有CEA-861B格式,以每种格式的时脉规格最大限度测试时,还能显示未失真、无噪声的影像。



使用下列音频/视频格式组态进行终端装置音讯测试:

 强制视频格式与最大可能取样频率音讯样本封包的音频格式;

 最低行频率的所有视频格式与最大可能取样频率音频样本封包的音讯格式;

 该产品最大可能取样频率的音频格式,以及要承载这种音频格式所需的任何视频格式。

首先,测试Audio Clock Regeneration以确定所有音讯/视频配置、终端装置产生的音讯不失真,且无外来噪声(爆炸声、卡喳声)或非预期的无声片段。接下来设定HDMI规格所允许的最大时基误差,以测试音讯样本封包。就像在ACR测试一样,终端装置产生的音频必须不失真。最终音频测试验证终端装置支持EDID列出的所有音频格式。所有终端装置若在其它接口支持音频输入,那就必须至少支持32、44.1与48kHz的基本双轨PCM。

所有HDMI终端装置必须能支持DVI兼容的来源频号。DVI互通测试确定终端装置DUT可接收无HDMI特定数据的DVI信号,并且能正常显示视频。



 复送器测试

由于HDMI复送器可能包含多种来源装置与终端装置的功能,每个来源装置与终端装置都须分别验证以确定其运作正常。然后以额外的测试决定复送器特定功能是否运作正常。

第一个测试确定复送器的一个输出埠,是否能针对所有HDMI输入埠以产生正确的HDMI信号。针对所有HDMI输出埠重复此作法,直到所有输出埠都确定能运作。以含48kHz音频的基本480p或576p RGB讯号,输入至所有HDMI输入埠加以测试。以前文所述的来源装置测试一节中之作法,完整测试所有输出。

若复送器不需任何HDMI输入信号即可产生输出信号,那就把它当成来源装置进行测试,以确定其正常运作。但如欲进行HDMI输入埠测试,需将配有扬声器的HDMI兼容显示器连接到每个HDMI输出端口上。然后将测试信号输入至输入端口,以验证在每个HDMI输出皆能正常产生音讯与视频。使用此配置,以终端装置测试一节中所描述的作法,测试复送器的所有输入埠。

若复送器不需将信号传送给HDMI输出即可产生输入信号,那就将它当成终端装置,以上述之终端装置测试一节中的作法,确定其正常运作。最终复送器测试确定DUT对连接到它的所有来源装置,都能提供正确的实体地址。所有输出都连接至EDID仿真器,如此可确定上游的实体地址正确。



 缆线测试

虽然在测试前必须先做好事前准备,但缆线测试比起HDMI装置的测试就显得比较直接。HDMI缆线设计在开始时,须先选取HDMI兼容的接头。HDMI CTS要求进行接头兼容性测试。这些测试量测接头的机械尺寸是否符合HDMI规格,然后以ANSI/EIA 364测试判断接头是否坚固耐用。ANSI/EIA 364测试包括环境、机械配合性、绝缘完整性、缆线挠性与静电放电测试。接头制造商必须执行HDMI CTS指定的所有测试,然后将结果提交至管理HDMI授权与兼容性测试的HDMI Licensing LLC。缆线制造商必需从HDMI Licensing LLC维护的兼容接头清单中,选择使用的HDMI接头。

缆线需测试其与HDMI CTS机械及电子规格的兼容性。机械测试确定每个接头的成型在HDMI规格指定的允许容忍度内。

电子测试分为必要测试与选用测试。必要电子测试确定缆线按照HDMI规格正确接线,且缆线的表现在最大频宽信号通过缆线传送时,还能产生兼容的眼图。制造商可指定缆线的最大作业频宽。若制造商不指定最大频宽,则以720p或1080i的信号透过缆线传送。 在缆线另一端所量测到的眼图必须与HDMI规格兼容。

选用的参数测试包括差动对内延迟差(intra-pair skew)、差动对间延迟差(inter-pair skew)、远程干扰(far-end crosstalk)、衰减(attenuation)与差动阻抗量测(differential impedance measurements),具以确定缆线是否兼容于HDMI规格中的建议参数。