HDMI兼容性测试规范分析

kinpoagilent

HDMI已经迅速成为全世界消费电子产品的标准数字接口。从DTV到DVD，各种具有 HDMI接口的产品在世界各地随处可见，为最终消费者带来更加干净、清晰的数字体验。最新版的HDMI标准(v1.3)可使DTV显示甚至比 HDTV标准还要清晰的影像。但为了给消费者带来这种美妙的体验，音频/视频(A/V)设备制造商需要对设备进行适当程度的测试。         消费电子产品的重要特性是操作简单和立即工作。这类产品的消费者不习惯也不喜欢动不动就需要重新启动系统的PC形式的体验(设想在玩足球游戏的时候重启动DTV会是怎样的情形)。在开发HDMI标准的过程中，确保各种系统间的互操作性是HDMI工作组开发人员的一个关键目标。因此，HDMI标准开发了一套兼容测试规范(CTS)以及详细的测试方法。授权测试中心(ATC)也被建立起来，按照CTS规范对产品进行测试。测试价格是多种多样的，根据被提交设备的不同类型和待测端口数的不同，价格从2,500美元到10,000美元不等。
为什么需要测试？
        那么设备制造商为什么一定要进行测试呢？毕竟，测试需要成本并且还需花费额外的时间。而如果产品未通过测试又会怎样呢？
        音频/视频设备制造商的产品应进行测试有多方面的原因。首先，在HDMI 许可协议中规定生产厂商的不同类别产品(源设备、接收器、转发器、线缆)的第一个系统应在某个授权的ATC 进行测试。但或许更重要的一点是要确保产品在客户购买后能与其它HDMI产品配合工作。HDMI推出早期发生在某个一级OEM身上的经历是任何生产厂商都不想碰到的。他们使用了一家芯片厂商的未经认证的器件，并且也未经后续保证系统通过适当的HDMI测试。当生产的DVD到达零售商的货架后很快就被许多客户买回了家。但在数周内就出现了不能与具有HDMI接口的DTV互操作的问题报告，在第一个月的月末，这些DVD就从商店被召回了。暂且不说对品牌造成的损失，其实只要进行了合适的测试，召回的成本是可以轻松避免的。
测试准备
        由于进行HDMI测试可能消耗至关重要的开发时间和成本，一些公司在正式去ATC进行测试之前都在努力做工作，确保系统有更大通过测试的可能。很多公司，像Silicon Image已经在遍布世界的办公室中建立了HDMI预测试中心。这些中心做的是实际CTS工作的子集，通常是对那些更难通过的方面进行测试。虽然这为制造商提供了很大的方便，但这些预测试中心都不是HDMI官方认可的。预测试的质量也因为公司不同而发生变化。无论如何都不能认为，成功通过HDMI预测试中心的测试就是通过正式的HDMI CTS的测试。
        正式向ATC提交产品进行测试的过程非常简单。第一步是与希望在那里提交产品的ATC取得联系。建议提前数月与他们进行联系，安排测试日程。ATC可能需要3-4个月的申请安排时间。然后ATC将会索要用来描述被测试设备能力的CDF(性能申报表)(包括在CTS文档中)。最后，提交设备、使用说明和其它的测试所需辅助设备。完成测试工作预计需要一周左右的时间。
HDMI测试
        在CTS文档中对在 ATC进行的测试有清楚的说明。通常，测试是针对设备间的电气层兼容性进行的。然而尽管能够通过ATC测试，还是有可能出现不能互操作的HDMI系统。HDMI许可特别指出，确保与HDMI规范兼容是供应商的责任。需要了解的一项关键事项是，HDMI不仅仅是基于HDMI规范的。它还包括CEA-861x、VESA 和 HDCP规范等多方面的内容。要建立一个完全互操作的系统必须符合所有这些规范的要求。
        HDMI CTS要求对4种基本类型设备进行测试：源设备(DVD、STB)、接收器(DTV)、转发器(AV接收器)和线缆。设备类型不同，测试也是不同的。
        源设备测试包括电气层测试(表1)和VESA增强型显示标识数据(E-EDID)的正确读取测试两个方面。EDID 储存在显示设备中，包含关于显示设备的音频和视频性能的信息。源设备负责读取这些数据，并根据这些数据发送合适的音频或视频格式。例如，一台支持480p(这是所有HDMI设备的要求)和720p的DTV不应该从源设备接收1080i。



表1：HDMI 源设备电气(TMDS)测试说明
        电气层测试包括TMDS、HPD、DDC 和 CEC测试。涉及更多的是与TMDS相关的测试。TMDS(最小化传输差分信号)是运送A/V数据的主数据线。这些线路是极高速度的数据线，需要严格符合 HDMI规范的要求。对于一个720p/1080i的视频信号，数据以大约750Mbps的速度在线缆中传送，几乎是 USB 2.0的2倍。一般而言，只选择一个已经在ATC中通过测试的具有代表性的系统中的HDMI发送器IC。大多数的TMDS电气测试都是非常依赖于该IC的，虽然设计一块可能使一个好的IC失效(利用线上通孔、走线长度不匹配等手段)的系统板也是可能的。
        测试TMDS所用到的设备有多种，从大多数公司实验室中的常规系统到像Tektronix、Agilent、Astro 和 Quantum Data等制造商所生产的专门测试设备。举个例子，为了进行源设备眼图测试，需要有一台4GHz数字示波器、直流电源、差分SMA探头、EDID模拟器、测试夹具和运行测试的特别软件。这个测试的目标是要保证源设备向接收器发送了正确的眼开图。数据按照恢复的时钟计时并在尺寸为+1.0 TBIT(图1)的窗口中呈现。



图1. Tektronix眼开图测试软件
        需要采集的数据量是非常大的，对低分辨率信号至少需要400,000个单位时间(或TBIT)，需要16M的示波器记录长度。如果眼开图与模板匹配，则源设备通过测试。
表2中所列是接收器的测试。



表2：HDMI接收设备电气(TMDS)测试说明
        同样，TMDS 测试依然是难度较大的。其中的一项关键测试是抖动容限测试。如果某个接收设备对TMDS线路上的抖动敏感，HDMI接收器IC就可能捕获的是不正确的数据，从而出现不正确的操作。图2所示为抖动测试设置。



图2. HDMI接收器抖动测试装置
        这个测试通过向时钟信号路径中输入已知数量的抖动进行。对每一个像素时钟或接收设备所支持的分辨率，都要进行数据抖动幅度、频率、最差数据抖动和最差时钟抖动的测量。
        虽然TMDS测试是ATC 测试的最大一部分内容，但其它部分的测试是不应被忽略的。不注意DDC 或CEC线可能会导致问题。随着制造商们决定开始启用设备中的CEC功能， CEC线正变得更加重要。要想轻松讲述CEC电气规范可不是那么简单的事。
HDCP测试
        既然本文重点讨论的是HDMI测试问题，那么另一套测试也是应当给予考虑的。那就是HDCP测试。几乎所有具有HDMI特性的系统也都是具有HDCP特性的。在实际情况中，当出现有关互操作的测试问题时，往往不是与HDMI有关，而是与HDCP有关。
        HDCP规范(www.digital-cp.com)提供了一种在HDMI连接上加密和解密AV数据的手段，以满足内容提供商保护他们的纯数字内容的需求。在家庭影院环境中，从HDCP的角度看，HDCP处理是由源设备控制的，而接收器处于从属地位。源设备管理验证接收设备，确保它不仅具有HDCP特性而且是经过许可的HDCP接收设备(不是被破解的)。通常，导致互操作问题的大多数错误都是在验证接收设备的过程中产生的。
        数字内容保护有限公司是派发HDCP许可的实体，它是英特尔公司的全资子公司。目前，HDCP还不像HDMI那样有兼容标准。但人们正在讨论创建这样的规范，以减少市场中存在的互操作问题。与此同时，一些公司自己也在开发HDCP测试规范。SimplayHD测试就是Silicon Image公司开发的一个测试规范。
        SimplayHD项目提供了一种按照HDCP v1.1规范测试HDMI源设备和接收设备的方式。它对源设备、接收设备和转发设备的测试分别进行了说明。HDCP存在3个主要部分，验证、转发设备支持和撤销。验证测试包括共享密钥(KSV)完整性检查、密钥交换正确排序和时序、热插拔事件处理(HPD)。这些类型的事件受源设备内部固件的控制，而大部分的错误正是出在这里。
        例如，一个不能等待接收设备在接收最后一个字节的AKSV后准备BKSV所需要的100ms暂停时间的系统可导致HDCP互操作问题。这是由SimplayHD来检查的。转发设备支持由在发现下游设备是转发设备(如AV接收器)时能正确决定和管理加密的源设备组成。不能正确响应HDCP转发设备的源设备是另一个主要的不兼容问题来源。HDCP加密/解密过程在转发系统和非转发系统之间存在轻微的不同。
        因此，如果一个AV接收器期望被源设备当成转发设备来处理，而源设备又不支持转发设备时，显然它们之间不能协同工作。HDCP转发设备支持是根据SimplayHD进行测试的。最后，撤销是接收关于哪些是有效的哪些是无效的接收设备更新信息的一种方式(通过检查接收设备的BKSV)。虽然目前在SimplayHD中还不包括对这一点的测试，但将来是可能添加进来的。
        总之，不论是图像质量、易用性，还是增强的音频性能，HDMI都增强了AV设备所带来的用户体验。但为了确保最终用户能使用HDMI，正确进行HDMI和HDCP兼容测试都是必不可少的。很显然，相比没有经过测试的产品，那些确实执行了这些测试的产品一定会在客户那里具有更大的优势。
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