HDMI-Systeme Physikalische Schicht von der Quelle bis zur Senke testen

Die HDMI-Technik (High-Definition Multimedia Interface) ist auch als „Katalysator der Digitalfernseh-Revolution“ bekannt und steht an der Schwelle zum Massenmarkt. Entwurf und Prüfen der physikalischen Schicht bei HDMI-Systemen sind wichtige Aufgaben der Testingenieure. Wir stellen Ihnen die Tests an der Datenquelle, -senke und der Kabel vor.

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Content-Anbieter, Systembetreiber und Hersteller von Unterhaltungselektronik setzen alles daran, um den HDMI-Standard zu etablieren. Das Hauptaugenmerk liegt dabei immer mehr auf Konformitätsprüfungen, mit denen sich die HDMI-Standards testen lassen. Für die Entwurfs- und Prüfingenieure müssen dabei effiziente Werkzeuge verfügbar sein, mit denen sie die großen Bandbreiten an Tests schnell und zuverlässig umsetzen können.

HDMI beruht auf Differenzsignale

HDMI baut auf der erprobten TMDS-Technologie (Transition Minimized Differential Signaling) auf. Die Differenzsignale weisen eine Spannung von 500 mV (2,8 bis 3,3 V) auf und werden mit 50 Ω an der Datenleitung mit 3,3 V abgeschlossen. Der Spannungshub kann zwischen 150 und 800 mV variieren. Die Signale weisen Anstiegszeiten in der Größenordnung um 100 ps auf.

Die Datenübertragungsraten bei einer Einfachverbindung gehen von 25 bis 340 MPixel/s (Megapixel/s). Da jedes Pixel mit 10 Bit dargestellt wird, können die Zeiten der einzelnen Bits TBIT bis zu 294 ps auf 3,4 GBit/s heruntergehen. Im Bild 1 ist ein typisches HDMI-Signal dargestellt. Die meisten Grenzwerte werden auf die Bitzeiten für das Datensignal TBIT festgelegt.

Konformitätsprüfung der physikalischen Schicht

Eine TMDS-Verbindung besteht aus drei Datenkanälen und einem Taktkanal. Bild 2 zeigt die logischen Verknüpfungen bei der TMDS-Signalübertragung. Um eine zuverlässige Datenübertragung und die Interoperabilität von Systemen zu gewährleisten, stellen die Branchenstandards spezifische Anforderungen an die physikalische Schicht. Die HDMI-Spezifikationen [1] und die Spezifikationen für HDMI-Konformitätsprüfungen (Compliance Test Specifications, CTS) [2] definieren eine Reihe von Tests für die physikalische Schicht der HDMI-Übertragung.

Bild 3 illustriert die wesentlichen Elemente eines HDMI-Übertragungssystems: Datenquelle, Kabel und Datensenke. Die Quellsignale werden bei TP1 charakterisiert, während die Geräte bei TP2 als Datensenke getestet werden. Sie sollen die Anforderungen des Standards erfüllen. Beim Kabeltest müssen sowohl TP1 und TP2 getestet werden. Das Ergebnis von TP1 gewährleistet, dass bei TP2 bekannte Umgebungsbedingungen vorliegen.

Elektrische Tests der Datenquelle

Diese Tests werden für die Takt- und/oder die Datensignale bei TP1 ausgeführt. Unter dem Aspekt der Testkonfiguration können diese Tests weiterhin aufgegliedert werden in Takt-/Datenkanal, Daten- zu Datenkanal und asymmetrische Signalmessungen

Die Tests des Takt-/Datenkanals umfassen:

• Data Eye Diagram Test: „Augenöffnung“ des differenziellen Datensignals soll für eine Rückgewinnung an der Datensenke ausreichen.
• Clock Jitter: Jittermessung des Taktsignals, damit kein übermäßiger Jitter vorliegt.
• Clock Duty Cycle: misst das Takt-Tastverhältnis zum Beurteilen des deterministischen Jitters.
• Overshoot and Undershoot: überprüft das Über-/Unterschwingen und das die Signale innerhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte liegen.
• Rise and Fall Time: misst die Anstiegs- und Abfallzeit und prüft, dass die Signale die erforderliche Signalgeschwindigkeit aufweisen und elektromagnetische Interferenzen minimiert werden.
• Clock-Data Inter-Pair-Skew: misst Laufzeitunterschiede zwischen Takt- und Datenkanälen und stellt die Interoperabilität sicher.

Tests von Daten-zu-Datenkanal (Inter Pair Skew)

Werden die Laufzeitunterschiede gemessen, müssen einige wichtige Aspekte berücksichtigt werden. Zunächst kann der Versatz nur dann effektiv gemessen werden, wenn beide Datenpaare ein bestimmtes Muster übertragen. Weiterhin ist zu bedenken, dass die Messwege von den Tastköpfen und Erfassungssystemen des Oszilloskops einen eigenen Beitrag zum Laufzeitfehler leisten.

Als drittes gilt, dass das Oszilloskop auf spezifische serielle Muster triggert. Das ist als Bitmuster- oder serielle Triggerung bekannt. Schließlich sind die Grenzwerte auf die Pixelzeit festgelegt. Daher ist es wichtig, auch die Taktrate exakt zu erfassen. Es ist ebenso wichtig, die Laufzeitunterschiede im Messweg des Erfassungssystems zu eliminieren. Dieser Prozess wird als „Deskewing“ oder „Laufzeitkorrektur“ bezeichnet. Um die Genauigkeit der Messergebnisse zu gewährleisten, sollte das Deskewing vor dem eigentlichen Test ausgeführt werden.

Asymmetrisches Messen des Signals

Diese Tests erfolgen an den einzelnen Paaren mit asymmetrischen Tastköpfen:

• Intra Pair Skew: Laufzeitunterschied zwischen der positiven und negativen Signalleitung eines Datenpfades. Die Standards schreiben eine maximale Abweichung von 15 % der Bitzeit TBIT vor.
• Low Level Output Voltage (VL): Misst den Spannungswert des Low-Pegels (VL), damit die Spannungspegel der Signale innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen liegen.

Elektrische Tests der Datensenke

Diese Tests werden am HDMI-Anschluss an der Datensenke des Geräts vorgenommen:

• Jitter Tolerance Tests: testet die Toleranz des Empfängers (Datensenke) für Jitter mit verschiedenen Frequenzen und Pegeln.
• Min/Max Differential Swing Tolerance: Toleranz des Empfängers gegenüber Minimal-/Maximalwerten der differenziellen Eingangsspannung. Gewährleistet die Interoperabilität der Datensenke.
• Intra Pair Skew: Toleranz des Empfängers (Datensenke) gegenüber spezifizierten, maximalen Laufzeitunterschieden zwischen der positiven und negativen Datenleitung eines Datenpfades.
• Differential Impedance: charakterisiert die Impedanz der differenziellen Übertragungskanäle, die für die schnelle Datenübertragung erforderlich ist.

HDMI-Kabel elektrisch testen

Diese Tests werden am HDMI-Kabel sowohl bei TP1 als auch bei TP2 durchgeführt. Sie umfassen:

• Data Eye Diagram Tests: misst die Augenöffnung des Datensignals, damit die Signale vom Kabel ordnungsgemäß von der Datenquelle zur Datensenke transportiert werden.
• Optional (Parametric) Tests: charakterisiert die Signalintegrität des Kabels. Diese Tests sind empfohlen, aber nicht erforderlich. Dazu zählen Intra Pair Skew (Laufzeitunterschiede innerhalb eines Datenpaares), Inter Pair Skew (Laufzeitunterschiede zwischen Datenleitungen) und Far End Crosstalk (Fernnebensprechen).

Für alle Tests gelten strenge Grenzwerte, die mit präzisen Messtechniken und komplexer Erfassungskonfiguration eingehalten werden müssen. Die Standards schreiben außerdem vor, dass viele der Tests für verschiedene unterstützte Pixelauflösungen durchgeführt werden, was eine enorme Steigerung der Komplexität bedeutet.

*Trevor Smith ist Manager für serielle Hochgeschwindigkeitslösungen am Hauptsitz von Tektronix in Bracknell/Großbritannien. Er hat ein HND (Higher National Diploma) in Electrical and Electronic Engineering des Letchworth College of Technology und ein Certificate in Industrial Management der Universität von Bedfordshire.

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