提前掌握Source/Sink產品測試重點 HDMI 2.1認證挑戰迎刃解

作者: 謝世恩
2022 年 12 月 22 日

HDMI 2.1產品從2018年底開放認證,隨著eARC、FRL、DSC、VRR等測試規範陸續推出,HDMI 2.1產品的認證也漸趨完善。本文將分享HDMI 2.1 Source及Sink產品在認證測試時常遇到的問題。

HDMI 2.1版本迷思

在分享認證測試常見問題之前,需要先釐清HDMI 2.1和2.0的版本迷思。HDMI 2.0約在2014年推出,增加了4K@50/60、21:9影像和靜態HDR功能。而2.1版本則是在2018年推出,增加了8K、4K@100/120影片、VRR和動態HDR等功能。HDMI 2.1規格書除了新增HDMI 2.1 功能外,既有的HDMI 2.0功能也整併到2.1規格中,HDMI 2.1測試規格書也是相同作法。也就是說HDMI裝置不論最高支援到4K@60Hz,或是8K@60Hz,都可以宣稱通過HDMI 2.1認證。這種作法容易造成消費者混淆,買到的HDMI 2.1產品到底是支援4K@60Hz?還是8K@60Hz?所以HDMI協會並不鼓勵廠商單獨把HDMI版本印在包裝或說明書上,而是建議將版本及相對應的功能一起標示在包裝上,例如支援HDMI 2.1 8K@60Hz,而非僅標註支援HDMI 2.1。而因為仍不時發生廠商未確實標示造成客訴糾紛,也建議消費者在購買前應確認清楚產品的規格,確保買到的產品符合預期的HDMI功能。

FRL Electrical Test增加測試程序

HDMI 2.1新增了FRL(Fixed Rate Link)傳輸模式,用來取代舊有的TMDS模式。在FRL模式下單通道的傳輸頻寬從TMDS的6G可提升到FRL的12G。速度的提升也意謂著訊號將隨著距離的增加而衰減得更快,因此在電氣特性的測試上容易在眼圖失效。以百佳泰的測試經驗為例,建議HDMI轉換器IC到連接器之間的路徑若過長,可以加一顆Re-Driver IC,透過可調整的EQ來補償訊號的衰減(圖1)。

圖1 FRL模式下,電氣特性的測試上容易在眼圖失效

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,Source裝置只要可以正確讀到EDID,就可以輸出TMDS訊號,因此在測試過程中可以用監測儀來取代EDID模擬器。但是Source在FRL測試除了要讀到EDID外,還需通過一道Link Training程序,因此無法透過監測儀來模擬這道程序。為了協助廠商解決此痛點,廠商如百佳泰開發出SCDC/EDID模擬器─AJSC-1,已將Link Training程序編寫到Keysight和Tektronix的示波器軟體中,此設備經過HDMI協會認可,可使用在FRL電氣特性測試並實現自動化。AJSC-1也適用於TMDS電氣特性測試,EDID內容可依照Source規格來編輯,省去尋找合適監測儀的時間(圖2)。

圖2 SCDC/EDID emulator─AJSC-1

Source產品認證新規HF-EEODB

除了FRL之外,HDMI 2.1規格中也新增了HF-EEODB的EDID架構,HF-EEODB的全名是HDMI Forum EDID Extension Override Data Block,是用來取代Block Map。隨著CTA(Consumer Technology Association)規格的更新及HDMI可以支援更多的影像相關功能,2個Block的EDID已不夠用,需使用到3個Block。在HDMI 2.1規格推出之前若要使用到3個Block的EDID,必須在Block 0之後加入一個Block 1當成Block Map,Block Map是用來指示Extension Block的數量,無法寫入其他影像資訊,因此當使用到Block Map時會有4個Block,但實際上能寫入影像資訊的只有3個Block。

而HF-EEODB不同於Block Map,只需要在Block 1的Byte4到Byte6宣告有多少個Extension Block,因此在EEPROM的使用上,HF-EEODB確實可以節省一些空間。對於監測儀廠商來說,可以自由選擇要使用Block Map或HF-EEODB,但對於Source端產品來說,無法預期終端使用者使用的監測儀是Block Map或是HF-EEODB,因此在認證測試中兩者皆必須能夠被正確辨識才算通過認證(圖3)。Block Map早已存在於HDMI 1.4b中,因此對於Source廠商來說不是問題,但新規格的HF-EEODB會是個挑戰。

圖3 對於Source端產品來說,無法預期終端使用監測儀、Block Map或是HF-EEODB,因此在認證測試中皆必須被正確辨識才算通過認證

4K、8K使用規範三要求

HDMI 2.1規格對於4K@100/120Hz和8K@50/60Hz影像的使用有明確的規範,除了有限定的VIC外還有YCbCr4:2:0和Color Depth 10bit的要求。以4K@100Hz為例,假設有一台SOURCE支援4K@100Hz影片,就必須要支援CTA定義的VIC117及3840×2160P100(16:9),雖然說VIC119也是3840×2160P100,但比例是21:9,Source無法單獨支援VIC119,若要支援VIC119必須同時支援VIC117。此規範是基於相容性的考量,倘若沒有明確規範,假設有一台監測儀宣稱可支援4K@100Hz、VIC117;另一台Source筆電則宣稱支援4K@100Hz、VIC119,由於各自支援的4K@100Hz規格不同,當它們連接在一起的時候將無法顯示4K@100Hz畫面。除了VIC的限制外,4K@100Hz也需同時支援YCbCr4:2:0和Color Depth 10 bit,這一部分是各家廠商在設計產品規格時較容易忽略的。

單純以4K@100Hz加上YCbCR4:2:0的條件來看,像素頻率(Pixel Frequency)是594MHz,舊有的TMDS頻寬上限600MHz剛好可以支援,因此容易被誤會HDMI TMDS裝置可以支援到4K@100Hz。但4K@100Hz還有一個必要條件是要同時支援Color Depth 10bit,因此原先的頻寬594MHz必須再乘上1.25倍,變成742.5MHz,這樣就超過TMDS的頻寬,必須要FRL才能支援。測試規格書針對上述的規範有定義出相關測項,目前在測試上較常遇到的狀況是有些Source廠商誤以為只要在CDF(Capability Declaration Forum)中宣告不支援VIC117即代表不支援4K@100Hz,但卻忽略了在測試過程中有一個反向測試的步驟,測試設備的EDID須具備VIC117,倘若Source沒有把VIC117的影像輸出能力關掉,測試過程中Source就會輸出VIC117,因此將被判為失效。建議的解決方法是Source的行為必須與CDF一致,若Source只支援TMDS、無法支援4K@100Hz,除了在C D F中宣告不支援外,也必須把4K@100Hz的輸出能力移除。

EDID輸出應留意的對應解析度

HDMI論壇目前除了致力於制訂新功能的測試規格書外,針對既有的舊功能也持續在修改或新增步驟,比較明顯的是新增反向確認的測試步驟。以YCbCr4:2:0測試為例,測試設備會在EDID的420影片Data Block加入VIC96、97等解析度,以確認Source可以輸出對應的YCbCr4:2:0解析度。接著進行反向測試,將EDID中的Max_TMDS_Clock從原先的297MHz改成290MHz,以確認Source無法輸出YCbCr4:2:0解析度。因為YCbCr4:2:0解析度的頻寬為297MHz,1.4b Spec規範Source不得傳輸大於Sink Max_TMDS_Clock的解析度,即便Source讀到420影片Data Block有對應的解析度,也不得輸出。

另一個反向測試的例子是靜態HDR,測試設備會在EDID的Colorimetry Data Block,byte 3宣告0x20或0xC0,確認Source可以輸出對應的HDR訊號,接著進行反向測試,將byte 3宣告為0,確認Source輸出的訊號不支援HDR。

Sink常見認證測試問題

FRL傳輸模式也影響了Sink產品的認證測試。FRL訊號在傳輸之前需先通過Link Training的溝通,因此在FRL的電氣測試也會較複雜。以往TMDS的電氣測試,只須將測試治具端的+5V連接到電源供應,提供5V電壓,即可模擬成Sink連接到Source的狀態來進行電氣測試。

FRL Electrical測試必須由特殊的設備模擬成Source來跟Sink進行Link Training程序,且當Sink接收到Generator的BERT訊號後,Sink的暫存器中會記錄計數錯誤,此時Source會透過SCDC去讀取Sink的計數錯誤並判斷是否符合規格規範(圖4)。

圖4 FRL電氣測試必須由特殊的設備模擬成Source來跟Sink進行Link Training程序

Max_TMDS新規頻寬上限不再阻擋傳輸宣告

HDMI Source必須根據Sink的EDID內容來決定可傳輸的影像,其中可傳輸影片的頻寬上限會取決於EDID中的Max_TMDS_Clock和Max_TMDS_Character_Rate,前者負責25MHz到340MHz,後者負責345MHz到600MHz。

以往在定義這兩個數值時會去參考1.4和2.1 CDF中的解析度來決定最高頻寬,但這種做法存在一個盲點,Source可能無法傳輸介於Max_TMDS_Clock和340MHz之間的解析度給Sink。舉例1.4的Max_TMDS_Clock為225MHz(圖5),表示Source無法傳輸225~340MHz的影像給Sink,為了彌補這個相容性問題,HDMI Forum在2022年初公布的2.1a規格中規定,只要2.1 Sink有宣告Max_TMDS_Character_Rate(345MHz到600MHz),Max_TMDS_Clock必須宣告為340MHz。日後HDMI論壇也有可能將此規定直接定義到Compliance Test中。

圖5 1.4 Max_TMDS_Clock

產品Repeater功能失效原因

目前有些電子白板或是電視,為了方便展示,除了本身是Sink外還同時具備了中繼器(Repeater)功能,可以把接收到的訊號傳送給下游的Sink。在設計這類產品時需注意到中繼器的功能是否能滿足規格的規範。

這台4K電視除了本身是Sink外,也可以將接收到的訊號Pass-through給下游的2K電視,因此具備了中繼器功能。Repeater和Sink共用了相同的EDID,因此當Sink收到什麼樣的訊號,就會將該訊號原封不動的傳給下游Sink。這種設計違反了規格規定,可能會造成相容性的問題。例如4K電視接收了上游Source的4K訊號,除了顯示在本身的面板外也把4K訊號Pass-through給下游的2K電視,因下游的2K電視只具備接收2K訊號的能力,故無法顯示畫面。規格規範中繼器輸出必須符合Source規範,其中一項規定是Source必須根據Sink的EDID內容,傳輸給Sink可支援的影片。為了解決這個問題,建議可依以下方案做設計變更。

  • 方案一:將中繼器改為讀取下游Sink的EDID,並根據EDID的內容來決定輸出的影片。
  • 方案二: 中繼器仍舊跟Sink共用EDID,但會根據下游的EDID內容來轉換影片並輸出,例如將接收到的4K影片轉成2K影片後再輸出。

必留意EDID測試

HDMI的影片規格隨著CTA(原CEA)的更新不斷的增加,加上為了讓Sink可以有更好的相容性,有些廠商會將自家HDMI產品的規格設計成同時擁有二個EDID讓使用者切換,一個EDID宣告1.4b的影片,另一個EDID宣告2.1的影片。近期HDMI Forum在審核2.1報告時有注意這個現象,要求即便是1.4b的EDID也必須符合2.1規格,須執行2.1相關EDID測試。

比較容易忽略的應該是4K@24/25/30Hz,在1.4b的SPEC中,因當時是跟隨CEA861-D的規範,尚未規範到4K影片,因此HDMI協會在Vendor Specific Data Block中定義了HDMI_VIC_1,2,3,4來表示4K@30/25/24/24(SMPTE)影片。而HDMI 2.1規格是跟隨CTA-816-H,已定義4K@30/25/24/24(SMPTE)的VIC為95,94,93,98。為了符合HDMI 2.1 SPEC的規範,2.1 Sink產品的EDID內容,只要有支援4K@30/25/24/24(SMPTE),就必須同時在VSDB中寫入HDMI_VIC_1,2,3,4,VDB中則寫入VIC95,94,93,98。

提前掌握HDMI認證測試內容

目前HDMI 2.1認證測試大約一季會更新一次測試內容,主要是新增一些協議測項,測試規範是來自於測試規格書CTS(Compliance Test Specification)。雖然測試項目是來自於CTS,但CTS是源自於Generic Compliance Test Specification,為了加速取證時程、減少錯誤的產生,建議可以預先掌握Generic Compliance Test Specification的測試內容,隨時注意HDMI協會公布的訊息。

(本文作者為百佳泰技術副理)

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