HDMI光纜的研制及自動(dòng)化測(cè)試

相海飛，劉豐滿，宋 見(jiàn)，萬(wàn)里兮

（中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 系統(tǒng)封裝實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

1 HDMI光纜簡(jiǎn)介

隨著高清視頻技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)高清傳輸提出了更高的要求。HDMI傳輸無(wú)疑是其中較好的傳輸線纜，現(xiàn)在HDMI1.3版本總傳輸速率已達(dá)到10.2 Gbit/s，用銅纜傳輸如此高的速率，只能傳輸20 m，不能滿足一些特殊場(chǎng)合的需要，如機(jī)場(chǎng)、大型娛樂(lè)場(chǎng)所，所以可以采用光纖傳輸。如表1所示，HDMI連接器A型中有19根線，圖1中，HDMI中有4對(duì)單向差分傳輸線[1]，對(duì)應(yīng)12根銅線，而這12根線可以采用4根光纖來(lái)傳輸，剩下的線主要是低速DDC（Display Data Channel）線和熱插拔所用的線，可以通過(guò)一定的編碼及控制器模擬熱插拔來(lái)實(shí)現(xiàn)低速的互聯(lián)。

表1 HDMI1.3標(biāo)準(zhǔn)中A型連接器的引腳

實(shí)際開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品有4個(gè)高速光電通道，都要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。HDMI光纜是一種高速光電產(chǎn)品，測(cè)試每個(gè)通道都要用信號(hào)源通過(guò)高頻電纜給模塊發(fā)射端提供信號(hào)，然后再通過(guò)高頻電纜將測(cè)試信號(hào)引到測(cè)試設(shè)備上。而現(xiàn)有的高速信號(hào)源一般都是提供一路差分源，測(cè)試設(shè)備也是只有單路差分入口的，這樣操作人員要測(cè)一個(gè)產(chǎn)品，就要將測(cè)試所用的高頻電纜不斷地從一個(gè)通道取下來(lái)再接到其他通道上。圖2為HDMI普通測(cè)試板一端，可以看出每個(gè)測(cè)試板就有8個(gè)SMA（Sub Miniature A）接口，HDMI光纜兩端都要接在測(cè)試板上，所以就有16個(gè)SMA接口，也就是說(shuō)測(cè)試一條光纜需要取下安裝16次高頻電纜，這樣既耗費(fèi)時(shí)間又損壞高頻電纜和測(cè)試板，增加了測(cè)試成本。本文將提供一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，大大降低人力和時(shí)間成本，同時(shí)減少不必要的測(cè)試板和測(cè)試高頻電纜的損耗。

2 HDMI光纜設(shè)計(jì)

圖3是HDMI光纜的結(jié)構(gòu)圖，其兩側(cè)是源端（PC或者其他播放源）和設(shè)備端（高清顯示設(shè)備）；中間是HDMI光纜，包括發(fā)射端和接收端；發(fā)射端由控制器（可以是普通的單片機(jī)）、垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）及其驅(qū)動(dòng)電路組成；接收端由控制器、光電探測(cè)器和放大電路組成。本文采用系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）技術(shù)將裸片及光纖耦合部分封裝起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高速部分的通信[2]。圖4是封裝部分圖，因?yàn)楸疚牟捎玫氖锹闫庋b，所以體積可以做得很小。其HDMI插頭可以做得比現(xiàn)有的HDMI插頭還小。在發(fā)射端和接收端都有控制器，用作控制傳輸?shù)墓鈪?shù)及電參數(shù)。在發(fā)射端的控制器可以通過(guò)改變激光器驅(qū)動(dòng)芯片的參數(shù)來(lái)改變激光器的發(fā)射參數(shù)，同樣接收端的控制器通過(guò)改變放大器參數(shù)來(lái)調(diào)整電信號(hào)的輸出。

低速部分通過(guò)控制器對(duì)低速信號(hào)進(jìn)行編碼復(fù)用[3]，可以用兩根單向低速光纖傳輸DDC信號(hào)，并且通過(guò)控制器模擬熱插拔過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)光纜的熱插拔。HDMI1.3協(xié)議中實(shí)現(xiàn)熱插拔握手的有兩條線，一條是18引腳+5 V POWER，另一條是19引腳HOTPLUG來(lái)實(shí)現(xiàn)握手（管腳見(jiàn)表1）。+5 V POWER如果上電，表示源端已經(jīng)插上，HOTPLUG如果變成高電平表示設(shè)備端插上并且準(zhǔn)備好設(shè)備端信息，模擬過(guò)程通過(guò)以下方法完成：如果發(fā)射端上電+5 V POWER（1-4）發(fā)射端將發(fā)光，接收端的探測(cè)器將探測(cè)到光，接收端驅(qū)動(dòng)芯片將通過(guò)中斷通知接收端控制器（2-13）源端已上電，控制器（2-13）將讓設(shè)備線+5 V POWER（2-4）線上電，通知設(shè)備端已經(jīng)上電，隨后設(shè)備端準(zhǔn)備好后，在HOTPLUG（2-8）變?yōu)楦唠娖?。接收端控制器?-13）發(fā)現(xiàn)高電平后，通過(guò)光纖告知發(fā)射端控制器（1-13）設(shè)備端準(zhǔn)備好，隨后發(fā)射端控制器（1-13）將HOTPLUG（1-8）變?yōu)楦唠娖?。通知源端，設(shè)備端已經(jīng)準(zhǔn)備好信息了。源端斷開(kāi)或者設(shè)備端斷開(kāi)連接都可以通過(guò)類似過(guò)程實(shí)現(xiàn)，從而可實(shí)現(xiàn)HDMI的熱插拔。圖5是研制出來(lái)的HDMI光纜，可以看出和普通HDMI銅纜無(wú)異，無(wú)須安裝，直接插拔即可使用。

3 HDMI模塊自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

HDMI光纜采用的是并行光傳輸技術(shù)，這種技術(shù)大大提高了接口的通道數(shù)以及傳輸速度。但是同時(shí)也給測(cè)試帶來(lái)一定的麻煩。測(cè)試過(guò)程中，每測(cè)試一個(gè)通道就需要將同軸電纜（高頻電纜）從上個(gè)測(cè)試通道取下來(lái)再安裝到待測(cè)通道上，大大降低了測(cè)試速度。同時(shí)測(cè)試人員在測(cè)試過(guò)程中要根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)調(diào)整光纜中的驅(qū)動(dòng)芯片參數(shù)，使激光器工作在一個(gè)良好的狀態(tài)下，這樣也增加了測(cè)試時(shí)間。為了降低成本，提高生產(chǎn)效率，本文開(kāi)發(fā)出了一套自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。

圖6是測(cè)試系統(tǒng)的框圖。其中，中間是用VSC3312開(kāi)發(fā)出來(lái)的測(cè)試板，測(cè)試板上有6個(gè)HMDI的插座，一次可以插入3個(gè)完整的HDMI光纜，即一次可以測(cè)試3×4=12個(gè)通道。測(cè)試板的左側(cè)是高頻信號(hào)源，可以發(fā)出隨機(jī)的信號(hào)。而右側(cè)是高速采樣示波器，經(jīng)過(guò)鏈路后的信號(hào)會(huì)在示波器上顯示。

3.1 測(cè)試板

測(cè)試板采用兩個(gè)VSC3312實(shí)現(xiàn)鏈路重分配。VSC3312芯片有12路差分輸入，12路差分輸出，具有多播功能，單通道速率為6.25 Gbit/s，可用作開(kāi)關(guān)芯片，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重分配，即12路輸入中任何一路輸入都可以分配到12路輸出中的任何一個(gè)通道，從而可實(shí)現(xiàn)分時(shí)對(duì)多個(gè)通道測(cè)試。

圖6 測(cè)試框圖

測(cè)試過(guò)程中PC控制VSC3312更換通道需要用I2C與之通信，而修改HDMI模塊中的參數(shù)也需要I2C通信。可是一般PC端只有并口、串口、USB口和網(wǎng)口。本文采用并口模擬I2C的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。并口中的數(shù)據(jù)端口、控制端口可作為輸出端口，而狀態(tài)端口可以作為輸入端口。在這里PC作為主機(jī)，可以使用數(shù)據(jù)端口的一個(gè)通道作為SCL通道，由PC輸出I2C時(shí)鐘，而SDA需要PC輸出和PC輸入兩個(gè)通道，所以可以選擇數(shù)字輸出口的一個(gè)通道作為SDA輸出，同時(shí)選擇狀態(tài)口的一個(gè)通道作為SDA的輸入。按照I2C協(xié)議，SDA和SCL都是雙向線，通過(guò)一個(gè)上拉電阻連接到正的電源電壓，當(dāng)總線空閑時(shí)，這兩條線路都是高電平，連接到總線的器件輸出級(jí)必須是漏極開(kāi)路或集電極開(kāi)路才能執(zhí)行傳輸?shù)墓δ堋６鳳C口并不是漏極開(kāi)路電路，所以需要外接漏極開(kāi)路電路，本文采取外接C9012或者74HC04芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)漏極開(kāi)路。并口可以按照I2C協(xié)議控制相應(yīng)寄存器的數(shù)值使其對(duì)應(yīng)管腳輸出高低電平來(lái)滿足I2C協(xié)議中的起始、讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)以及停止要求，從而實(shí)現(xiàn)并口模擬I2C和從器件進(jìn)行通信[4]。

3.2 測(cè)試軟件

測(cè)試軟件需要控制測(cè)試板、測(cè)試模塊和示波器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化。其中包括用PC向測(cè)試模塊寫(xiě)入和讀出參數(shù)；用PC機(jī)控制板上開(kāi)關(guān)芯片自動(dòng)切換；用PC機(jī)控制示波器進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試；用PC機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)等。

圖7是軟件測(cè)試單個(gè)通道的流程圖，首先調(diào)用I2C總線向光模塊中的寄存器寫(xiě)入10組固定的BC（Bias Current），MC（Modulation Current）等調(diào)試參數(shù)，隨后自動(dòng)讀取示波器中測(cè)試結(jié)果，如眼寬、眼高、抖動(dòng)等參數(shù)，根據(jù)這些結(jié)果采用一定算法得到其中最優(yōu)的測(cè)試組。然后同樣調(diào)用I2C總線再向光模塊的寄存器中寫(xiě)入這組最佳的數(shù)據(jù)，隨后控制示波器進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)的測(cè)試，并采集眼高、眼寬、抖動(dòng)、上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、均方抖動(dòng)、峰峰抖動(dòng)等數(shù)據(jù)。將示波器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)定范圍的值進(jìn)行對(duì)比，判斷模塊的單個(gè)通道是否通過(guò)測(cè)試，最后將這個(gè)通道的測(cè)試結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的一條記錄。

一個(gè)測(cè)試板上可以放3根光纜。一次可以測(cè)試12個(gè)通道。圖8就是測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用。最上邊的是高速采樣示波器，下邊左方PC顯示的是測(cè)試軟件，PC右側(cè)是信號(hào)源，桌子中間就是開(kāi)發(fā)出的自動(dòng)化測(cè)試板。

圖8 實(shí)際測(cè)試

測(cè)試人員只需要插上待測(cè)光纜，然后操作所提供的軟件就可順利地進(jìn)行測(cè)試，避免了操作人員去單獨(dú)調(diào)試參數(shù)。操作人員也不需要擰同軸電纜，同時(shí)軟件能夠和示波器進(jìn)行交流，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，方便了操作人員對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9是在泰克采樣示波器8200下測(cè)試的一個(gè)通道的眼圖（光纜100 m），速率為3.25 Gbit/s。實(shí)際做過(guò)在3.25 Gbit/s下并行光互連技術(shù)可以傳輸300 m[2]。所以可支持傳輸長(zhǎng)度至少300 m?？梢詽M足一些特殊場(chǎng)合使用HDMI線纜長(zhǎng)距離傳輸高清視頻的需要。圖10是連接到PC和顯示器的實(shí)際效果，可實(shí)現(xiàn)正常通信，并且可以實(shí)現(xiàn)熱插拔，和普通的銅纜無(wú)異。目前，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)投入了使用，極大地減少了測(cè)試時(shí)間，降低了測(cè)試成本。

5 小結(jié)

本文提供了一種HDMI光纜連接器制作方式，利用激光器、驅(qū)動(dòng)芯片、光纖耦合部分封裝成4通道高速發(fā)射端，將高速電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)；接收端是將光探測(cè)器和驅(qū)動(dòng)芯片及光纖耦合部分封裝起來(lái)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)光信號(hào)并且把其轉(zhuǎn)換成高速電信號(hào)。同時(shí)通過(guò)編碼技術(shù)及控制器模擬熱插拔過(guò)程實(shí)現(xiàn)低速互連。通過(guò)對(duì)并行高速通道的測(cè)試，單通道3.25 Gbit/s可以傳輸300 m。而實(shí)際上應(yīng)該更長(zhǎng)，這主要取決于多模光纖傳輸?shù)拈L(zhǎng)度，所以可以實(shí)現(xiàn)HDMI的長(zhǎng)距離傳輸。同時(shí)本文提出的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)HDMI的高速通道自動(dòng)化測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)能給測(cè)試模塊提供一個(gè)優(yōu)化后的參數(shù)，并且存儲(chǔ)相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出快速測(cè)試，可自動(dòng)優(yōu)化參數(shù)，可自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果，對(duì)測(cè)試設(shè)備損害少等優(yōu)勢(shì)。

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