【技術文章】HDMI 2.1 Ultra High Speed Cable技術發展與難題

Granite River Labs, GRL
張家綺 Lucy Chang

 

          隨著HDMI 2.1 FRL的發佈,影像解析度從4k@60Hz躍升到了8k@60Hz,HDMI的傳輸頻寬也從18Gbps提升到48Gbps,不僅顯示卡以及螢幕的軟硬體都要技術升級,用來傳輸訊號的HDMI線纜也因應更高頻寬的訊號,必須減少訊號傳輸過程的損耗,因此HDMI協會發布了能夠乘載至48Gbps的 Category 3 Cable測試規範,也就是超高速HDMI線纜(Ultra High Speed Cable;簡稱UHS cable),以下將為您解說Category 3 Cable的技術發展以及難題。

 

» Passive Cable & Active Cable

          目前市面上販售的UHS Cable多為被動式線纜(Passive Cable),也可以稱為Wire cable,材質多半使用銅線,此種線纜沿襲以往Category 2 Cable的製作技術,製程成熟且成本低廉,但受限於高速訊號在銅線傳輸的損耗較高,因此線材長度較短且線徑粗,尚可滿足一般家用需求;但隨知名顯卡品牌推出更高畫質的影像輸出技術,伴隨電視、電競螢幕產業的蓬勃發展,消費者追求更好的影音饗宴,更長、更細、損耗更低的線纜才能符合各種多媒體播放場合,因此各大廠家紛紛將光纖技術應用到HDMI線纜上,發展出了主動式光纖HDMI線纜(Active Optical HDMI Cable, AOC HDMI cable),在線纜的兩側加上光電轉換的元件,將HDMI訊號在不產生損耗的狀況下傳輸,AOC HDMI Cable又可分為半光纖與全光纖;半光纖線材只有四對高速訊號對使用光纖,其餘的低速腳位則使用一般的銅線材質;而全光纖線纜則是所有腳位都使用了光纖來傳輸訊號,但目前協會尚未制定全光線纜的測試方案。

 

» HDMI 2.1 UHS Cable測試項目&案例

          HDMI 2.1 UHS cable測試項目如表一所示,目前協會分別制定了Wire cable及Active cable兩種類型的線纜,其中Active cable包含以下兩種:

  1. 銅線主動式線纜
  2. 半光纖電纜

          至於,全光纖線纜如前面提到的,目前協會尚未制定出量測方案,如果廠商想用此類型線纜取得HDMI 2.1 UHS Cable認證還需等待。主要原因是在測試項目中,eARC的測試方式是使用網路分析儀量測,包含Impedance、Insertion Loss、Skew等測試項目,而這些測試項目都不適用於全光纖線纜上。

 

表 1: UHS Cable 測試項目

 

          由於GRL已協助許多廠商取得HDMI 2.1 UHS Cable認證,以下分享最常見的測試狀況。首先HFR7-1 DC Power Test是最容易遇到問題的一個項目,且HFR7-1分為兩種測試條件。

 

  • HFR7-1 DC Power Test

  將分別模擬線纜接上未開機狀態與開機狀態的螢幕來測試,在Source端的+5V 腳位給予電壓,量測Sink端的電壓值不可低於4.7V,需要特別注意的是,線纜越長,使用的芯線越細,線材的壓降就會越大。當線纜做的越長,需要特別注意AWG設計需要足夠符合規範的壓降。

  • Power Off Sink (如圖1)
  • Power On Sink (如圖2)

圖1: Power Off Sink測試設置

 

圖2: Power On Sink測試設置

 

  另外,線纜在Source端的電流抽載不可超過55 mA,如圖2所示,在測試Power On Sink時,由此來測試線纜在正常使用下的電流抽載與電壓壓降是否符合規範,其中搭載IC晶片的Active Cable因需要額外的供電來啟動IC晶片,容易造成電流超過55 mA,為解決此問題,可在線纜加上USB外接電源來提供不足的電力。如果有USB外部供電,其測試條件如下如圖所示。

  具有USB外接電源的Active Cable在HFR7-1的測試內容,分別在Power Off Sink與Power On Sink的條件下都要進行不外接USB電源的測試;其中HDMI協會在今年七月發布更新,Power Off Sink在不外接電源的測試條件下,測試結果僅供參考,原因是在Power Off Sink的情況下,Source和Sink是沒有開啟的狀態,實際應用上線纜不會接收到來自兩端的HPD偵測以及訊號,而Power On Sink且不接外接電源狀況下則必須通過,以確保兩端裝置在啟動狀態下,Cable對裝置抽載過多電流而造成損壞。

圖3: HFR7-1測試內容

 

  低速訊號的測試還有像是DDC與CEC通道的電容不可大於700 pF,目的是讓通過的低速訊號通過時不會因為Cable的電容過高,會影響訊號的品質,造成裝置誤判,線纜越長電容值可能會越高,Connector與芯線的連接設計也會影響到電容值。

 

  • HFR7-21 EYE Test

  HFR7-21眼圖測試也是一項指標項目,測試FRL 標準訊號通過待測線纜之後,傳輸到Receiver端的品質,是屬於Active Cabe的必測項目,因為FRL訊號相較以往TMDS訊號,傳輸的頻寬大幅提升,也面臨更大的傳輸損耗,因此在Receiver端使用了Continuous Time Linear Equalizer(CTLE)的補償,HFR7-21則會在Receiver端加上8階段的CTLE,因為實際應用上Source和Sink會Link Training到一組最佳化的CTLE,因此只要其中一個階段的CTLE值可以通過即可,圖4和圖5分別是不同CTLE的測試結果。透果眼圖的表現,客戶可以根據其結果適當調整主動IC元件的Equalizer來符合規範。

圖4: CTLE = Level 1 dB之眼圖

 

圖5: CTLE = Level 3 dB之眼圖

 

  • HDMI AVcc電壓

  除了眼圖的測試,另一項在Active Cable測試上還有一項常有問題項目,就是測試線纜的高速訊號對的HDMI AVcc電壓值,即為HDMI Single-Ended的Termination Voltage,此項目測試線纜在連接一般裝置時,要能夠將Sink提供的AVcc傳輸到Source,若是電壓太低會使Source誤判Sink未在啟動的狀態,導致訊號無法輸出,此項目若是Fail則無法進行後續的眼圖以及Skew測試, Active Cable使用的晶片Drive能力以及傳輸造成的損耗可能會影響此一項目。

  當HDMI 2.1的測試項目都通過之後,線纜還必須通過EMI(Electromagnetic interference, EMI)電磁干擾的測試,才能夠取得HDMI 2.1認證,進行EMI測試是確保線纜在充滿電磁波的真實環境下,依然能維持高品質的傳輸功能。

 

» 結論

          最後,HDMI 2.1 UHS Cable測試規範發布之後,線纜的設計與製作就快速的成長發展,以因應消費市場對於HDMI高解析度品質的要求,但設計上問題與測試規範的限制也是接踵而來,經過多次的來回修改與測試,許多種類的線材紛紛問世,而HDMI協會也不斷的討論規範內容,以適用於未來更新穎的Cable設計,期待未來更多創意的設計發想,提升HDMI產業發展。

 

 

參考文獻

 

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作者
GRL 台灣技術工程師 張家綺 Lucy Chang

國立中央大學化材系碩士畢業。四年HDMI測試經驗,熟悉HDMI、HDMI2.1 FRL、HDCP等技術測試。GRL 技術文章作者及演講講師。

 

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