HDMI光缆的研制及自动化测试

相海飞，刘丰满，宋 见，万里兮

（中国科学院微电子研究所 系统封装实验室，北京 100029）

1 HDMI光缆简介

随着高清视频技术的快速发展，人们对高清传输提出了更高的要求。HDMI传输无疑是其中较好的传输线缆，现在HDMI1.3版本总传输速率已达到10.2 Gbit/s，用铜缆传输如此高的速率，只能传输20 m，不能满足一些特殊场合的需要，如机场、大型娱乐场所，所以可以采用光纤传输。如表1所示，HDMI连接器A型中有19根线，图1中，HDMI中有4对单向差分传输线[1]，对应12根铜线，而这12根线可以采用4根光纤来传输，剩下的线主要是低速DDC（Display Data Channel）线和热插拔所用的线，可以通过一定的编码及控制器模拟热插拔来实现低速的互联。

表1 HDMI1.3标准中A型连接器的引脚

实际开发出来的产品有4个高速光电通道，都要对其进行测试。HDMI光缆是一种高速光电产品，测试每个通道都要用信号源通过高频电缆给模块发射端提供信号，然后再通过高频电缆将测试信号引到测试设备上。而现有的高速信号源一般都是提供一路差分源，测试设备也是只有单路差分入口的，这样操作人员要测一个产品，就要将测试所用的高频电缆不断地从一个通道取下来再接到其他通道上。图2为HDMI普通测试板一端，可以看出每个测试板就有8个SMA（Sub Miniature A）接口，HDMI光缆两端都要接在测试板上，所以就有16个SMA接口，也就是说测试一条光缆需要取下安装16次高频电缆，这样既耗费时间又损坏高频电缆和测试板，增加了测试成本。本文将提供一个测试系统，可以实现自动化测试，大大降低人力和时间成本，同时减少不必要的测试板和测试高频电缆的损耗。

2 HDMI光缆设计

图3是HDMI光缆的结构图，其两侧是源端（PC或者其他播放源）和设备端（高清显示设备）；中间是HDMI光缆，包括发射端和接收端；发射端由控制器（可以是普通的单片机）、垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）及其驱动电路组成；接收端由控制器、光电探测器和放大电路组成。本文采用系统级封装（SIP）技术将裸片及光纤耦合部分封装起来，实现高速部分的通信[2]。图4是封装部分图，因为本文采用的是裸片封装，所以体积可以做得很小。其HDMI插头可以做得比现有的HDMI插头还小。在发射端和接收端都有控制器，用作控制传输的光参数及电参数。在发射端的控制器可以通过改变激光器驱动芯片的参数来改变激光器的发射参数，同样接收端的控制器通过改变放大器参数来调整电信号的输出。

低速部分通过控制器对低速信号进行编码复用[3]，可以用两根单向低速光纤传输DDC信号，并且通过控制器模拟热插拔过程来实现光缆的热插拔。HDMI1.3协议中实现热插拔握手的有两条线，一条是18引脚+5 V POWER，另一条是19引脚HOTPLUG来实现握手（管脚见表1）。+5 V POWER如果上电，表示源端已经插上，HOTPLUG如果变成高电平表示设备端插上并且准备好设备端信息，模拟过程通过以下方法完成：如果发射端上电+5 V POWER（1-4）发射端将发光，接收端的探测器将探测到光，接收端驱动芯片将通过中断通知接收端控制器（2-13）源端已上电，控制器（2-13）将让设备线+5 V POWER（2-4）线上电，通知设备端已经上电，随后设备端准备好后，在HOTPLUG（2-8）变为高电平。接收端控制器（2-13）发现高电平后，通过光纤告知发射端控制器（1-13）设备端准备好，随后发射端控制器（1-13）将HOTPLUG（1-8）变为高电平。通知源端，设备端已经准备好信息了。源端断开或者设备端断开连接都可以通过类似过程实现，从而可实现HDMI的热插拔。图5是研制出来的HDMI光缆，可以看出和普通HDMI铜缆无异，无须安装，直接插拔即可使用。

3 HDMI模块自动化测试系统

HDMI光缆采用的是并行光传输技术，这种技术大大提高了接口的通道数以及传输速度。但是同时也给测试带来一定的麻烦。测试过程中，每测试一个通道就需要将同轴电缆（高频电缆）从上个测试通道取下来再安装到待测通道上，大大降低了测试速度。同时测试人员在测试过程中要根据测试结果来调整光缆中的驱动芯片参数，使激光器工作在一个良好的状态下，这样也增加了测试时间。为了降低成本，提高生产效率，本文开发出了一套自动化测试系统。

图6是测试系统的框图。其中，中间是用VSC3312开发出来的测试板，测试板上有6个HMDI的插座，一次可以插入3个完整的HDMI光缆，即一次可以测试3×4=12个通道。测试板的左侧是高频信号源，可以发出随机的信号。而右侧是高速采样示波器，经过链路后的信号会在示波器上显示。

3.1 测试板

测试板采用两个VSC3312实现链路重分配。VSC3312芯片有12路差分输入，12路差分输出，具有多播功能，单通道速率为6.25 Gbit/s，可用作开关芯片，实现信号的重分配，即12路输入中任何一路输入都可以分配到12路输出中的任何一个通道，从而可实现分时对多个通道测试。

图6 测试框图

测试过程中PC控制VSC3312更换通道需要用I2C与之通信，而修改HDMI模块中的参数也需要I2C通信。可是一般PC端只有并口、串口、USB口和网口。本文采用并口模拟I2C的方法来实现通信。并口中的数据端口、控制端口可作为输出端口，而状态端口可以作为输入端口。在这里PC作为主机，可以使用数据端口的一个通道作为SCL通道，由PC输出I2C时钟，而SDA需要PC输出和PC输入两个通道，所以可以选择数字输出口的一个通道作为SDA输出，同时选择状态口的一个通道作为SDA的输入。按照I2C协议，SDA和SCL都是双向线，通过一个上拉电阻连接到正的电源电压，当总线空闲时，这两条线路都是高电平，连接到总线的器件输出级必须是漏极开路或集电极开路才能执行传输的功能。而PC口并不是漏极开路电路，所以需要外接漏极开路电路，本文采取外接C9012或者74HC04芯片来实现漏极开路。并口可以按照I2C协议控制相应寄存器的数值使其对应管脚输出高低电平来满足I2C协议中的起始、读数据、写数据以及停止要求，从而实现并口模拟I2C和从器件进行通信[4]。

3.2 测试软件

测试软件需要控制测试板、测试模块和示波器，实现整个测试过程的自动化。其中包括用PC向测试模块写入和读出参数；用PC机控制板上开关芯片自动切换；用PC机控制示波器进行自动测试；用PC机完成数据采集、处理、存储等。

图7是软件测试单个通道的流程图，首先调用I2C总线向光模块中的寄存器写入10组固定的BC（Bias Current），MC（Modulation Current）等调试参数，随后自动读取示波器中测试结果，如眼宽、眼高、抖动等参数，根据这些结果采用一定算法得到其中最优的测试组。然后同样调用I2C总线再向光模块的寄存器中写入这组最佳的数据，随后控制示波器进行详细参数的测试，并采集眼高、眼宽、抖动、上升沿时间、下降沿时间、均方抖动、峰峰抖动等数据。将示波器采集的实时数据与数据库规定范围的值进行对比，判断模块的单个通道是否通过测试，最后将这个通道的测试结果存入数据库中的一条记录。

一个测试板上可以放3根光缆。一次可以测试12个通道。图8就是测试系统在实际中的应用。最上边的是高速采样示波器，下边左方PC显示的是测试软件，PC右侧是信号源，桌子中间就是开发出的自动化测试板。

图8 实际测试

测试人员只需要插上待测光缆，然后操作所提供的软件就可顺利地进行测试，避免了操作人员去单独调试参数。操作人员也不需要拧同轴电缆，同时软件能够和示波器进行交流，自动采集数据，方便了操作人员对数据的存储与分析。

4 实验结果

图9是在泰克采样示波器8200下测试的一个通道的眼图（光缆100 m），速率为3.25 Gbit/s。实际做过在3.25 Gbit/s下并行光互连技术可以传输300 m[2]。所以可支持传输长度至少300 m。可以满足一些特殊场合使用HDMI线缆长距离传输高清视频的需要。图10是连接到PC和显示器的实际效果，可实现正常通信，并且可以实现热插拔，和普通的铜缆无异。目前，自动化测试系统已经投入了使用，极大地减少了测试时间，降低了测试成本。

5 小结

本文提供了一种HDMI光缆连接器制作方式，利用激光器、驱动芯片、光纤耦合部分封装成4通道高速发射端，将高速电信号转化成光信号；接收端是将光探测器和驱动芯片及光纤耦合部分封装起来，实现检测光信号并且把其转换成高速电信号。同时通过编码技术及控制器模拟热插拔过程实现低速互连。通过对并行高速通道的测试，单通道3.25 Gbit/s可以传输300 m。而实际上应该更长，这主要取决于多模光纤传输的长度，所以可以实现HDMI的长距离传输。同时本文提出的自动化测试系统可以实现对HDMI的高速通道自动化测试。测试系统能给测试模块提供一个优化后的参数，并且存储相应的测试数据。整个测试系统在实际应用中已经展现出快速测试，可自动优化参数，可自动存储测试结果，对测试设备损害少等优势。

[1]High-definition multimedia interface specification version 1.3[EB/OL].[2011-02-24].http：//www.vvvdown.com/rGFSPKP.

[2]LI Baoxia，WAN Lixi，YANG Chengyue，et al.Low-cost high-efficiency 4 channel pluggable parallel optical transceiver using optoelectronic MCM packaging technologies[C]//Proc.International Conference on Electronic Packaging Technology&High Density Packaging.Shanghai：IEEE Press，2008：1-4.

[3]王建国，孙敬华，曹丙霞.基于AVR单片机的曼彻斯特编解码及其应用[J].计算机工程，2006，32（20）：258-260.

[4]王绪国.计算机并口与I2C总线接口技术的研究[J].电脑与信息技术，2006（2）：20-22.