Granite River Labs, GRL Lucy Chang 张家绮
随着HDMI 2.1 FRL的发布，影像分辨率从4k@60Hz跃升到了8k@60Hz，HDMI的传输带宽也从18Gbps提升到48Gbps，不仅显示适配器以及屏幕的软硬件都要技术升级，用来传输讯号的HDMI线缆也因应更高带宽的讯号，必须减少讯号传输过程的损耗，因此HDMI协会发布了能够乘载至48Gbps的 Category 3 Cable测试规范，也就是超高速HDMI线缆（Ultra High Speed Cable；简称UHS cable），以下将为您解说Category 3 Cable的技术发展以及难题。
Passive Cable & Active Cable
目前市面上贩卖的UHS Cable多为被动式线缆（Passive Cable），也可以称为Wire cable，材质多半使用铜线，此种线缆沿袭以往Category 2 Cable的制作技术，制程成熟且成本低廉，但受限于高速讯号在铜线传输的损耗较高，因此线材长度较短且线径粗，尚可满足一般家用需求；但随知名显卡品牌推出更高画质的影像输出技术，伴随电视、电竞屏幕产业的蓬勃发展，消费者追求更好的影音飨宴，更长、更细、损耗更低的线缆才能符合各种多媒体播放场合，因此各大厂家纷纷将光纤技术应用到HDMI线缆上，发展出了主动式光纤HDMI线缆（Active Optical HDMI Cable, AOC HDMI cable），在线缆的两侧加上光电转换的组件，将HDMI讯号在不产生损耗的状况下传输，AOC HDMI Cable又可分为半光纤与全光纤；半光纤线材只有四对高速讯号对使用光纤，其余的低速脚位则使用一般的铜线材质；而全光纤线缆则是所有脚位都使用了光纤来传输讯号，但目前协会尚未制定全光线缆的测试方案。
HDMI 2.1 UHS Cable 测试项目案例
HDMI 2.1 UHS cable测试项目如表一所示，目前协会分别制定了Wire cable及Active cable两种类型的线缆，其中Active cable包含以下两种：
- 铜线主动式线缆
- 半光纤电缆
至于，全光纤线缆如前面提到的，目前协会尚未制定出量测方案，如果厂商想用此类型线缆取得HDMI 2.1 UHS Cable认证还需等待。主要原因是在测试项目中，eARC的测试方式是使用网络分析仪量测，包含Impedance、Insertion Loss、Skew等测试项目，而这些测试项目都不适用于全光纤线缆上。
表1: UHS Cable 测试项目
由于GRL已协助许多厂商取得HDMI 2.1 UHS Cable认证，以下分享常见的测试状况。首先HFR7-1 DC Power Test是相当容易遇到问题的一个项目，且HFR7-1分为两种测试条件。
- HFR7-1 DC Power Test
将分别模拟线缆接上未开机状态与开机状态的屏幕来测试，在Source端的+5V 脚位给予电压，量测Sink端的电压值不可低于4.7V，需要特别注意的是，线缆越长，使用的芯线越细，线材的压降就会越大。当线缆做的越长，需要特别注意AWG设计需要足够符合规范的压降。
- Power Off Sink (如图1)
- Power On Sink (如图2)
图1: Power Off Sink测试设置
图2: Power On Sink测试设置
另外，线缆在Source端的电流抽载不可超过55 mA，如图2所示，在测试Power On Sink时，由此来测试线缆在正常使用下的电流抽载与电压压降是否符合规范，其中搭载IC芯片的Active Cable因需要额外的供电来启动IC芯片，容易造成电流超过55 mA，为解决此问题，可在线缆加上USB外接电源来提供不足的电力。如果有USB外部供电，其测试条件如下如图所示。
具有USB外接电源的Active Cable在HFR7-1的测试内容，分别在Power Off Sink与Power On Sink的条件下都要进行不外接USB电源的测试；其中HDMI协会在今年七月发布更新，Power Off Sink在不外接电源的测试条件下，测试结果仅供参考，原因是在Power Off Sink的情况下，Source和Sink是没有开启的状态，实际应用上线缆不会接收到来自两端的HPD侦测以及讯号，而Power On Sink且不接外接电源状况下则必须通过，以确保两端装置在启动状态下，Cable对装置抽载过多电流而造成损坏。
图3: HFR7-1测试内容
低速讯号的测试还有像是DDC与CEC通道的电容不可大于700 pF，目的是让通过的低速讯号通过时不会因为Cable的电容过高，会影响讯号的质量，造成装置误判，线缆越长电容值可能会越高，Connector与芯线的连接设计也会影响到电容值。
- HFR7-21 EYE Test
HFR7-21眼图测试也是一项指针项目，测试FRL 标准讯号通过待测线缆之后，传输到Receiver端的质量，是属于Active Cabe的必测项目，因为FRL讯号相较以往TMDS讯号，传输的带宽大幅提升，也面临更大的传输损耗，因此在Receiver端使用了Continuous Time Linear Equalizer（CTLE）的补偿，HFR7-21则会在Receiver端加上8阶段的CTLE，因为实际应用上Source和Sink会Link Training到一组优化的CTLE，因此只要其中一个阶段的CTLE值可以通过即可，图4和图5分别是不同CTLE的测试结果。透果眼图的表现，客户可以根据其结果适当调整主动IC组件的Equalizer来符合规范。
图4: CTLE = Level 1 dB之眼图
图5: CTLE = Level 3 dB之眼图
- HDMI AVcc电压
除了眼图的测试，另一项在Active Cable测试上还有一项常有问题项目，就是测试线缆的高速讯号对的HDMI AVcc电压值，即为HDMI Single-Ended的Termination Voltage，此项目测试线缆在连接一般装置时，要能够将Sink提供的AVcc传输到Source，若是电压太低会使Source误判Sink未在启动的状态，导致讯号无法输出，此项目若是Fail则无法进行后续的眼图以及Skew测试， Active Cable使用的芯片Drive能力以及传输造成的损耗可能会影响此一项目。
当HDMI 2.1的测试项目都通过之后，线缆还必须通过EMI（Electromagnetic interference, EMI）电磁干扰的测试，才能够取得HDMI 2.1认证，进行EMI测试是确保线缆在充满电磁波的真实环境下，依然能维持高质量的传输功能。
结论
HDMI 2.1 UHS Cable测试规范发布之后，线缆的设计与制作就快速的成长发展，以因应消费市场对于HDMI高分辨率质量的要求，但设计上问题与测试规范的限制也是接踵而来，经过多次的来回修改与测试，许多种类的线材纷纷问世，而HDMI协会也不断的讨论规范内容，以适用于未来更新颖的Cable设计，期待未来更多创意的设计发想，提升HDMI产业发展。
参考文献
- 1-94919-0215192500
- gcts_21c_cables_restated-94919-1117202220
- https://www.hdmi.org/spec/hdmi2_1
作者
GRL中国台湾技术工程师 张家绮 Lucy Chang
国立中央大学化材系硕士毕业。四年HDMI测试经验，熟悉HDMI、HDMI2.1 FRL、HDCP等技术测试。GRL 技术文章作者及演讲讲师。
本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。
发布日期 2021/10/21 AN-211021-TW
