Интерфейсы HDMI и DisplayPort: вопросы проектирования тестирования. Часть 2

Все разрабатываемые HDMI-устройства должны пройти тест на соответствие стандарту HDMI (HDMI Compliance Test — HDMI CT). Почти все устройства, включая ТВ-приставки и DVD-плееры, испытывают сбои во время первого тестирования. Большинство сбоев связано со схемой и топологией печатной платы. Иногда требуются некоторые особые установки для того, чтобы успешно пройти HDMI CT. Например, возможно потребуется отключить или, наоборот, включить защиту HDCP на устройстве-источнике сигнала. Для разработчиков и производителей HDMI-устройств весьма важно ясно понимать спецификацию стандарта HDMI и тестов на соответствие этому стандарту для создания HDMI-совместимого продукта. Ниже приведены наиболее распространенные виды сбоев при тестировании HDMI-устройств и рекомендации по решению возникших проблем.

Тест EDID

Устройство-источник должно поддерживать спецификацию Enhanced DDC. Это означает, что источник должен быть способен считывать информацию EDID (Extended Display Identification Data — данные о поддержки дисплеев с расширенной системой идентификации), следующую после 256-го байта, с использованием сегментного указателя 0x60. Большую часть времени для EDID используется только 256 байт, однако, тест HDMI CT требует проверки способности системы считывать 4 блока (128 байт/блок), т.е. 512 байт. Поэтому для успешного проведения теста важно правильно установить сегментный указатель.

5-В питание HDMI-передатчика

Некоторые разработчики включают последовательно резистор или диод для того, чтобы ограничить ток 5-В выхода. HDMI CT требует, чтобы в процессе тестирования HDMI-передатчика потребление тока от 5-В источника питания было на уровне 55 мА. Это может вызвать сбой, т.к. по условиям тестирования выходное напряжение питания должно быть в диапазоне 4,8…5,3 В. При подсоединении 10-Ом резистора к выводу 5 В выходное напряжение падает до 4,45 В, что вызывает сбой.

Тест линии DDC/CEC HDMI-передатчика

Важно правильно подсоединить линию CEC — вывод 13 HDMI-разъема. Если в системе не предусмотрена поддержка функции CEC, разработчики могут оставить эту линию неподключенной. Иногда линию CEC подключают к порту ввода/вывода общего назначения микросхемы обработки видеосигнала, чтобы впоследствии иметь возможность модернизации устройства. Разработчики должны убедиться, что это соединение отвечает критериям теста HDMI CT, в том числе максимальная емкость линии DDC составляет менее 100 пФ.

Поддержка требуемого видеоформата устройства-источника

Спецификация HDMI требует, чтобы все HDMI-источники поддерживали один из следующих форматов: 640×480p/59,94/60 Гц, 720×480p/59,94/60 Гц или 720×576p/50 Гц. Другое требование при проектировании HDMI-источника, которое иногда игнорируют, состоит в том, что если любой из портов YPbPr или другой цифровой порт несжатого видео на источнике может поддерживать следующие форматы, то HDMI-порты на том же источнике должны также поддерживать их:
– 1280×720p/59,94/60 Гц,
– 1920×1080i/59,94/60 Гц,
– 720×480p/59,94/60 Гц,
– 1280×720p/50 Гц,
– 1920×1080i/50 Гц,
– 720×576p/50 Гц.

Совместимость между HDMI-источником и DVI-приемником

Спецификация HDMI требует, чтобы все HDMI-источники были совместимы с приемными устройствами, которые соответствуют спецификации DVI 1.0. Когда HDMI-источник подсоединяется к DVI-приемнику, он должен отвечать следующим требованиям:
– видео передается в формате RGB,
– защитные полосы видеочастот не передаются,
– островки данных не передаются.
Когда устройство-источник детектирует подключение приемника сигнала, он должен определить, что приемник — это DVI-устройство. Между тем, источник будет проверять, содержат ли данные EDID источника расширение CEA, и содержит ли расширение CEA данные VSDB (Vendor-Specific Data Block — определяемый производителем блок данных) подходящей длины. Если оба условия выполняются, то источник определит, что подключенный приемник — это DVI-устройство.

Тест EDID HDMI-приемника

Частота отказов в этом тесте чрезвычайно высока. Поэтому разработчики должны ознакомиться с требованиями EDID самых последних спецификаций HDMI. Ниже приведены некоторые распространенные ошибки, которые могут вызвать сбой.
– В первых 128 байтах EDID должны быть предусмотрены заголовки Monitor Range Limit Header и Monitor Name Header. Оба заголовка имеют длину 18 байт. Если любой из них короче 18 байт, то он заполняется числами 0×20 и завершается числом 0×A0.
– Несоответствие поддерживаемых видеоформатов между Short Video Descriptor (SVD) в EDID и Capabilities Declaration Form (CDF). Любые форматы, объявленные в CDF, должны также быть перечислены в SVD.
Для того, чтобы упростить проект, разработчики соединяют 5-В HDMI-вход с выводом HPD HDMI-приемника через резистор 1 кОм. В таких схемах память EEPROM не может быть считана, и напряжение вывода HPD может быть оставлено высоким, когда система переходит в дежурный режим или питание отключено. Это вызывает сбой теста HDMI CT, т.к. требуется доступ к данным EDID и их можно считать, когда вывод HPD находится под высоким потенциалом даже в дежурном режиме или при отсутствии питания.

Дифференциальное сопротивление линии TMDS HDMI-приемника

Значительное число устройств не проходит этот тест, хотя большинство разработчиков осведомлено о требованиях к входному дифференциальному сопротивлению. В основном, системы испытывают сбои при этом тесте из-за большой паразитной емкости входной защиты устройства от электростатического разряда или фильтра электромагнитных помех. Это один из тестов, в которых топология системной печатной платы влияет на результат тестирования. Разработчикам нужно заново спроектировать печатную плату в случае отказа, что влияет на сроки выпуска продукта.

Емкость и напряжение на линии DDC/CEC HDMI-приемника

Это один из тестов, которые наиболее часто не выдерживают HDMI-устройства из-за высокой емкости MOSFET, используемых для преобразования уровня напряжения. Для того чтобы избежать сбой, рекомендуется использовать MOSFET на линии DDC с величиной емкостей C_iss и C_oss на уровне не более 10 пФ.

Соединение линии CEC HDMI-приемника

В том случае, когда HDMI-системы имеют много HDMI-входов, спецификация требует, чтобы линии CEC от всех HDMI-входов и единственного HDMI-выхода были соединены между собой. Согласно условиям теста, сопротивление этого соединения должно быть не более 5 Ом. Даже если системы не поддерживают CEC, все входные линии CEC должны быть соединены.

Выходное напряжение HPD HDMI-при­емника

Некоторые потребители использовали схему, показанную на рисунке 1а, для того, чтобы задействовать напряжение 5 В от HDMI-разъема и напряжение VCC для питания HPD. Это нарушает следующее условие: когда на 5-В HDMI-входе устанавливается напряжение 0 В, напряжение HPD должно быть больше 0 В и меньше 0,4 В. Наиболее простое решение этой проблемы заключается в подсоединении резистора 1 кОм последовательно с выводом HPD. Простая схема ключа показана на рисунке 1б. Ее функция — управление выводом HPD и информирование источника о готовности приемника или о моменте перезапуска определенных действий, таких как идентификация HDCP. Это значительно улучшает совместимость системы.

а)                                        б) Рис. 1. Схема управления выходным напряжением HPD

Поддержка формата видео HDMI-приемника

Одним из распространенных отказов данного теста является ситуация, когда некоторые системы не отвечают тем требованиям, что все HDMI-приемники должны принимать формат видео 640×480p/59,94/60 Гц. 60-Гц системы должны поддерживать входной формат 720×480p/59,94/60 Гц, а 50-Гц системы — 720×576p/50 Гц. Многие разработчики игнорируют требование о поддержке видеоформата 640×480p.
Другими распространенными отказами при данном тесте являются меньшие допуски на отклонение частоты синхронизации видео. Для 50-Гц систем допустимые отклонения частоты определены в диапазоне 49,75…50,25 Гц (50 Гц ±0,5%). Для 59,94…60-Гц систем диапазон допустимой частоты синхронизации: 59,64…60,3 Гц (59,94 Гц –0,5%…60 Гц +0,5%).

Новые требования для тестирования беспроводных повторителей

Беспроводные повторители становятся все более широко распространенными. Организация HDMI Licensing LLC, ответственная за лицензирование стандарта HDMI, выпустила руководство для тестирования этого типа беспроводных устройств. Если беспроводные повторители поддерживают HDCP, то эти устройства должны быть протестированы как HDMI-повторители. Если эти устройства не поддерживают HDCP, то они могут быть протестированы как повторители или как независимые приемники и передатчики.

В мае 2009 г. организацией HDMI Licensing была представлена очередная версия интерфейса — HDMI 1.4. В [7] размещена полная спецификация данного стандарта.
HDMI 1.4 отличается от предшествующих версий несколькими существенными нововведениями. Прежде всего, добавлен двунаправленный канал Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбит/с, появилась поддержка видео высокого разрешения 4К/2К, а также возможность передачи 3D-видеосигнала. Среди прочих усовершенствований — реверсивный звуковой канал, расширенная цветовая гамма Adobe RGB и новый упрощенный разъем Micro HDMI.
Благодаря поддержке Ethernet-канала (HDMI Ethernet Channel — HEC) появилась возможность передавать через единый кабель видео, звуковые и данные по сетевому протоколу. Кроме того, HDMI 1.4 позволяет объединять бытовую технику (например, телевизор, AV-усилитель и проигрыватель Blu-ray) в сеть, в которой одно устройство, подключенное к интернету, может передавать данные остальным устройствам. В результате пропадает необходимость в маршрутизаторах, дополнительных кабелях и сложной коммутации.
Реверсивный (обратный) аудиоканал (ARC) обеспечивает передачу цифрового звукового сигнала S/PDIF (AAC, Dolby Digital и т.д.) по одному кабелю в обоих направлениях. Например, если телевизор подключен одним кабелем к BD/DVD-проигрывателю через AV-усилитель, то для воспроизведения звука с телевизионного тюнера через усилитель необходимо использовать еще один кабель. В случае с реверсивным каналом такая необходимость отсутствует — аудиосигналы передаются в обоих направлениях через один кабель.
Стандарт HDMI 1.4 обеспечивает передачу 3D-видеосигнала нескольких типов с разрешением до 1080p. Кроме того, пропускная способность интерфейса позволяет передавать видео высокого разрешения 4K×2K с разрешениями 3840×2160 точек (24/25/30 Гц) и 4096×2160 точек (30 Гц).
Данным стандартом поддерживаются дополнительные цветовые профили, применяемые в цифровых фотоаппаратах, которые расширяют цветовую гамму — sYCC601, Adobe RGB, и AdobeYCC601. Благодаря этому обеспечивается максимальная совместимость фотокамер с дисплеями высокой четкости.
Стандартом предусмотрен также новый миниатюрный разъем Micro HDMI, который будет использоваться наряду со стандартным и разъемом Mini HDMI. 19-контактный разъем предназначен для подключения таких портативных устройств как видео- и фотокамеры, мультимедийные плееры и другие устройства. При этом сохраняется возможность передачи видеосигнала с разрешением до 1080p и прочие стандартные функции интерфейса HDMI.
Кроме того, стандарт HDMI 1.4 предусматривает специальный вариант разъема HDMI с защелкой для использования в автомобильных аудио-видеосистемах. Такой разъем имеет повышенную устойчивость к вибрации, теплу и шуму.

Несмотря на то, что HDMI стал фактически стандартным интерфейсом для современных ТВ-панелей, медиаплееров, игровых консолей и фото/видеокамер, более 180 фирм по производству компьютеров и потребительской электроники активно поддерживают другой цифровой стандарт передачи аудио/видеосигналов — DisplayPort. Такие промышленные гиганты отрасли как HP, Dell, Intel и AMD уделяют развитию этого стандарта все больше внимания. С чем это связано?
Поддержка различных видео- и аудиоформатов обеспечила широкое распространение интерфейса HDMI в приложениях, связанных с передачей цифровых аудио/видеоданных на ТВ-панели высокой четкости (HDTV). Однако HDMI не является универсальным средством для всех типов соединения источника и приемника аудио/видеоинформации. Преимущества его использования в PC-технологиях, особенно в высококачественных дисплеях, не так очевидны из-за трех факторов: стоимости, полосы пропускания и возможности создания внутренних соединений в системе.
Лицензионные сборы, которые ведут к повышению цены на устройства с интерфейсом HDMI, делают его применение низкорентабельным при производстве недорогих и крупносерийных продуктов, например компьютерных дисплеев. Внешний тактовый сигнал, который используется в HDMI, ограничивает полосу пропускания и возможность масштабирования пропускной способности системы. Кроме того, HDMI-интерфейс не предназначен для создания соединений между чипами системы, что требует применения дополнительных решений и увеличивает сложность и стоимость устройства.
Компьютерные мониторы уже сегодня значительно превышают характеристики HDTV по разрешению и количеству отображаемых цветов. Так как возможности компьютерных дисплеев постоянно увеличиваются, возникла необходимость в создании доступного, открытого и масштабируемого цифрового интерфейса.
Спецификация стандарта Display Port 1.1, которая была введена организацией Video Electronics Standards Association (VESA), определяет масштабируемый цифровой интерфейс для дисплеев с возможностью защиты данных для широкого использования в бизнесе, на предприятии и в приложениях потребительской электроники. Этот безлицензионный и бесплатный интерфейс предназначен преимущественно для связи между компьютером и дисплеем или компьютером и домашним театром.
Интерфейс DisplayPort разработан для поддержки как внутренней (между чипами устройства), так и внешней (между устройствами) цифровой связи. DisplayPort также подходит для передачи аудио/видеоданных высокого разрешения между источником и приемником (например, между проигрывателем оптических дисков и ТВ-панелью высокой четкости).
Видеосигнал интерфейса DisplayPort не совместим с интерфейсами DVI (Digital Visual Interface) или HDMI, однако разъем DisplayPort способен пропускать эти сигналы. В то время как DVI и HDMI требуют отдельных тактовых сигналов, в стандарте DisplayPort сигнал синхронизации встроен в сигнал данных.
Функционально DisplayPort поддерживает до четырех линий для передачи данных со скоростью 1,62 или 2,7 Гбит/с каждая. Суммарная скорость передачи данных при использовании четырех линий, соответственно, достигает 10,8 Гбит/с, что примерно в два раза быстрее по сравнению с DVI с тем же количеством проводников.
Основной канал передачи реализует микропакетную архитектуру, которая поддерживает переменную глубину цвета, частоту обновления и разрешение монитора.
Поддерживаются режимы с глубиной цвета 6—6 бит на цветовой канал. Использование 1, 2 или 4 линий обеспечивает масштабируемость интерфейса в зависимости от требуемой скорости передачи данных.
Дополнительный двунаправленный канал, предназначенный для передачи команд и управляющей информации, работает на скорости 1 Мбит/с и используется для обслуживания работы основного канала, а также для передачи сигналов VESA EDID и VESA MCCS. В будущем планируется существенно расширить пропускную способность этой линии, что позволит сделать DisplayPort интерактивным интерфейсом, к которому можно будет подключать всевозможную периферию — от микрофонов и веб-камер до акустических систем и USB-хабов. Все данные будут передаваться через единственный кабель. Стандарт предусматривает коррекцию ошибок в передаваемых данных при длине кабеля до 15 м.
На рисунке 2 показана блок-схема интерфейса DisplayPort.

Рис. 2. Блок-схема интерфейса DisplayPort

Максимальное разрешение в версии DisplayPort 1.1 не намного больше, чем у DVI Dual Link — 2560×2048 пикселов при 60 Гц (8-битная глубина цветности для каждого цветового канала), однако при этом предусмотрена поддержка 10-битной глубины цветового канала при разрешении 2560×1600 точек, а также 12-битной глубины в режимах высокой четкости 1080p/96 Гц и 1080p/120 Гц при работе с четырьмя линиями, чего в DVI Dual Link не предусмотрено. Для передачи видеосигнала с разрешением 1680×1050 точек, частотой 60 Гц и глубиной канала 6 бит достаточно всего одной линии.
В спецификации DisplayPort второй версии появится поддержка куда более высоких разрешений, к примеру, 3840×2400 точек при 60 Гц с 8-битной глубиной цвета каждого цветового канала.
DisplayPort имеет возможность защиты контента от копирования по технологии HDCP, применяемой для HDMI, и по собственной технологии DPCP (DisplayPort Content Protection), разработанной компанией AMD и использующей 128-битное AES-кодирование. Однако пока технология DPCP не получила распространения. На текущий момент DisplayPort поддерживает максимальную скорость передачи данных 10,8 Гбит/с и WQXGA-разрешение (2560×1600).
Помимо внешнего подключения, стандарт DisplayPort предусматривает и применение в качестве внутреннего интерфейса для мониторов и дисплейных панелей ноутбуков. DisplayPort дает возможность увеличить уровень интеграции в дисплейных панелях, исключив лишнее преобразование сигналов при переходе от внешнего к внутреннему интерфейсу.
Кроме того, спецификация DisplayPort определяет компактный, удобный для пользователя внешний разъем с фиксатором для обеспечения надежного подсоединения длинного кабеля. Разъем оптимизирован для использования в тонких ноутбуках. На графических картах допускается размещение до четырех разъемов DisplayPort.
Разъемы DisplayPort имеют 20 контактов с шагом 0,5 мм (см. рис. 3).

Рис. 3. Разъем интерфейса DisplayPort

Тестирование устройств DisplayPort на соответствие требованиям стандарта

Тестирование на соответствие требованиям спецификации DisplayPort включает проверку источника, приемника и кабеля. Существует 17 тестов для устройств-источников DisplayPort, 12 из которых требуются для проверки соответствия спецификации DisplayPort. Эти тесты включают измерение амплитуды, скорости передачи данных, фазового сдвига сигналов, проверку синхронизации широкополосного сигнала, измерения по глазковой диаграмме и др. Проблемой для разработчика является большое число условий, которые должны быть соблюдены во время тестирования устройства-источника DisplayPort — в общей сложности 28.
Существуют 7 тестов кабеля DisplayPort, 5 из которых требуются для проверки соответствия стандарту. Эти тесты включают измерения фазового сдвига, полного сопротивления, вносимых потерь, потерь на отражение и др.
Несмотря на то, что имеется только один тест приемника DisplayPort — измерение джиттера — он весьма сложен. Разработчики должны подтвердить на наихудшем из допустимых сигналов, что приемник получает данные с приемлемым коэффициентом битовых ошибок (bit error ratio — BER).
Процедура тестирования устройств DisplayPort сама по себе не трудна, однако занимает много времени и, следовательно, требует денежных затрат. Проведение тестов в различных режимах вручную является довольно утомительным процессом и, кроме того, снижает надежность полученных результатов. Поэтому оптимальным способом является использование специализированного программного обеспечения, которое позволяет не только автоматизировать процесс измерений, но и проводить анализ полученных данных.

В то время как интерфейс HDMI ориентирован, в первую очередь, на применение в устройствах электроники бытового назначения, таких как ТВ-панели высокой четкости, домашние кинотеатры, плееры оптических дисков и т.д., DisplayPort представляет интерес для производителей компьютеров, где новый открытый и расширяемый стандарт предусматривает возможность дальнейшей модернизации по мере развития дисплейных панелей (повышение разрешения, глубины цвета и частоты развертки).
При проектировании устройств, использующих интерфейсы HDMI и DisplayPort, разработчику необходимо следовать правилам проектирования высокоскоростных схем. Эти правила позволят минимизировать электромагнитные помехи и обеспечат целостность сигнала. Кроме того, для защиты микросхем высокоскоростных интерфейсов от переходных процессов и электростатического разряда следует тщательно выбирать устройства, которые обеспечивают требования спецификации по дифференциальному сопротивлению и паразитной емкости сигнальных линий.
Анализ наиболее распространенных видов отказов при тестировании интерфейсов на соответствие спецификации HDMI позволит сократить время проектирования и подготовки к производству HDMI-продуктов.
В связи с разработкой версии HDMI 1.4 соперничество двух интерфейсов продлится некоторое время, и на рынке будут присутствовать как HDMI-, так и DisplayPort-совместимые устройства.
Но, несмотря на нынешнее широкое распространение стандарта HDMT в цифровом мире, в будущем он не сможет конкурировать с DisplayPort.