HDMI光纜的研制及自動化測試

1、1002-8692 2011 17-0048-04hdmi 光纜的研制及自動化測試相海飛，劉豐滿，宋見，萬里兮（中國科學(xué)院微電子研究所 系統(tǒng)封裝實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）【摘 要】 給出了一種 hdmi 光纜連接器制作方式。利用并行光互連技術(shù)實(shí)現(xiàn) hdmi 中 4 通道高速信號的傳輸，同時通過編碼技術(shù) 及控制器模擬熱插拔過程實(shí)現(xiàn)低速互連。通過實(shí)際測試，其單通道在 3.25 gbit/s 可以傳輸 300 m，可以實(shí)現(xiàn) hdmi 的長距離傳 輸。hdmi 光纜同普通 hdmi 銅纜一樣可熱插拔。并且提供了一種自動化測試系統(tǒng)，用于測試并行光互連模塊的各個通道，測試系 統(tǒng)可以應(yīng)用到其他的多通道高速

2、光通信產(chǎn)品的測試中，大大降低 hdmi 光纜的測試成本?！娟P(guān)鍵詞】 高清晰度多媒體接口；光通信；測試【中圖分類號】 tn943.5【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 adesign of hdmi fiber and automated testingxiang haifei, liu fengman, song jian, wan lixi（packaging research center, institute of microelectronic of chinese academy of sciences, beijing 100029, china）【abstract】 in this paper, a

3、 novel fabrication method of the fiber-optical high definition multimedia interface （hdmi） connector is proposed. it can transmit four channel high-speed signals by using parallel optical interconnect technique. the length can reach 300 m, bit rate of each channel is able to reach up to 3.25 gbit/s.

4、 display data channel （ddc） and hotplug signal can be transmitted by two low-speed fiber using coding and decoding techniques. so it is pluggable like copper hdmi. a system of testing high speed product is also presented. it reduces the waste of manpower, time and resources.【key words】 hdmi; optical

5、 communication; testhdmi 光纜簡介隨著高清視頻技術(shù)的快速發(fā)展，人們對高清傳輸提 出了更高的要求。hdmi 傳輸無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 特殊場合的需要，如機(jī)場、大型娛樂場所，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 對單向差分傳輸線1，對應(yīng) 12 根銅 線，而這 12 根線可以采用 4 根光纖來傳輸，剩下的線主要 是 低 速 ddc（display data chann

6、el）線 和 熱 插 拔 所 用 的 線，可以通過一定的編碼及控制器模擬熱插拔來實(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1實(shí)際開發(fā)出來的產(chǎn)品有 4 個高速光電通道，都要對其進(jìn)行測試。hdmi 光纜是一種高速光電產(chǎn)品，測試每 個通道都要用信號源通過高頻電纜給模塊發(fā)射端提供信 號，然后再通過高頻電纜將測試信號引到測試設(shè)備上。 而現(xiàn)有的高速信號源一般都是提供一路差分源，測試設(shè) 備也是只有單路差分入口的，這樣操作人員要測一個產(chǎn) 品，就要將測試所用的高頻電纜不斷地從一個通道取下 來再接到其他通道上。圖 2 為 hdmi 普通測試板一端，可 以看出每個測試板就有 8 個 sma

7、（sub miniature a）接口， hdmi 光纜兩端都要接在測試板上，所以就有 16 個 sma 接口，也就是說測試一條光纜需要取下安裝 16 次高頻電基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)（2009zx02038）482011 年第 35 卷第 17 期（總第 367 期）引腳引腳信號功能引腳引腳信號功能1高速數(shù)據(jù)通道 2+3高速數(shù)據(jù)通道 2-5高速數(shù)據(jù)通道 1 地屏蔽7高速數(shù)據(jù)通道 0+9高速數(shù)據(jù)通道 0-11高速時鐘通道地屏蔽13消費(fèi)電子控制引腳15控制信號時鐘17控制信號地19熱插拔檢測2高速數(shù)據(jù)通道 2 屏蔽4高速數(shù)據(jù)通道 1+6高速數(shù)據(jù)通道 1-8高速數(shù)據(jù)通道 0 屏蔽10高速時鐘通道

8、+12高速時鐘通道-14保存16控制數(shù)據(jù)通道18+5 v 電源 parts & applications 器件與應(yīng)用纜，這樣既耗費(fèi)時間又損壞高頻電纜和測試板，增加了 測試成本。本文將提供一個 測試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動化 測試，大大降低人力和時間 成本，同時減少不必要的測試 板和測試高頻電纜的損耗。來調(diào)整電信號的輸出。低速部分通過控制器對低速信號進(jìn)行編碼復(fù)用3， 可以用兩根單向低速光纖傳輸 ddc 信號，并且通過控制 器模擬熱插拔過程來實(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

9、 hotplug 來實(shí)現(xiàn)握手（管腳 見表 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，模擬過程通過以下方法完成：如果發(fā)射端上 電+5 v power（1-4）發(fā)射端將發(fā)光，接收端的探測器將 探測到光，接收端驅(qū)動芯片將通過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?器（2-13）發(fā)現(xiàn)高電平后，通過光纖告知發(fā)射端控制器（1-13）設(shè)備端準(zhǔn)備好，隨后發(fā)射端控

10、制器（1-13）將 hot plug（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。源端斷開或者設(shè)備端斷開連接都可以通過類似 過程實(shí)現(xiàn)，從而可實(shí)現(xiàn) hdmi 的熱插拔。圖 5 是研制出來 的 hdmi 光纜，可以看出和普通 hdmi 銅纜無異，無須安 裝，直接插拔即可使用。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

11、其驅(qū)動電路組成；接收端由控 制器、光電探測器和放大電路組成。本文采用系統(tǒng)級封 裝（sip）技術(shù)將裸片及光纖耦合部分封裝起來，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?片封裝，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 制器可以通過改變激光器驅(qū)動芯片的參數(shù)來改變激光器 的發(fā)射參數(shù)，同樣接收端的控制器通過改變放大器參數(shù)2測試過程中要根據(jù)測試結(jié)果來調(diào)整光纜中的驅(qū)動芯片參數(shù)，使激光器工作在一個良好的狀態(tài)下，這樣也增加了測 試時間。為了降低成本，提高生產(chǎn)效率，本文開發(fā)出了

12、一 套自動化測試系統(tǒng)。圖 6 是測試系統(tǒng)的框圖。其中，中間是用 vsc3312 開發(fā)出來的測試板，測試板上有 6 個 hmdi 的插座，一次 可以插入 3 個完整的 hdmi 光纜，即一次可以測試 34=12 個通道。測試板的左側(cè)是高頻信號源，可以發(fā)出隨機(jī) 的信號。而右側(cè)是高速采樣示波器，經(jīng)過鏈路后的信號 會在示波器上顯示。3.1 測試板測 試 板 采 用 兩 個 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hdmi 模塊自動化測試系統(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

13、也給測 試帶來一定的麻煩。測試過程中，每測試一個通道就需 要將同軸電纜（高頻電纜）從上個測試通道取下來再安裝 到待測通道上，大大降低了測試速度。同時測試人員在3492011 年第 35 卷第 17 期（總第 367 期）pc i2c測試板33123312高速示 信號源模塊 模塊 模塊模塊 模塊 模塊波器/誤碼儀光纖圖 6 測試框圖圖 8 實(shí)際測試parts & applications 器件與應(yīng)用 的數(shù)據(jù)，隨后控制示波器進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)的測試，并采集眼高、眼寬、抖動、上升沿時間、下降沿時間、均方抖動、 峰峰抖動等數(shù)據(jù)。將示波器采集的實(shí)時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫 規(guī)定范圍的值進(jìn)行對比，判斷模塊的單個通道是否通過

14、 測試，最后將這個通道的測試結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中的一條 記錄。播功能，單通道速率為 6.25 gbit/s，可用作開關(guān)芯片，實(shí)現(xiàn)信號的重分配，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通道，從而可實(shí)現(xiàn)分時對多 個通道測試。測試過程中 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)端口的一個通道

15、作為 scl 通道，由 pc 輸出 i2c 時鐘，而 sda 需要 pc 輸出 和 pc 輸入兩個通道，所以可以選擇數(shù)字輸出口的一個通 道作為 sda 輸出，同時選擇狀態(tài)口的一個通道作為 sda 的輸入。按照 i2c 協(xié)議，sda 和 scl 都是雙向線，通過一 個上拉電阻連接到正的電源電壓，當(dāng)總線空閑時，這兩 條線路都是高電平，連接到總線的器件輸出級必須是漏 極開路或集電極開路才能執(zhí)行傳輸?shù)墓δ?。?pc 口并 不是漏極開路電路，所以需要外接漏極開路電路，本文 采取外接 c9012 或者 74hc04 芯片來實(shí)現(xiàn)漏極開路。并 口可以按照 i2c 協(xié)議控制相應(yīng)寄存器的數(shù)值使其對應(yīng)管 腳輸出高低

16、電平來滿足 i2c 協(xié)議中的起始、讀數(shù)據(jù)、寫數(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測試軟件測試軟件需要控制測試板、測試模塊和示波器，實(shí)現(xiàn)整個測試過程的自動化。其中包括用 pc 向測試模塊 寫入和讀出參數(shù)；用 pc 機(jī)控制板上開關(guān)芯片自動切換； 用 pc 機(jī)控制示波器進(jìn)行自動測試；用 pc 機(jī)完成數(shù)據(jù)采 集、處理、存儲等。圖 7 是軟件測試單個通道的流程圖，首先調(diào)用 i2c 總 線向光模塊中的寄存器寫入 10 組固定的 bc（bias cur rent），mc（modulation current）等調(diào)試參數(shù)，隨后自動讀 取示波器中測試結(jié)果，如眼寬、眼高、抖動等

17、參數(shù)，根據(jù) 這些結(jié)果采用一定算法得到其中最優(yōu)的測試組。然后 同樣調(diào)用 i2c 總線再向光模塊的寄存器中寫入這組最佳一個測試板上可以放 3 根光纜。一次可以測試 12個通道。圖 8 就是測試系統(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 顯示的是測試軟件，pc 右側(cè)是信號源，桌子中間就是開發(fā)出的自動化測 試板。測 試 人 員 只 需 要 插 上待測光纜，然后操作所 提供的軟件就可順利地 進(jìn)行測試，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，同時軟件能夠和示 波器進(jìn)行交流，自動采集 數(shù)據(jù)，方便了操作人員對 數(shù)據(jù)的存儲與分析。502011 年第 35 卷第 17

18、期（總第 367 期）圖 10 hdmi 光纜連上 pc 和顯示器后實(shí)際效果parts & applications 器件與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 9 是在泰克采樣示波器 8200 下測試的一個通道的 眼圖（光纜 100 m），速率為 3.25 gbit/s。實(shí)際做過在 3.25gbit/s 下并行光互連技術(shù)可以傳輸 300 m2。所以可支持 傳輸長度至少 300 m。可以滿足一些特殊場合使用 hd mi 線纜長距離傳輸高清視 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，和普通的銅纜無異。目前，自動化測試系統(tǒng)已 經(jīng)投入了使用，極大地減少

19、了測試時間，降低了測試成本。模擬熱插拔過程實(shí)現(xiàn)低速互連。通過對并行高速通道的測試，單通道 3.25 gbit/s 可以傳輸 300 m。而實(shí)際上應(yīng)該 更長，這主要取決于多模光纖傳輸?shù)拈L度，所以可以實(shí)現(xiàn) hdmi 的長距離傳輸。同時本文提出的自動化測試系統(tǒng) 可以實(shí)現(xiàn)對 hdmi 的高速通道自動化測試。測試系統(tǒng)能 給測試模塊提供一個優(yōu)化后的參數(shù)，并且存儲相應(yīng)的測 試數(shù)據(jù)。整個測試系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出快速測 試，可自動優(yōu)化參數(shù)，可自動存儲測試結(jié)果，對測試設(shè)備 損害少等優(yōu)勢。4參考文獻(xiàn)：1 high-definition multimedia interface specification ve

20、rsion 1.3eb/ol. 2011-02-24. http：/2 li baoxia，wan lixi，yang chengyue，et al. low-cost high-efficiency4 channel pluggable parallel optical transceiver using optoelectronic mcm packaging technologiesc/proc. international conference on electronic packaging technology & high density packaging. shanghai：

21、ieee press，2008：1-4.3 王建國，孫敬華，曹丙霞.基于 avr 單片機(jī)的曼徹斯特編解碼及其 應(yīng)用j.計(jì)算機(jī)工程，2006，32（20）：258-260.4 王緒國.計(jì)算機(jī)并口與 i2c 總線接口技術(shù)的研究j.電腦與信息技 術(shù)，2006（2）：20-22.作者簡介：相海飛（1984- ），碩士生，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)級封裝及測試； 劉豐滿（1980- ），助理研究員，研究方向?yàn)椴⑿泄馔ㄐ?、系統(tǒng)級封裝；宋 見（1984- ），助理研究員，研究方向?yàn)椴⑿泄馔ㄐ?、系統(tǒng)級 封裝；萬里兮（1955- ），博士生導(dǎo)師，研究員，研究方向?yàn)闊o線通信、系 統(tǒng)級封裝等。小結(jié)本文提供了一種 hdmi 光纜

22、連接器制作方式，利用 激光器、驅(qū)動芯片、光纖耦合部分封裝成 4 通道高速發(fā)射 端，將高速電信號轉(zhuǎn)化成光信號；接收端是將光探測器和 驅(qū)動芯片及光纖耦合部分封裝起來，實(shí)現(xiàn)檢測光信號并 且把其轉(zhuǎn)換成高速電信號。同時通過編碼技術(shù)及控制器5責(zé)任編輯：孫 卓收稿日期：2011-04-24（上接第 29 頁）coding extension of the h.246/avc standardj. ieee trans. csvt，2007，17（9）：1103-1120.2 schwarz h，marpe d，wiegand t.analysis of hierarchical bpictures and mctfc/proc. icme2006. toronto，canada：ieee press，2006：1929-1932.3 li x，amon p，hutter a，et al.model based analysis for quantization parameter cascading in hierarchical video codingc/proc. icip2009. cairo，egypt：ieee pr