HDMI光缆的研制及自动化测试

1、1002-8692 2011 17-0048-04hdmi 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）【摘 要】 给出了一种 hdmi 光缆连接器制作方式。利用并行光互连技术实现 hdmi 中 4 通道高速信号的传输，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。通过实际测试，其单通道在 3.25 gbit/s 可以传输 300 m，可以实现 hdmi 的长距离传 输。hdmi 光缆同普通 hdmi 铜缆一样可热插拔。并且提供了一种自动化测试系统，用于测试并行光互连模块的各个通道，测试系 统可以应用到其他的多通道高速

2、光通信产品的测试中，大大降低 hdmi 光缆的测试成本。【关键词】 高清晰度多媒体接口；光通信；测试【中图分类号】 tn943.5【文献标识码】 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 chann

6、el）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1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

7、（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 次高频电基金项目：国家科技重大专项（2009zx02038）482011 年第 35 卷第 17 期（总第 367 期）引脚引脚信号功能引脚引脚信号功能1高速数据通道 2+3高速数据通道 2-5高速数据通道 1 地屏蔽7高速数据通道 0+9高速数据通道 0-11高速时钟通道地屏蔽13消费电子控制引脚15控制信号时钟17控制信号地19热插拔检测2高速数据通道 2 屏蔽4高速数据通道 1+6高速数据通道 1-8高速数据通道 0 屏蔽10高速时钟通道

8、+12高速时钟通道-14保存16控制数据通道18+5 v 电源 parts & applications 器件与应用缆，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。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

9、 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

10、制器（1-13）将 hot plug（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。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

11、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2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

12、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 34=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

13、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3492011 年第 35 卷第 17 期（总第 367 期）pc i2c测试板33123312高速示 信号源模块 模块 模块模块 模块 模块波器/误码仪光纤图 6 测试框图图 8 实际测试parts & applications 器件与应用 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

14、 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。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。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

15、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

16、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 cur rent），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

17、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。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。502011 年第 35 卷第 17

18、期（总第 367 期）图 10 hdmi 光缆连上 pc 和显示器后实际效果parts & applications 器件与应用实验结果图 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 3.25gbit/s 下并行光互连技术可以传输 300 m2。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 hd mi 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

19、了测试时间，降低了测试成本。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。4参考文献：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.作者简介：相海飞（1984- ），硕士生，研究方向为系统级封装及测试； 刘丰满（1980- ），助理研究员，研究方向为并行光通信、系统级封装；宋 见（1984- ），助理研究员，研究方向为并行光通信、系统级 封装；万里兮（1955- ），博士生导师，研究员，研究方向为无线通信、系 统级封装等。小结本文提供了一种 hdmi 光缆

22、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5责任编辑：孙 卓收稿日期：2011-04-24（上接第 29 页）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