如何進(jìn)行HDMI測量

羅德與施瓦茨公司的Klaus Schiffner先生解釋了HDMI是什么，以及應(yīng)怎樣評估它。通過舉例方式，他介紹了如何使用RS UPP音頻分析儀進(jìn)行HDMI測試。

高分辨率多媒體接口(High-Definition Multimedia Interface, HDMI)已經(jīng)成為消費(fèi)類電子行業(yè)的必備標(biāo)準(zhǔn)。該接口允許在一根電纜上承載音頻信號(hào)和視頻信號(hào)，以及信息幀(InfoFrames)。要在該接口上測量音頻，測試儀器必須能夠生成和評估整個(gè)HDMI格式的測試信號(hào)，包括視頻信號(hào)。

HDMI是消費(fèi)類電子行業(yè)數(shù)字視頻接口(Digital Visual Interface, DVI)的進(jìn)一步發(fā)展，2003年首次出現(xiàn)在市場上。與DVI不同，它也傳送音頻信號(hào)。該接口精簡了電纜，簡化了多媒體設(shè)備操作。按照電影行業(yè)要求，它在很大程度上能夠防止非法復(fù)制數(shù)字視頻影片。由于屏幕分辨率增加和色彩還原能力提升，使得HDMI傳輸帶寬也大大增加。此外，如今用戶有可能通過HDMI，采用單一遠(yuǎn)程控制，操作所有連接的設(shè)備。這種能力也被整合進(jìn)HDMI標(biāo)準(zhǔn)。

圖1：要進(jìn)行HDMI音頻分析，必須生成和分析視頻和音頻數(shù)據(jù)。本圖所示為羅德與施瓦茨公司的UPP音頻分析儀，它能夠使用RS UPP音頻分析儀同時(shí)對多達(dá)8條環(huán)繞聲道進(jìn)行HDMI測試。

目前的HDMI版本1.4b支持雙向數(shù)據(jù)傳輸(使用音頻回傳通道)，采用新的無損壓縮音頻編碼方法，和以太網(wǎng)連接通道。隨著新定義微型HDMI連接器的出現(xiàn)，該接口逐漸找到連接移動(dòng)電話和便攜式音頻設(shè)備的方法，新推出的鎖定式連接器使其現(xiàn)在也能在車輛中使用。所有這些特點(diǎn)使HDMI成為音頻和視頻領(lǐng)域最成功和最通用的連接器系統(tǒng)。所有先進(jìn)的電視機(jī)、DVD和Blu-ray播放器、A/V接收機(jī)和游戲機(jī)通過HDMI電纜相互連接。帶環(huán)繞聲的數(shù)字多聲道音頻信號(hào)和高清晰度電視信號(hào)可以在同一根電纜上傳輸。

眾多接口

消費(fèi)類電子產(chǎn)品制造商在開發(fā)、測試和生產(chǎn)他們的設(shè)備和音頻芯片過程中要全面測量音頻。如果產(chǎn)品配有HDMI接口，制造商需要能夠測試音頻信號(hào)，以及傳輸InfoFrames信號(hào)和視頻信號(hào)的音頻分析儀。此外，音頻分析儀必須能夠提供所有常規(guī)音頻接口：

● 幾路用于測試揚(yáng)聲器輸出信號(hào)、耳機(jī)輸出信號(hào)和前置放大器輸出信號(hào)的模擬通道XLR輸入

● 采用S/P DIF格式(索尼/飛利浦?jǐn)?shù)字接口)，連接器為BNC和TOSLINK的數(shù)字音頻接口

● 用于在發(fā)送和接收兩個(gè)方向上多聲道音頻IC測試的數(shù)字I2S接口(IC間音頻接口)

測試要求相差很大。測試儀器必須可配置以應(yīng)對任何接口組合。音頻分析儀必須能夠發(fā)送I2S信號(hào)給芯片，并接著分析芯片的HDMI輸出結(jié)果。音頻分析儀把HDMI測試信號(hào)加到A/V接收機(jī)輸入，然后測試該接收機(jī)模擬揚(yáng)聲器輸出或耳機(jī)輸出的音頻質(zhì)量。數(shù)字輸出可通過S/P DIF電纜或HDMI音頻回傳通道測試。例如，除了核實(shí)正確通道分配以外，環(huán)繞聲傳輸?shù)囊纛l分析還包括音頻信號(hào)是否能夠正確傳送。

全面音頻測量

HDMI區(qū)分為雙通道和8通道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。采用8通道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最多8路數(shù)字音頻信號(hào)(環(huán)繞聲道)被當(dāng)作線性PCM數(shù)據(jù)傳送，其中PCM數(shù)據(jù)字長最多24位，采樣率最高192kHz。HDMI也可以傳送壓縮的數(shù)據(jù)流，包括使用Dolby技術(shù)的壓縮流。

快速和高效測試8通道傳輸需要測試儀器具有8條并行的通道。音頻分析儀能夠同時(shí)生成多達(dá)8路HDMI或I2S格式的獨(dú)立測試信號(hào)，或者它能夠并行測量多達(dá)8路HDMI、I2S或模擬輸入信號(hào)。不同于專用HDMI測試儀，音頻分析儀提供全面的音頻信號(hào)測試，包括諸如電平、頻率響應(yīng)、串?dāng)_、SNR、THD+N和相位等參數(shù)。此外，它可以生成用于交調(diào)測量的正弦信號(hào)和多音頻信號(hào)，以及突發(fā)信號(hào)和噪聲信號(hào)，并播放話音信號(hào)和音樂信號(hào)。最先進(jìn)的音頻分析儀能夠：

● 播放Dolby Digital和Dolby Digital Plus編碼數(shù)據(jù)流，并將其解碼執(zhí)行實(shí)時(shí)測量

● 分析調(diào)制系數(shù)

● 測量差頻失真(Difference Frequency Distortion, DFD)、直流電壓和群延時(shí)

● 實(shí)現(xiàn)以毫赫茲的分辨率同時(shí)對8條通道執(zhí)行快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)

● 顯示時(shí)域軌跡

FFT分析提供信號(hào)的詳細(xì)頻譜表示，在測量總諧波失真和噪聲(THD+N)時(shí)，F(xiàn)FT分析可用于檢測個(gè)別噪聲分量。

圖2：例如，具有4個(gè)HDMI端口的RS UPP-B4選件，可與RS UPP音頻分析儀一起用于HDMI測試。 如何用RS UPP音頻分析儀測量視頻

HDMI采用通用幀結(jié)構(gòu)傳送音頻和視頻數(shù)據(jù)。該接口適合所有常見的視頻格式，可達(dá)到最高分辨率。為了能夠測試采用全HDMI數(shù)據(jù)流的被測設(shè)備，HDMI測試儀器也需要能生成和分析視頻數(shù)據(jù)。根據(jù)要求，用于HDMI測量的音頻分析儀必須能夠可配置其顏色和顏色深度，生成單色或多色、靜態(tài)或移動(dòng)測試圖案。

例如，RS UPP音頻分析儀能夠生成符合CEA-861-E視頻標(biāo)準(zhǔn)、最大分辨率為1920x1080像素的測試圖案。一些制造商在測量中需要更復(fù)雜的視頻測試信號(hào)。在這種情況，用戶可以通過HDMI接口輸入他們自己的視頻測試序列。RS UPP分析儀接著將圖像數(shù)據(jù)與音頻測試信號(hào)相結(jié)合，并作為單一HDMI數(shù)據(jù)流傳送它們到被測設(shè)備。

在相反方向，音頻分析儀接收所有HDMI數(shù)據(jù)并分析音頻內(nèi)容。在最簡單場景，傳送的視頻信號(hào)質(zhì)量可在連接的屏幕上直觀評估。RS UPP音頻分析儀也測量視頻參數(shù)，如像素時(shí)鐘、行同步(HSync)頻率和場同步(VSync)頻率，顯示時(shí)序參數(shù)，以及確定在HDMI視頻傳輸路徑范圍內(nèi)的位誤碼率(Bit Error Rate, BER)。使用口型同步功能可以測量視頻信號(hào)和音頻信號(hào)間的時(shí)間偏差。

圖3：HDMI視頻時(shí)序測定。

物理HDMI數(shù)據(jù)通道

在HDMI中，數(shù)據(jù)在源端和接收端之間傳送。例如，Blu-ray播放器是源端;電視監(jiān)視器是接收端。在HDMI電纜內(nèi)，音頻和視頻數(shù)據(jù)，以及InfoFrames數(shù)據(jù)是在源端和接收端間4條最小過渡差分信號(hào)(Transition-Minimized Differential Signaling, TMDS)線路上傳送。在顯示數(shù)據(jù)通道(Display Data Channel, DDC)內(nèi)的單獨(dú)線路上，HDMI設(shè)備交換加密的信息和普通信息以便于互聯(lián)。用戶電子控制(Consumer Electronics Control, CEC)數(shù)據(jù)總線攜帶兩個(gè)方向上所有連接的HDMI設(shè)備的遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)，HDMI以太網(wǎng)音頻控制(HDMI Ethernet Audio Control, HEAC)線路發(fā)送HEMI以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和音頻回傳通道數(shù)據(jù)。

圖4：HDMI連接中的物理通道。

HDMI InfoFrame

HDMI大量使用InfoFrame。由源設(shè)備描述InfoFrame內(nèi)容，如包含有關(guān)HDMI源的通用信息，輔助視頻InfoFrame向HDMI接收端提供大量信息，包括正在傳送的視頻格式、顏色深度和顏色范圍。

HDMI測試儀應(yīng)能夠生成所有這些數(shù)據(jù)，以匹配輸出的HDMI測試信號(hào)。也應(yīng)能夠讓用戶編輯InfoFrame數(shù)據(jù)和刻意發(fā)送不正確的數(shù)據(jù)給被測設(shè)備，以便確定被測設(shè)備是否正確識(shí)別出錯(cuò)誤并做出HDMI規(guī)范要求的更正。

HDMI顯示數(shù)據(jù)通道

增強(qiáng)的擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù)(Enhanced Extended Display Identification Data, E-EDID)分組和高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(High-bandwidth Digital Content Protection, HDCP)數(shù)據(jù)加密密鑰信息在顯示數(shù)據(jù)通道(Display Data Channel, DDC)上傳送。分析儀必須能夠自動(dòng)解密HDMI信號(hào)以便執(zhí)行測量。

E-EDID分組向HDMI源提供所連接HDMI接收器支持的視頻格式和音頻格式信息。音頻分析儀讀取被測設(shè)備的E-EDID信息，并以適當(dāng)格式建立HDMI測試信號(hào)。相反，分析儀可以向被測設(shè)備提供它的E-EDID信息。如果需要，用戶可以改變音頻分析儀的E-EDID信息，以測試被測設(shè)備將如何響應(yīng)。這些分析功能非常全面，所以測試工程師不需要專用的HDMI協(xié)議測試儀。 HDMI用戶電子控制(CEC)

使用雙向用戶電子控制(CEC)數(shù)據(jù)線，多個(gè)HDMI設(shè)備可由單一遠(yuǎn)程控制操作。在音頻測量期間，這條數(shù)據(jù)的發(fā)送不應(yīng)改變。

HDMI以太網(wǎng)音頻控制(HEAC)

HEAC線路包括音頻回傳通道(Audio Return Channel, ARC)和HDMI以太網(wǎng)通道(HDMI Ethernet Channel, HEC)。ARC使音頻信號(hào)能夠從電視發(fā)送到A/V接收機(jī)，例如，在多媒體系統(tǒng)中通過揚(yáng)聲器輸出音頻。再例如，RS UPP音頻分析儀能夠生成和分析ARC上的音頻數(shù)據(jù)。HEC使HDMI設(shè)備能夠訪問互聯(lián)網(wǎng)上的內(nèi)容。該分析儀需要有適當(dāng)雙工數(shù)據(jù)連接來測試以太網(wǎng)功能。

案例：電視接收器測試

HDMI接收器測試的典型例子是通過電視機(jī)自有的HDMI接口對電視機(jī)進(jìn)行鑒定。音頻分析儀生成HDMI格式的測試信號(hào)，并發(fā)送測試信號(hào)到被測設(shè)備。對于8通道HDMI，這意味著8路并行的音頻信號(hào)。

聽音測試通常足以驗(yàn)證通道分配是否正確。在更精確的測試中，電視音頻信號(hào)或者采用模擬格式經(jīng)揚(yáng)聲器輸出或耳機(jī)輸出返回給測試儀器并交由儀器分析，或者采用數(shù)字格式經(jīng)S/P DIF電纜返回給測試儀器并交由儀器分析。

通過分析E-EDID數(shù)據(jù)內(nèi)容，可驗(yàn)證被測設(shè)備對傳送的音頻和視頻InfoFrames數(shù)據(jù)內(nèi)容的響應(yīng)。對于視頻質(zhì)量視覺分析，測試儀檢驗(yàn)顯示的圖像數(shù)據(jù)是否無錯(cuò)誤。

圖5：電視監(jiān)視器的HDMI接收器測試。

案例：A/V接收機(jī)測試

因?yàn)锳/V接收機(jī)既有HDMI輸入又有HDMI輸出，需要在兩個(gè)方向上對所有A/V輸入和輸出進(jìn)行測試。音頻分析儀生成完整的HDMI測試信號(hào)，包括音頻、視頻和數(shù)據(jù)內(nèi)容。當(dāng)在HDMI上輸入此測試信號(hào)時(shí)，音頻信號(hào)在A/V接收機(jī)中處理，接著被發(fā)送到各個(gè)輸出。然后可以在揚(yáng)聲器輸出、耳機(jī)輸出或前置放大器輸出中以模擬格式測量這些音頻信號(hào)。為了測試數(shù)字輸出，分析儀必須提供與A/V接收機(jī)相同的接口。除了S/P DIF接口外，這些接口是用于同軸電纜的RCA端口，和/或用于光纖電纜的TOSLINK連接器。測試儀器可以比較輸入信號(hào)與先前生成的HDMI信號(hào)差別。

如果分析儀以相反方向輸入音頻/視頻測試信號(hào)到被測設(shè)備，例如通過S/P DIF接口，分析儀可以通過模擬輸出或通過HDMI接口，接收和測試相關(guān)輸出信號(hào)。

圖6：A/V接收機(jī)的HDMI端到端測試。

采用數(shù)據(jù)壓縮，如使用Dolby Digital方法或Dolby Digital Plus方法，尤其是在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中已經(jīng)廣泛使用。為了測試A/V接收機(jī)是否正確解壓縮數(shù)據(jù)，分析儀必須能夠生成該類數(shù)據(jù)。

為確保A/V接收機(jī)按照HDMI規(guī)范工作，也可以測試當(dāng)HDMI InfoFrames不正確或不匹配時(shí)，A/V接收機(jī)如何響應(yīng)。出于這個(gè)原因，HDMI測試數(shù)據(jù)必須可編輯。

有了正確的音頻分析儀，用戶常常不需要額外的測試/測量設(shè)備，如HDMI協(xié)議測試儀,所有重要測試便可在一臺(tái)儀器上完成。這樣一來，占用的空間和成本都可以顯著減少。