邁向 8K 視界：全面解析 HDMI 2.1 TMDS 發射器相容性測試與訊號完整性挑戰
- Sonya Chan
- 1月12日
- 讀畢需時 7 分鐘
隨著消費性電子市場對於超高畫質影音體驗的追求永無止境，從電競螢幕的高刷新率需求到家庭劇院的 8K 解析度普及，傳輸介面的頻寬壓力正以前所未有的速度增長，HDMI（高畫質多媒體介面）作為影音傳輸的業界標準，為了應對這些龐大的數據傳輸輛，其技術規範也不斷演進。
然而，更高的傳輸速率也帶來更嚴苛的訊號完整性（Signal Integrity, SI）挑戰，對於晶片開發商與系統整合商而言，如何確保產品能夠在高速傳輸下保持穩定的訊號品質，並通過嚴格的相容性測試（Compliance Test），成為了產品能否順利上市的關鍵；在當前的測試環境中，傳統的手動量測已無法滿足複雜的規範要求，自動化、精確且具備強大除錯能力的測試解決方案成為了研發實驗室的標準配備，本文將深入探討 HDMI 2.1 TMDS 架構下的測試挑戰，並解析先進的自動化測試流程與除錯技術。
高速數位介面的測試新常態
在過去的 HDMI 1.4b 時代，頻寬需求相對較低，訊號餘裕度較大，但隨著 HDMI 2.1 規範的推出，即便是基於 TMDS（最小化傳輸差分訊號）技術的傳輸模式，其訊號時序與電氣特性的容錯空間也被大幅壓縮。
設計工程師現在面臨的挑戰不僅僅是「通過測試」，更在於如何快速定位失敗原因，是時鐘抖動（Jitter）過大？還是電路板走線造成的訊號衰減？亦或是連接器處的阻抗不匹配？為了解決這些問題，現代的測試儀器必須具備極高的頻寬與即時分析能力，高效能的 示波器 搭配專用的相容性測試軟體，已成為驗證 HDMI 發射器（Transmitter, TX）品質的唯一途徑 。
自動化測試的核心：R&S ScopeSuite
面對 HDMI 論壇所制定的通用相容性測試規範（Generic Compliance Test Specification, GCTS），手動執行數十甚至數百個測試項目是不切實際的，現代測試方案的核心在於「自動化流程」。
Rohde & Schwarz 所開發的 R&S ScopeSuite 軟體，正是為了簡化這一複雜流程而生，它不僅僅是一個執行腳本的工具，更是一個完整的測試管理平台，該軟體能夠完全控制連接的 示波器，確保所有的量測參數（如取樣率、頻寬限制、垂直刻度）都嚴格遵循測試規範標準 。
支援多重標準的彈性架構
一個優秀的測試實驗室往往需要應對多種標準，ScopeSuite 的介面設計允許使用者在同一平台上管理包括 HDMI 2.1 TMDS 與 HDMI 1.4b 在內的多種數位介面標準測試，透過直觀的首頁選單，工程師可以快速切換測試專案，這對於同時維護新舊產品線的廠商來說極具價值 。
深入解析：HDMI TX 關鍵測試項目
要確保 HDMI 發射器的品質，必須通過一系列嚴格的物理層測試，這些測試主要可以分為四大類：時脈特性、電氣特性、時序特性以及最重要的眼圖分析。
電氣特性與時脈分析 (Electrical & Clock Analysis)
這是測試的基礎，主要驗證訊號的電壓準位是否符合定義，例如單端與差分電壓擺幅（Voltage Swing），此外時脈訊號是同步數據傳輸的心臟，任何時鐘的不穩定都會直接導致數據錯誤。
時脈責任週期（Clock Duty Cycle）： 確保時脈的高電位與低電位時間比例正確 。
時脈抖動（Clock Jitter）： 這是高頻傳輸的大敵，測試需分析時鐘訊號在時間軸上的偏差，過大的抖動會導致接收端無法正確鎖存數據 。
時序與偏移測試 (Timing and Skew)
HDMI 傳輸由多個通道（Lane）組成，除了單一通道內的訊號品質外，通道之間的同步性至關重要。
對內偏移（Intra-Pair Skew）： 指的是同一個差分對（Differential Pair）中，正負兩條訊號線的傳輸時間差。如果兩條線長度不匹配，會導致差分訊號變形，直接破壞眼圖 。
對間偏移（Inter-Pair Skew）： 指的是不同數據通道（例如 Data 0 與 Data 1）之間的傳輸時間差，如果偏移過大，接收端將無法正確重組並行的像素數據，導致畫面撕裂或色彩錯誤 。
數據眼圖測試 (Data Eye Diagram)
眼圖是評估高速訊號品質最直觀的工具，它將無數個位元的訊號疊加在一起，形成像眼睛一樣的圖形。
眼高與眼寬（Eye Height/Width）： 眼睛張得越開，代表訊號雜訊越小，抖動越少，接收端越容易判讀。
遮罩測試（Mask Test）： 規範定義了一個禁止進入的「遮罩區域」，如果訊號波形觸碰到這個區域，即判定為測試失敗（Fail）。
避免人為失誤：圖像化導引設置
即便擁有強大的 示波器，錯誤的接線方式仍是導致測試失敗的主因之一，HDMI 測試涉及複雜的探棒連接、EDID 模擬器設置以及終端電阻匹配。
R&S ScopeSuite 提供了一個非常人性化的功能：詳細的圖像化連接指引（Image-based instructions），在執行每一個測試步驟前，軟體會顯示當前所需的硬體配置圖，明確指出探棒應連接至測試治具（Fixture）的哪一個位置，以及 EDID 模擬器應如何介入，這種設計大幅降低了設置相關的錯誤，確保測試結果的一致性 。
超越測試：強大的除錯與訊號分析技術
當產品通過測試時，一切都很美好；但當測試失敗時，真正的挑戰才剛開始，單純的「Pass/Fail」報告對於解決問題毫無幫助，這時，就需要依賴高階示波器的進階分析功能。
硬體時脈資料恢復（Hardware CDR）的優勢
在進行眼圖分析時，必須從數據流中恢復出時脈訊號（Clock Data Recovery, CDR），傳統的示波器多採用軟體運算來進行 CDR，這表示需要先擷取波形，再透過後處理計算，這種方式耗時且效率低，尤其是當需要分析大量波形時，等待時間會變得非常漫長。
Rohde & Schwarz 的 R&S RTP 系列 示波器 提供了獨特的硬體 CDR 選配功能（R&S RTP-K136/K137），它能夠以硬體電路即時追蹤輸入訊號的漂移，進行即時的位元切片（Bit Slicing）。
速度優勢： 相比軟體後處理，硬體 CDR 大幅縮短了測試時間。
即時性： 能夠連續追蹤訊號變化，這對於捕捉偶發性的抖動或漂移至關重要 。
去嵌入（De-embedding）與訊號校正
在高速測試中，測試治具（Fixture）、電纜甚至探棒本身都會對訊號造成衰減和反射，這些「非待測物」的效應會讓量測結果比實際情況更差，為了還原 DUT（待測物）真實的輸出訊號，必須使用「去嵌入」技術。
R&S RTP-K122 即時去嵌入選項允許工程師輸入治具或電纜的 S 參數（S-parameters），示波器會在數學上移除這些路徑造成的損耗，反之，如果需要模擬長電纜傳輸後的訊號狀況，也可以使用嵌入（Embedding）功能來模擬通道損耗，這使得工程師可以在不更換實體線路的情況下，預測訊號在不同環境下的表現 。
抖動與雜訊分解（Jitter and Noise Decomposition）
如果眼圖閉合，原因是什麼？是隨機雜訊（Random Noise）太大？還是確定性抖動（Deterministic Jitter）失控？ 透過 R&S RTP-K133/K134 選項，示波器可以將總抖動分解為各個組成部分，這項功能可以幫助工程師追根究底：
如果週期性抖動（Periodic Jitter）很高，可能源自於開關電源的干擾。
如果數據相關抖動（Data-Dependent Jitter）很高，可能源自於走線的碼間干擾（ISI）。
此外，系統還能計算並顯示誤碼率（BER）的浴缸曲線（Bathtub Curve），提供更深層的統計分析 。
完整的連接解決方案：從探棒到 EDID 模擬
除了核心的量測儀器，周邊配件的品質同樣決定了測試的準確度，HDMI 測試需要專用的測試點轉接器（Test Point Adapters, TPAs），R&S 與業界領先的 Wilder Technologies 合作，提供高品質的 TPA 治具與終端模組，確保訊號從待測物到 示波器 的路徑保持最佳的阻抗匹配 。
此外，為了讓發射器輸出正確的訊號，必須欺騙它「已連接到顯示器」，這就需要 EDID 模擬器，ScopeSuite 整合了 Allion（百佳泰）、Wilder Technologies 與 GRL 等主流廠商的 EDID 模擬器，使用者可以直接在軟體中控制這些模擬器，甚至可以選擇手動操作模式，以獲得對待測物更完全的控制權，這種開放且整合的生態系，給予了工程師極大的測試彈性 。
以精確量測加速產品上市
在 8K 與高更新率顯示技術快速普及的今天，HDMI 2.1 TMDS 的相容性測試不再只是一個選項，而是確保產品競爭力的必要條件，從複雜的 GCTS 規範到微小的訊號抖動分析，每一個環節都考驗著研發團隊的技術能力與設備水準。
Rohde & Schwarz 的 HDMI TX 測試解決方案，透過 R&S ScopeSuite 的自動化流程、R&S RTP 示波器 的硬體加速效能，以及完善的除錯分析工具，為工程師提供了一條通往「Pass」的最短路徑，這不僅僅是為了符合標準，更是為了在競爭激烈的市場中，以最快的速度提供消費者最完美的影音體驗，無論是針對 HDMI 2.1 還是延續性的 HDMI 1.4b 產品開發，這套全方位的解決方案都能提供最堅實的品質後盾。
