HDMI/DisplayPort 物理層概要と測定勘所

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HDMI/DisplayPort 物理層概要と測定勘所

キーサイト・テクノロジー電子計測本部アプリケーションエンジニアリング部門 2016年1月20日

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本日の内容

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 2

ディスプレイ・インタフェース規格最新動向

HDMI

DisplayPort

ディスプレイ・インタフェース測定評価の課題とデバッグ

事例

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ディスプレイ・インタフェース Over 5Gbpsの測定に向けて

1. 規格のポイントを理解して、コンプライアンステストに

備える

2. デバッグも見越した適切な測定ツールのご準備を

3. 困ったときに頼れるパートナーを持つ

コンプライアンステスト

データレートが倍に！

イコライザ

スキュー

ジッタ

インピーダンス

相互接続性

SD

HD 4K

8K

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HDMI規格の概要

TMDS: メインリンク（映像、音声）

DDC: EDID情報

CEC: 機器間の制御

HPD: Hot Plug Detect

Utility:

HEAC(HDMI Ethernet and

Audio return Channel)に使用

TMDS 差動100Ω +3.3V pull up DC結合 TMDS Data0 TMDS Data1 TMDS Data2 TMDS Clock Main Link DDC CEC Utility HPD

Source

Sink

HDMI 1.4b

最大データレート3.4Gbps

HDMI 2.0a

最大データレート 6Gbps

4k2k 50/60Hz

既存ケーブルの利用

HDRに対応 (HDMI 2.0a)

Power

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HDMI信号の波形例

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 5 Clock D0 D1 D2 Clockおよびその10倍(HDMI1.4b)または40倍(HDMI 2.0a)のデータレートのD0～D2

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HDMI2.0規格の概要

 HDMI 2.0スペック 2013年9月アナウンス

4k2k 50/60Hzをサポート

18Gbpsへの帯域拡張（1chあたり6Gbps）

新たなコネクタ、ケーブルは定義されない

既存ケーブルで高速データレートに対応

Video、Audio、CECの拡張

Up to 32 audio channels

Up to 1536kHz audio sample frequency Dual viewing

Multi-stream audio CEC extensions 21:9 Aspect Ratio

Dynamic Auto Lip-Sync

コンプライアンステストは、2.0, 1.4b両方実施する必要がある最新規格は、HDMI 2.0a HDRの追加 PHYは変更無し

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Premium HDMI Cableプログラム

• HDMI 2.0 4K伝送に対応した新たなケーブル認証プログラムを開始

（Oct. 2015）

– ケーブル仕様は従来と同等だが、18Gbps伝送に対応する新たな検証テ

ストを追加

• アイ波形テスト

• EMIテスト

– 認証を取得したメーカは「Premium High Speed HDMI Cables」のロゴ

を付けて販売可能

Premium HDMI Cableテストの推奨テスト機器

Keysight Advanced Design System(ADS)ソフトウェア Keysight E5071C

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DisplayPort規格の概要

• Main Link

– 高帯域の主信号、一方向伝送

– レーン数は1、2または4 の可変

– ビットレートHBR 2.7GbpsまたはRBR

1.62Gbpsで固定

– HBR2 - 5.4Gbps (DP 1.2)

– HBR3 - 8.1Gbps (DP 1.3)

• AUX Channel

– PC-ディスプレイ間の制御ch

– 双方向伝送

– 1Mbps

– FAUX - 720Mbps (DP 1.3で廃止)

• Hot Plug Detect

– 機器の接続検出

Hot Plug Detect

Data - 1.62 / 2.7 / 5.4 / 8.1 Gbps Data - 1.62 / 2.7 / 5.4 / 8.1 Gbps Data - 1.62 / 2.7 / 5.4 / 8.1 Gbps Data - 1.62 / 2.7 / 5.4 /8.1 Gbps Aux Channel Source Sink

USB Type Cコネクタ

Alternate modeの追加

Embedded DisplayPort (eDP)も規定 最新スペック eDP 1.4a

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Alternate Mode

USB3.1で規定されたUSB Type Cコネクタを使用し、

DisplayPort, Thunderbolt, MHL等を伝送可能とする拡張仕様

Power Delivery (PD) communication channelを用いて、ダイ

ナミックに切替可能

SSTX1 SSRX1 SSTX2 SSRX2 USB2.0 SBU1/2 CC/Vconn VBUS GND USB Type-C connector USB Type-C connector ID SSTX1 SSRX1 SSTX2 SSRX2 USB2.0 SBU1/2 CC, HPD/Vconn VBUS GND USB Type-C connector USB Type-C connector ID DisplayPort Source DisplayPort Sink

Type C to Type C USB 3.1 Type C to Type C DP Alternate Mode

DP Lane 2 DP Lane 3 DP Lane 1 DP Lane 0

AUX+, AUX-

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DisplayPort Alternate Mode

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 10 SSTX1 SSRX1 SSTX2 SSRX2 SBU1/2 CC USB Type-C connector DisplayPort connector ID DisplayPort Source Legacy DisplayPort Sink DP Lane 2 DP Lane 3 DP Lane 1 DP Lane 0 AUX+, AUX-

USB Type C to DisplayPort Adapter Cable

USB Type C to HDMI/DVI/VGA Adapter Cable

Vconn PD logic HPD SSTX1 SSRX1 SSTX2 SSRX2 SBU1/2 CC USB Type-C connector HDMI, DVI or VGA Connector ID DisplayPort Source

HDMI, DVI or VGA Sink DP Lane 2 DP Lane 3 DP Lane 1 DP Lane 0 AUX+, AUX- Vconn PD logic _HPD DisplayPort To HDMI, DVI or VGA Converter

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USB Type-C Receptacle Pins

HDMI/DisplayPort物

理層概要と測定勘所 11

GND _Power _Power GND

Port 1 RX/TX pairs Port 2 RX/TX pairs USB2.0

Sideband Utility pins (Alt Mode Operation)

CC pins (Orientation Logic, Power Delivery Communication

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USB Type-C Alternate Mode Process

HDMI/DisplayPort物

DFP-U UFP-U or Cable

DP Mode Supported?

For DisplayPort SID

N

Y

DisplayPort Alternate Mode

Stay in USB mode

Exit Mode, PD Hard Reset, Cable unplugged or Power removed

Return to USB mode

Y

N

PD Message

Structured VDM

(VDM: Vendor Defined Message)

Header

Message type =1111 VDM Header 0-6 VDOs

Vendor Defined Message

Bit(s) Field

B31..16 Standard or Vendor ID (SVID) B15 VDM Type B14..13 Structured VDM Version B12..11 Reserved B10..8 Object Position B7..6 Command Type B5 Reserved B4..0 Command VDM Header

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DisplayPort Alternate Mode実装の課題

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 13 USB Controller DisplayPort Source Lane 2 Lane 3 Lane 1 Lane 0 SSTX SSTX SSTX SSTX USB 2.0 SSTX SSTX SSTX SSTX USB 2.0 USB 2.0 USB T y p e C Rece p ta cle MUX/ Configuration Switch コネクタ上下フリップ、Alt mode切替用スイッチのロスも含めて信号品質を担保する必要がある

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本日の内容

ディスプレイ・インタフェース規格最新動向

HDMI

DisplayPort

ディスプレイ・インタフェース測定評価の課題とデバッグ

事例

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HDMI2.0 変更点

HDMI Sink

HDMI

Source

Reference

Cable Model

TP2

EQ

TP2_EQ

TP1

HDMI2.0 Reference EQ

• 新たなケーブルスペックは定義されない＝HDMI 1.4b Cat.2ケー

ブルを使用してHDMI 2.0信号を伝送

– ソース機器出力波形、ジッタ：

TP2 + EQ

で定義

– Reference Cable Modelに大きな

Intra-pair skew

を含む

• ソース機器、シンク機器にとって、より厳しい仕様

– ソース機器、シンク機器ともに差動インピーダンス仕様を明確化（

電源

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HDMI2.0 ソース機器測定構成

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 16 Ck+ Ck- D0+ D0- D1+ D1- D2+ D2- +3.3V Probe Head Probe Head Probe Head Probe Head Probe Head Probe Head Ck+ Ck- D0+ D0- D1+ D1- D2+ D2- TPA-P シングルエンド接続 Source DUT N5399C/D HDMI測定ソフト TP1 TP2 TP2+EQ

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HDMI2.0 トラブル事例

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 17 HDMI 2.0出力 Clock 148.5MHz、Data 5.94Gbps

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HDMI2.0 トラブル事例

HDMI/DisplayPort物

Jitter Trend波形とTx ICへの供給電圧の相関を見る

Clock

Jitter Trend

Tx IC 供給電圧

Jitterが約1MHz周波数で変動 IC供給電圧の変動が原因であることが判る電源回路を対処することで電圧変動が抑圧され、Jitterも小さくなった

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HDMI2.0 トラブル事例

HDMI/DisplayPort物

Clock Jitterは余裕をもってPASS Data Eyeも改善

改善前

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シンク機器測定

規格テスト以外の条件でもテストしたい

マージン評価が必要

TP2_EQ

Keysight M8190A 任意波形発生器

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シンク機器測定ソフトウェア

ジッタのマージンテストも簡単に実施可能ジッタ周波数、ジッタ量、ケーブルエミュ

レータをフレキシブルに設定可能

変更したいときに、すぐに計算して変更可能！

N5990A Valiframe for HDMI

HDMI Frame Generator BIT-2010-0005-0

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インピーダンス測定の重要性

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 22 A B C Tx

多重反射 = 波形の乱れ

ICの電源ON状態でのインピーダンス測定が必須

（Hot TDR）

Rx D E

HDMI 2.0 ソース機器、シンク機器

(HDMI 1.4bではシンク機器のみ、電源OFF状態で測定)

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インピーダンス測定の課題

Txからの信号波形の影響

・出力信号が測定結果を乱す

バイアス印加

・+3.3V印加必要・バイアス-T等外付け部品の影響

立上り時間 (Tr )の設定

・テストフィクスチャ端での正確な設定・デバッグ用途に、より短いTr設定 t _t t Tx

Keysight E5071C ENA-TDR

狭帯域レシーバでTx出力の影響を

最小化

バイアスTを内蔵し、DC電源を接

続するだけでバイアス電圧印加可

E-calによる正確、簡単なキャリブ

レーション

立ち上がり時間波形を見ながら、

GUIの設定で簡単に調整可能

測定器

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ネットワークアナライザによるHot TDR測定の例

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 24 Txからの出力信号

IF BW = 300kHz

_{IF BW = 1kHz}

レシーバの帯域幅(IF BW)を狭め ることで、Txの出力信号の影響を 最小化できる freq IF BW Tx出力信号の影響で測定結果が安定しない

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立ち上がり時間の設定の重要性とデバッグ事例

HDMI/DisplayPort物理層概要と測定勘所 25 85ohm以下の時間が長すぎてFAIL FAIL _{時間分解能を上げて、} 対処法をみつける ICの終端インピーダンスを高く基板のインピーダンスを高く Tr=200ps _Tr=50ps

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DisplayPort ソース機器測定構成

HDMI/DisplayPort物

U7232C DisplayPort Software

Type C Alternate Mode

Source DUT

PD controller

CC Unigraf AUX ch controller

Wilder Technologies DisplayPort Plug Adapter Source

DUT

Keysight Infiniium Oscilloscope

Normal DP or mini DP connectors

Unigraf AUX ch controller

Keysight Infiniium Oscilloscope

Keysight N7015A

USB Type C Test Fixture

Keysight N7016A

Type C Low Speed Fixture

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eDP 測定セットアップ

Tx

Rx

Tx

ケーブル eDPテストフィクスチャ 1) Tx- Rx接続状態で途中またはRx IC端の信号をプロービング 2) Tx単体で、テストフィクスチャを使用し測定 Unigraf DPR-100

eDP1.4aのFlexible data rateに対応

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必要となる測定器まとめ HDMI

ソース機器波形測定

シンク機器測定

ソース、シンク

インピーダンス測定

ケーブル測定

Vシリーズ、90000A/Xシリーズ

オシロスコープ

帯域8GHz以上

(HDMI 1.4b)

帯域13GHz以上

(HDMI 2.0)

M8190A AWG

またはParBERT

E5071C ENA-TDR

オシロスコープソフトウェア： N5399C/D

シンク機器測定用ソフト： N5990A-150 (ParBERT)、 N5990A-151 (AWG)

その他、関連アクセサリ、テストフィクスチャが必要

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必要となる測定器まとめ DisplayPort

ソース機器波形測定

シンク機器測定

ケーブル測定

Vシリーズ、 90000A/Xシリーズ

オシロスコープ

8GHz以上 (1.62/2.7Gbps)

13GHz以上(5.4Gbps)

TBD (8.1Gbps)

M8020A J-EBRT

or N4903B J-BERT

or 81250A ParBERT

E5071C ENA-TDR

オシロスコープソフトウェア： U7232C (DisplayPort)、N6469A (eDP)

シンク機器測定用ソフト： N5990A-155

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まとめ

ディスプレイ・インタフェース規格最新動向

HDMI2.0a、DisplayPort1.3、ともにOver 5Gbps

USB Type C Alternate Mode (DisplayPort)

ディスプレイ・インタフェース測定評価の課題とデバッグ

事例

テストポイントの変更とソース、シンク機器により厳しい規格

ネットワークアナライザによるHot TDR測定

1. 規格のポイントを理解して、コンプライアンステストに備える

2. デバッグも見越した適切な測定ツールのご準備を

3. 困ったときに頼れるパートナー：

キーサイトテクノロジー

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ご清聴ありがとうございました

HDMI/DisplayPort物