Ultra High Speed HDMI® 케이블 테스트 가이드

Granite River Labs, GRL
Lucy Chang

최근 몇 년 동안 고해상도 디스플레이의 품질은 여러 가지로 향상되었습니다.  HDMI 2.1 FRL의 출시로 이미지 해상도는 4k@60Hz에서 8k@60Hz로 크게 도약했으며, HDMI 전송 대역폭도 18Gbps에서 48Gbps로 증가했습니다.

이 소식은 매우 반가운 일이지만, 제조업체와 유통업체는 이러한 기술을 따라잡아야 하는 어려운 과제에 직면해 있으며, 특히 퍼스트 무버의 우위를 선점하기 위해서는 더욱 그렇습니다. 디스플레이 카드와 모니터는 하드웨어와 소프트웨어 측면에서 모두 업그레이드가 필요할 뿐만 아니라, 더 높은 대역폭 신호에 대응하여 HDMI 케이블의 신호 전송 손실에 대한 요구도 증가하고 있습니다.

이를 해결하기 위해 HDMI^® Licensing Administrator, Inc.(HDMI LA)는 최대 48Gbps의 Ultra High Speed HDMI® 케이블(UHS 케이블)을 전송하는 카테고리 3 케이블 테스트 사양을 발표했습니다. 이 문서에서는 기술 개발 및 UHS 케이블 테스트의 과제에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

Passive UHS 구리 케이블 및 Active Optical HDMI 케이블

현재 시중에 나와 있는 대부분의 UHS 케이블은 패시브 케이블입니다. 패시브 케이블은 와이어 케이블이라고도 하며 주로 구리선으로 만들어집니다. 이러한 케이블은 카테고리 2 케이블의 제조 기술을 따르며, 그 공정은 성숙 단계에 이르렀기 때문에 저렴한 비용으로 일관되게 수행할 수 있습니다.

그러나 구리선의 가장 큰 단점은 케이블 길이가 짧고 직경이 넓어 고속 신호의 신호 손실이 높아 일반 가정용으로 사용이 제한된다는 점입니다. 그러나 유명 그래픽 카드 브랜드가 TV 및 게이밍 모니터 산업의 호황을 뒷받침하는 고품질 이미지 출력 기술의 출현으로 소비자들은 이제 더 나은 시청각 경험을 즐기고 요구하고 있습니다.

이에 따라 주요 제조업체들은 다양한 멀티미디어 재생 요구 사항을 충족하는 더 길고, 더 얇고, 손실이 적은 케이블을 개발하기 위해 HDMI 케이블에 광섬유 기술을 적용했습니다. 이러한 노력으로 케이블 양쪽에 광전자 변환 부품을 추가하여 HDMI 신호를 손실 없이 전송하는 액티브 옵티컬 HDMI 케이블(AOC HDMI 케이블)이 개발되었습니다. 

AOC HDMI 케이블은 반광섬유와 광섬유 카테고리로 더 세분화할 수 있습니다. 반광섬유 케이블은 고속 신호 쌍 중 4쌍만 광섬유를 사용하고 나머지 저속 핀은 일반 구리선을 사용합니다. 반면에 완전 광섬유 케이블은 모든 핀의 신호를 전송하는 데 광섬유를 사용하지만 HDMI LA는 아직 완전 광섬유 케이블에 대한 테스트 프로그램을 개발하지 않았습니다.

UHS 케이블 테스트 항목 및 예

HDMI LA는 테스트를 위해 와이어 케이블과 액티브 케이블의 두 가지 유형의 케이블을 개발했으며, 후자는 두 가지 유형을 추가로 다룹니다:

• Copper active cables
• Semi-optical cables

그러나 HDMI® LA는 앞서 언급한 완전 광섬유 케이블에 대한 측정 계획을 아직 개발하지 못했습니다. 즉, 제조업체는 아직 이 케이블 범주에 대한 UHS 케이블 인증을 획득할 수 없습니다. 제외된 주된 이유는 테스트 항목의 eARC 테스트 방법이 네트워크 분석기를 사용하여 임피던스, 삽입 손실, 스큐 및 기타 테스트 항목을 측정하기 때문에 전체 광섬유 케이블에는 적용되지 않기 때문입니다.

표 1: UHS 케이블 테스트 항목

많은 제조업체가 UHS 케이블 테스트 사양을 준수하도록 지원한 경험을 바탕으로, 제조업체가 테스트 랩에서 또는 HDMI 2.1 솔루션을 배포할 때 직면하는 가장 일반적인 테스트 문제 몇 가지를 소개합니다.

1. HFR7-1 DC power test: Power on and off Sink

HFR7-1 DC 전원 테스트는 두 가지 테스트 조건으로 나뉘며 제조업체에게 가장 까다로운 테스트 항목 중 하나로 알려져 있습니다. 테스트를 수행하려면 전원이 꺼진 상태와 전원이 켜진 상태에서 케이블을 스크린에 연결하는 시뮬레이션을 수행합니다. 그런 다음 소스 쪽의 + 5V 핀에 전압을 가하고 싱크 쪽의 전압 측정값이 4.7V보다 낮지 않은지 확인합니다.

• Power Off Sink (as shown in Figure 1)
• Power On Sink (as shown in Figure 2)

그림 1: Power Off 싱크 테스트 설정

그림 2: Power On 싱크 테스트 설정

또한 소스 끝에서 케이블이 소비하는 전류는 55mA를 초과하지 않아야 합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 전원 온 싱크 테스트 중에 케이블의 전류 전달 용량과 정상 사용 시 전압 강하를 테스트합니다. IC 칩이 있는 액티브 케이블은 IC 칩을 활성화하기 위해 추가 전원이 필요하므로 전류가 55mA를 쉽게 초과할 수 있습니다. 케이블에 USB 외부 전원 공급 장치를 추가하면 충분한 전력을 공급하여 이 문제를 해결할 수 있습니다.

HFR7-1 테스트 내용에서 USB 외부 전원 공급 장치가 있는 액티브 케이블은 각각 ​​Power Off Sink 및 Power On Sink 조건에서 외부 USB 전원 공급 장치 없이 테스트가 수행됩니다.

UHS 케이블 테스트 사양에 따르면, ​​Power Off 싱크에서 외부 전원 공급 장치를 연결하지 않은 상태에서의 테스트 결과는 참고용입니다. 그 이유는 Power Off 싱크 시나리오에서는 소스 및 싱크가 켜지지 않으며 실제 상황에서 케이블이 양쪽 끝에서 HPD 감지 및 신호를 수신하지 못하기 때문입니다.

그러나 외부 전원 공급 장치를 연결하지 않은 상태에서 Power On 싱크 테스트를 통과해야 두 장치가 모두 활성화된 상태인지 확인하고 케이블이 너무 많은 전류를 소모하여 손상을 입는 것을 방지할 수 있습니다.

그림 3: HFR7-1 테스트 항목

저속 신호 테스트의 경우, DDC 및 CEC 채널의 커패시턴스는 700pF를 초과하지 않아야 합니다. 이는 통과된 저속 신호가 케이블의 높은 정전 용량에 영향을 받지 않도록 하기 위한 것으로, 신호 품질 문제와 디바이스 오판의 원인이 될 수 있습니다. 정전 용량 값은 케이블 길이, 커넥터 설계 및 와이어 연결 설계에 따라 증가하는 경향이 있습니다.

2. HFR7-21 아이 다이어그램 테스트

HFR7-21 아이 다이어그램 테스트는 테스트된 케이블을 통해 수신기 단으로 전송되는 FRL 표준 신호의 품질을 측정하는 데 매우 중요합니다. 기존 TMDS 신호에 비해 FRL 신호는 대역폭이 훨씬 더 높고 전송 손실이 더 크기 때문에 액티브 케이블에 필수적인 테스트입니다.

따라서 이를 보완하기 위해 8단계 연속 시간 선형 이퀄라이저(CTLE)가 HFR7-21의 수신기 단에 추가됩니다. 실제 애플리케이션에서 소스 및 싱크는 최적화된 CTLE에 열차를 연결합니다. 한 스테이지의 CTLE 값이 테스트를 통과할 수 있다면 허용 가능한 것으로 간주됩니다. 그림 4와 5는 다양한 CTLE 값에 대한 테스트 결과를 보여줍니다. 아이 다이어그램의 결과에 따라 고객은 필요한 표준을 충족하도록 액티브 IC 부품의 이퀄라이저를 적절히 조정할 수 있습니다.

그림 4: CTLE = 레벨 1dB의 아이 다이어그램

그림 5: CTLE = 레벨 3dB의 아이 다이어그램

3. HDMI AVcc 전압

액티브 케이블 테스트 중에 직면하는 또 다른 일반적인 문제는 고속 신호의 HDMI AVcc 전압 값입니다. 이는 HDMI 싱글 엔드 종단 전압을 의미하며, 케이블이 일반 장치에 연결할 때 싱크에서 제공하는 AVcc를 소스로 전송할 수 있는지 테스트합니다. 전압이 너무 낮으면 소스에서 싱크가 활성화 상태가 아닌 것으로 잘못 판단하여 신호가 출력되지 않을 수 있습니다. 이 테스트에 실패하면 후속 아이 및 스큐 테스트를 수행할 수 없습니다. 활성 케이블에 사용되는 칩의 구동 성능과 전송 손실이 이 테스트 항목에 영향을 미칠 수 있습니다.

모든 UHS 케이블 테스트 항목을 통과한 후에는 케이블이 실제 전자파 환경에서 고품질 전송을 유지할 수 있도록 보장하는 UHS 케이블 사양을 준수하기 위해 전자파 간섭(EMI) 테스트도 통과해야 합니다.

UHS 케이블 테스트 사양은 시작에 불과합니다.

UHS 케이블 테스트 사양을 통한 고해상도 HDMI 품질에 대한 수요로 인해 케이블 설계 및 생산 분야의 발전이 가속화되었습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 발전에는 설계 상의 어려움과 테스트 사양의 한계가 수반되었습니다. HDMI LA는 현재와 미래의 무수히 많은 케이블 디자인을 고려할 수 있는 사양 개정에 대해 심의 중이며, 업계가 계속 발전함에 따라 그 수는 더욱 늘어날 것입니다.

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Reference

• HDMI Specification 2.1-94919-0215192500
• gcts_21c_cables_restated-94919-1117202220
• https://www.hdmi.org/spec/hdmi2_1

Author
Lucy Chang, Technical Engineer, GRL Taiwan

국립 중앙 대학교 화학 재료학과를 졸업했습니다. 4 년의 HDMI 테스트 경험, HDMI, HDMI2.1 FRL, HDCP 및 기타 기술 테스트에 능숙합니다. GRL 기술 기사 작성자 및 강사입니다.

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Release Date 2021/10/21 AN-211021-TW