Granite River Labs, GRL
張家綺 Lucy Chang
隨著HDMI 2.1 FRL的發佈，影像解析度從4k@60Hz躍升到了8k@60Hz，HDMI的傳輸頻寬也從18Gbps提升到48Gbps，不僅顯示卡以及螢幕的軟硬體都要技術升級，用來傳輸訊號的HDMI線纜也因應更高頻寬的訊號，必須減少訊號傳輸過程的損耗，因此HDMI協會發布了能夠乘載至48Gbps的 Category 3 Cable測試規範，也就是超高速HDMI線纜（Ultra High Speed Cable；簡稱UHS cable），以下將為您解說Category 3 Cable的技術發展以及難題。
目前市面上販售的UHS Cable多為被動式線纜（Passive Cable），也可以稱為Wire cable，材質多半使用銅線，此種線纜沿襲以往Category 2 Cable的製作技術，製程成熟且成本低廉，但受限於高速訊號在銅線傳輸的損耗較高，因此線材長度較短且線徑粗，尚可滿足一般家用需求；但隨知名顯卡品牌推出更高畫質的影像輸出技術，伴隨電視、電競螢幕產業的蓬勃發展，消費者追求更好的影音饗宴，更長、更細、損耗更低的線纜才能符合各種多媒體播放場合，因此各大廠家紛紛將光纖技術應用到HDMI線纜上，發展出了主動式光纖HDMI線纜（Active Optical HDMI Cable, AOC HDMI cable），在線纜的兩側加上光電轉換的元件，將HDMI訊號在不產生損耗的狀況下傳輸，AOC HDMI Cable又可分為半光纖與全光纖；半光纖線材只有四對高速訊號對使用光纖，其餘的低速腳位則使用一般的銅線材質；而全光纖線纜則是所有腳位都使用了光纖來傳輸訊號，但目前協會尚未制定全光線纜的測試方案。
UHS HDMI® cable測試項目如表一所示，目前協會分別制定了Wire cable及Active cable兩種類型的線纜，其中Active cable包含以下兩種：
至於，全光纖線纜如前面提到的，目前協會尚未制定出量測方案，如果廠商想用此類型線纜取得 UHS HDMI®Cable認證還需等待。主要原因是在測試項目中，eARC的測試方式是使用網路分析儀量測，包含Impedance、Insertion Loss、Skew等測試項目，而這些測試項目都不適用於全光纖線纜上。
表 1: UHS Cable 測試項目
由於GRL已協助許多廠商取得 UHS HDMI® Cable認證，以下分享最常見的測試狀況。首先HFR7-1 DC Power Test是最容易遇到問題的一個項目，且HFR7-1分為兩種測試條件。
將分別模擬線纜接上未開機狀態與開機狀態的螢幕來測試，在Source端的+5V 腳位給予電壓，量測Sink端的電壓值不可低於4.7V，需要特別注意的是，線纜越長，使用的芯線越細，線材的壓降就會越大。當線纜做的越長，需要特別注意AWG設計需要足夠符合規範的壓降。
圖1: Power Off Sink測試設置
圖2: Power On Sink測試設置
另外，線纜在Source端的電流抽載不可超過55 mA，如圖2所示，在測試Power On Sink時，由此來測試線纜在正常使用下的電流抽載與電壓壓降是否符合規範，其中搭載IC晶片的Active Cable因需要額外的供電來啟動IC晶片，容易造成電流超過55 mA，為解決此問題，可在線纜加上USB外接電源來提供不足的電力。如果有USB外部供電，其測試條件如下如圖所示。
具有USB外接電源的Active Cable在HFR7-1的測試內容，分別在Power Off Sink與Power On Sink的條件下都要進行不外接USB電源的測試；其中HDMI協會在今年七月發布更新，Power Off Sink在不外接電源的測試條件下，測試結果僅供參考，原因是在Power Off Sink的情況下，Source和Sink是沒有開啟的狀態，實際應用上線纜不會接收到來自兩端的HPD偵測以及訊號，而Power On Sink且不接外接電源狀況下則必須通過，以確保兩端裝置在啟動狀態下，Cable對裝置抽載過多電流而造成損壞。
圖3: HFR7-1測試內容
低速訊號的測試還有像是DDC與CEC通道的電容不可大於700 pF，目的是讓通過的低速訊號通過時不會因為Cable的電容過高，會影響訊號的品質，造成裝置誤判，線纜越長電容值可能會越高，Connector與芯線的連接設計也會影響到電容值。
HFR7-21眼圖測試也是一項指標項目，測試FRL 標準訊號通過待測線纜之後，傳輸到Receiver端的品質，是屬於Active Cabe的必測項目，因為FRL訊號相較以往TMDS訊號，傳輸的頻寬大幅提升，也面臨更大的傳輸損耗，因此在Receiver端使用了Continuous Time Linear Equalizer（CTLE）的補償，HFR7-21則會在Receiver端加上8階段的CTLE，因為實際應用上Source和Sink會Link Training到一組最佳化的CTLE，因此只要其中一個階段的CTLE值可以通過即可，圖4和圖5分別是不同CTLE的測試結果。透果眼圖的表現，客戶可以根據其結果適當調整主動IC元件的Equalizer來符合規範。
圖4: CTLE = Level 1 dB之眼圖
圖5: CTLE = Level 3 dB之眼圖
除了眼圖的測試，另一項在Active Cable測試上還有一項常有問題項目，就是測試線纜的高速訊號對的HDMI AVcc電壓值，即為HDMI Single-Ended的Termination Voltage，此項目測試線纜在連接一般裝置時，要能夠將Sink提供的AVcc傳輸到Source，若是電壓太低會使Source誤判Sink未在啟動的狀態，導致訊號無法輸出，此項目若是Fail則無法進行後續的眼圖以及Skew測試， Active Cable使用的晶片Drive能力以及傳輸造成的損耗可能會影響此一項目。
當HDMI 2.1的測試項目都通過之後，線纜還必須通過EMI（Electromagnetic interference, EMI）電磁干擾的測試，才能夠取得HDMI 2.1認證，進行EMI測試是確保線纜在充滿電磁波的真實環境下，依然能維持高品質的傳輸功能。
最後，UHS HDMI® Cable測試規範發布之後，線纜的設計與製作就快速的成長發展，以因應消費市場對於HDMI高解析度品質的要求，但設計上問題與測試規範的限制也是接踵而來，經過多次的來回修改與測試，許多種類的線材紛紛問世，而HDMI協會也不斷的討論規範內容，以適用於未來更新穎的Cable設計，期待未來更多創意的設計發想，提升HDMI產業發展。
參考文獻
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作者
GRL 台灣技術工程師 張家綺 Lucy Chang
國立中央大學化材系碩士畢業。四年HDMI測試經驗，熟悉HDMI、HDMI2.1 FRL、HDCP等技術測試。GRL 技術文章作者及演講講師。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2021/10/21 AN-211021-TW