為高品質影像傳輸誕生的HDMI® PCA及Cable-ID測試

Granite River Labs, GRL
江詩聯 Julian Jiang

在當今流行的顯示介面中，HDMI介面佔據很大一部分市場，在HDMI傳輸端和顯示器端的解析度與頻寬都提高的情況下，連接傳輸端與顯示器端的HDMI線纜也更顯重要，並越來越受到重視；線纜品質的好壞會直接影響HDMI訊號傳輸品質，且在實際應用場景中，有時候需要很長的線纜，這樣的使用場景下，如果繼續使用普通銅線線纜，會因為線纜長度較長導致訊號或是電壓衰減越嚴重；這時就需要使用其它介質，比如以光纖為介質的線纜來克服訊號衰減問題，而這類線纜都有晶片與之配套使用，必然會增加功耗，以往的做法是透過Self Power方式由其它獨立介面進行供電，一般是透過USB Standard-A、USB Micro-B或USB Type-C供電，但這種方式會讓線纜產生多餘的設計，並且影響使用的便利性。

有沒有和普通銅線一樣不需要額外設計的供電介面，又可以讓晶片正常工作的方式呢？有的！答案就是以下要介紹的HDMI新增的PCA及Cable-ID功能。

簡介PCA與Cable-ID

PCA的全名為Power for Cable Assemblies，從字面意思來解釋即為「供電給連接線纜」，在能夠滿足供電要求下，HDMI線纜才能正常工作；那線纜對供電的要求為何呢？首先看一下當傳輸端不支援PCA技術時，+5V pin只能提供55mA的電流給線纜與接收端設備使用；而支援PCA技術的傳輸端，+5V pin就可以提供300mA的電流給下接設備使用。若想取得更詳細的數據說明可以參考HDMI規範： High-Definition Multimedia interface Specification Version 2.1a February 7,2022中的Table 6-19。

那麼Cable-ID又是什麼呢？Cable-ID為HDMI線纜上的一組資料結構，該組資料結構說明HDMI線纜支援的功能與能力，可提供給傳輸端設備讀取。所有的HDMI線纜都可以支援Cable-ID，但是針對Category 3線纜Cable-ID功能則為必要支援項目，無論是單向的Category 3線纜或需要外接電源的Category 3線。

PCA技術

以上針對PCA與Cable-ID做了初步介紹後，接下來我們說明一下PCA技術的幾個要素：

1. HDMI傳輸端需要支援PCA功能，當其PCA功能被啟動後能透過+5V pin提供至少300mA的電流並且支援Source-ID。
2. 支援PCA的HDMI線纜可以從傳輸端抽取不大於300mA的電流，並且支援Cable-ID。
   支援Cable-ID的HDMI線纜應支援Cable-ID資料結構中的前4個位元組，主要欄位之解釋請參考下表（具體請查閱參考文獻[1] Table 10-42）：
   
   表1: Cable-ID主要欄位解釋
   
   
3. 使用IDCC協定來溝通傳輸端和線纜，IDCC協定讀與寫內容交換的構成為：IDCC Header + IDCC Payload + IDCC Checksum。
   分別說明如下：
   
   1. IDCC Header：IDCC Header共有5個位元組，前兩個位元組是固定標識，第三個位元組內容表示讀寫交換的物件，目前有定義的有Source-ID、Cable-ID與Sink-ID，其它比特位元內容為固定值，第四個位元組是資料訪問的位置，第五個位元組是Payload長度，但是這個長度不包括Checksum位元組（具體請查閱參考文獻[1] Table 10-39）。
   2. IDCC Payload就是該協議傳送的Source-ID、Cable-ID、Sink-ID這些不同長度資料結構的內容。
   3. Checksum位於IDCC Payload之後，是以位元組寬度為基礎的累加和檢驗結果，其加總的內容包含IDCC Header，IDCC Payload與IDCC Checksum，總合內容等於0。

範例

下圖為一個讀取Cable-ID的範例（具體請查閱參考文獻[1] Figure 10-20）：

圖1: Cable-ID讀取範例

下表則是上圖範例的解釋：

表2: 使用IDCC協議讀取Cable-ID命令解釋

IDCC協議的溝通過程

IDCC協議的溝通過程可分為以下四個步驟：

1. 確保傳輸端的HPD pin有偵測到被拉高。
2. 傳輸端通過發送Source-ID命令來通知連接線，說明傳輸端支援PCA功能。
3. 傳輸端讀取連接線的Cable-ID，來確認連接線是否支援Cable-ID。
4. 如果協議溝通正常，傳輸端就能提供線纜較大的工作電流以供線纜正常運作。

Cable-ID測試規範

最後來說明大家最為好奇的線纜Cable-ID測試規範，所使用的測試設備是Teledyne LeCroy的980或者M41h。

注意：Cable-ID裡所有的欄位設置都使用負邏輯，1表示不支援，0表示支持。

Cable-ID測試的主要步驟如下（參考文獻[2]）：

1. CDF內容檢查，如果線纜支援PCA功能，就一定要支援Cable-ID。
2. 驗證每個命令的Checksum是否正確。
3. 驗證保留欄位，保留欄位應全部設為1。
4. 驗證Cable-ID第一個位元組的0-2 bits，有且只能設置一個為0，而且要和CDF一致。
5. 驗證HEAC_n欄位，因Cat3線纜一定要支持HEAC，所以Cable-ID的HEAC_n欄位一定要設為0。
6. 驗證PCA_DEP_n欄位的設置是否與CDF一致。
7. 驗證MonoDirErr_n欄位的設置是否正確。
8. 驗證RND欄位的值，一定要是隨機的，不能重複。
9. 驗證製造商欄位的值，如果沒有特定的值就全部填0xFF。
10. 驗證其它沒有規定的欄位，沒有規定的欄位都要是0xFF。
11. 驗證讀寫交換的物件範圍，只回應Cable-ID物件的命令，不回應其它物件的命令。
12. 驗證I2C地址通信問題，線纜的通信依據IDCC協議，必須不理會DDC的讀取和寫入。

結論

隨著現代人對於電子產品的使用習慣，傳輸介面速度不斷提升，也有越來越多的標準介面協會為了因應高速、高品質的資料與影像傳輸而制定出更嚴謹的測試規範。讀者們亦可參考本篇的技術與測試規範說明來檢驗自身產品，加速產品取證流程，更快地符合規範流通至市面上。

參考文獻

1. High-Definition Multimedia interface Specification Version 2.1a February 7, 2022
2. High-Definition Multimedia interface Version 2.1 Teledyne Lecroy MOI v1a Test ID:HFR7-24,August 2, 2021
   

作者
GRL 測試工程師 江詩聯 Julian Jiang

GRL測試工程師，在介面顯示測試和無線測試行業有多年的工作經驗，熟悉HDMI、DisplayPort、Etherent等多種測試規範，目前負責GRL東莞DisplayPort認證。

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 2022/07/07 AN-220707-TW