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DisplayPort 技术简介及物理层测试方案 李凯 DisplayPort 技术简介及物理层测试方案 李凯 随着人们对于显示质量要求的逐步提升 对于显示设备的分辨率 色彩 刷新率都提出 了更高的要求 相应地也要求显示接口具有更高带宽的数据传输能力 传统的VGA接口由于 采用模拟传输的方式 当年是为了适应CRT显示器的需要 传输带宽有限 而且传输距离和 传输质量都不是很理想 随着大屏幕液晶显示器越来越普及 相应的显示接口方案也逐渐从 模拟接口过渡到数字接口 最早得到普及的数字显示接口是DVI 但是由于DVI的数据速率只到1 65Gbps 提升空间 有限 而且DVI不支持数字音频信号的传输 所以DVI目前逐渐在被基于DVI技术的HDMI取代 HDMI目前1 3版本支持的数据速率最高到3 4 Gbps 采用TMDS 传输最小差分信号 信号传 输 可以同时传输视频和音频数据 目前在消费电子领域已经逐渐普及 另一种非常有潜力的数字显示接口方案就是DisplayPort DisplayPort以其开放的标准 和先进的技术而得到众多PC和显示设备厂家的看好 DisplayPort的发起组织是VESA Genesis Intel AMD Analogix HP Dell包括Agilent等都积极参与了标准的制定 其 主要优势在于非常高的数据速率 方便的连接 完善的内容保护及基于包交换的数据传输方 式 例如DisplayPort可以在4条链路上同时传输1 62Gbps或2 7Gbps的高速视频数据 还提 供AuxChannel用于链路控制和音频数据的传输 DisplayPort采用类似PCI Express的物理 层方案 数据编码使用ANSI的8b 10b编码 时钟内嵌在数据流中 链路宽度可以选择1 2 或4 发送和接收间采用AC耦合 因此在提高数据速率的同时简化了电路设计和提高了灵活 性 2008年1月 VESA协会发布了DisplayPort的1 1a规范 DisplayPort也进入了高速发展 的阶段 DisplayPort 的设备分类 DisplayPort 的设备分类 如下图所示 DisplayPort 设备主要有 3 大类 源设备 Source 是产生信号的 如 Desktop Notebook DVD 等 接收设备 Sink 是接收信号并显示图像的 如显示器 电 视等 中间的是连接介质 Media 如 cable 因此 对于 DisplayPort 的测试项目也根据 被测设备的不同分为 3 大类 Source 测试 Sink 测试 Cable 测试 DisplayPort 的信号路径分为主信号通路 Main Link 和辅助信号通路 Aux Channel 两种 Main Link 主要用于传输高速视频和音频数据 由 4 对单向的高速差分线构成 信号 速率为 1 62Gbps 或 2 7Gbps 采用 ANSI 8b 10b 编码 Aux Channel 用于传输链路控制信号 由 1 对双向差分线构成 工作在半双工模式 信号传输速率 1Mbps 采用曼彻斯特编码 此 外 DisplayPort 接口还可以有热插拔检测 Hot Plug Detect 信号和供电管脚 供电管 脚可以给一些功耗不高的 Sink 设备提供不小于 1 5W 的能量 DisplayPort 的技术特点 DisplayPort 的技术特点 DP 的物理层和 PCI E 非常类似 或者说就是直接从 PCI E 借鉴过来稍做修改 传统的 主板芯片组厂家对北桥芯片稍做修改就能支持DisplayPort 不用象VGA那样要增加高速DAC 芯片或象 HDMI 那样要增加一片 HDMI 接口芯片 成本方面非常有吸引力 因此 PC 界的大佬 们如 Intel AMD DELL 等都对 DP 青睐有加 我们目前看到的市场情况也是 DP 技术首先在 PC 行业得到应用 以下是 DP 实现方法的一个例子 DisplayPort 技术当时提出的目的是 在于提供一个能够广泛适用的接口 包括外部 box to box 设备对设备 和内部 如笔记本电脑面板接口 连接 因此其目的不 局限与如上所说的外部连接方式 其还有一个目的就是取代目前笔记本电脑内部显示屏和主 机间的 LVDS 的连接方式 由于目前笔记本电脑内部得 LVDS 信号速率普遍在 945Mbps 而 DP 速率可以到 2 7Gbps 所以相同带宽的传输采用 DP 技术能够使用更少的电缆 DisplayPort 的未来 DisplayPort 的未来 DP 由于借鉴的是 PCI E 的物理层 而目前 PCI E 2 代的数据速率已经到 5Gbps 所以理 论上 DP 采用更高速率应该不是难事 由于 DP 采用的是包交换的结构 如果带宽足够的话一个 DP 连接上还可以携带多台显示 器的数据 所以从理论上说 DP 还可以实现多显示器和显示设备的级连 下面是未来 DP 应用 的一个例子 目前 DP 技术首先在 PC 行业应用 以后会逐渐渗透到消费电子领域 而 HDMI 目前在消 费电子和 PC 行业都有应用 DP 的技术基于成熟的 PCI E 而 HDMI 的市场相对成熟 所以 DP 和 HDMI 将会是一个长期共存 各有所长的竞争局面 DisplayPort 的测试 DisplayPort 的测试 DisplayPort的设备生产厂家如果希望在自己的产品上打上DP的LOGO 需要到VESA协会 指定的第三方的测试认证中心完成一致性测试 然后再向VESA协会申请LOGO 台湾的Allion 是DP的第一家认证测试中心 测试认证中心测试的依据是VESA协会发布的DP的CTS Compliance Test Standard 目前CTS的最新版本是1 1 根据被测件的不同 CTS 规定了相应的测试点 TP1 是 Source 芯片的管脚 TP2 是 Source 的连接器 TP3 是 Device 的连接器 TP4 是 Device 芯片的管脚 由于芯片的管脚从设备外 面不容易接触到 所以 DP 的 Source 设备的测试选择的是 TP2 点 DP 的 Device 设备的测试 选择的是 TP3 点 具体的实现方法就是通过相应夹具把 DP 连接器的信号引出完成测试 以 下是 DP 测试点的定义 DisplayPort 的 Souce 测试 DisplayPort 的 Souce 测试 由于 Source 设备可以自己产生 DisplayPort 的信号 因此 Source 的测试方法是用相应 的测试夹具 fixture 把 DisplayPort 引出 用示波器采集 然后在示波器上用测试软件 对信号的参数进行分析 Source 测试的测试点是在 Source 设备的连接器上 由于 DisplayPort 信号速率比较高 为了进行可靠的探测 对于示波器的要求也非常高 DP 的 CTS 要求进行 DP 信号的测试需要 8GHz 带宽的示波器 除了带宽满足要求以外 由于 DisplayPort 到接收端时的最小信号摆幅只有 120mV 要进行准确的测量并保证测量的重复 性 需要示波器的底噪声要比较小 Agilent 今年新推出的 90000 系列示波器由于具有业内 最小的底噪声 最平坦的带内频响特性和很小的 Return Loss 因此非常适合于进行象 DisplayPort 这样的高速信号的测量 要进行DP信号的测试 只有示波器是不够的 为了方便地进行DP信号的分析 还需要有 测试夹具和测试软件 测试夹具的目的是把DP信号引出 提供一个标准的测试接口以方便测 试 测试夹具型号是W2641A W2641A上提供了所有DP高速和低速信号的连接测试点 同时为 了方便结合网络仪或TDR进行阻抗测试 夹具上还提供了相应的校准接口 下图是夹具的图 示 另外 VESA 规定了很多 DP 信号的参数 对于电气参数 参考的是 DP 规范的物理 层部分章节 如果不借助相应的软件 要完全手动进行这些参数的测量是一件非常烦琐 和耗时耗力的工作 为了便于用户完成 DP 信号的测量 Agilent 在 90000 系列的 Infiniium 系列示波器上提供了 DP 的一致性测试软件 U7232A U7232A 软件的测试项目和测试方法严格参照最新的 CTS 规范 下面是 CTS 中规定 的 Source 一致性测试的项目 Eye Diagram 800mV 信号电平的眼图和模板测试 Eye Diagram 800mV 信号电平的眼图和模板测试 Non Pre Emphasis Level 测量没有做预加重的 400mV 600mV 800mV 1 2V 正常信号电平 Non Pre Emphasis Level 测量没有做预加重的 400mV 600mV 800mV 1 2V 正常信号电平 Pre Emphasis Level 测量 0dB 3 5dB 6dB 9dB 预加重的比例 Pre Emphasis Level 测量 0dB 3 5dB 6dB 9dB 预加重的比例 Inter Pair Skew 测量差分对间信号的时延 Inter Pair Skew 测量差分对间信号的时延 Intra Pair Skew 测量差分对内正负信号的时延 Intra Pair Skew 测量差分对内正负信号的时延 AC Common Mode 测量差分对内正负信号的共模噪声 AC Common Mode 测量差分对内正负信号的共模噪声 Non ISI Jitter 非码间干扰的抖动 Non ISI Jitter 非码间干扰的抖动 Total Jitter 总的抖动 Total Jitter 总的抖动 Main Link Frequency Compliance 测量信号的频率精度 Main Link Frequency Compliance 测量信号的频率精度 Spread Spectrum Modulation Frequency 扩频调制频率 Spread Spectrum Modulation Frequency 扩频调制频率 Spread Spectrum Modulation Deviation 扩频调制范围 Spread Spectrum Modulation Deviation 扩频调制范围 AUX Channel DC Test Aux Channel 上下拉电平的测量 AUX Channel DC Test Aux Channel 上下拉电平的测量 这个软件的使用也非常简便 用户只需要顺序选择好测试速率 测试项目并根据提示进 行连接 然后运行测试软件即可 软件运行后 示波器会自动设置时基 垂直增益 触发等 参数并进行测量 测量结果会汇总成一个 html 格式的测试报告 报告中列出了测试的项目 是否通过 spec 的要求 实测值 margin 等 下面是软件的操作界面 为了控制 EMI DP 中还定义了扩频时钟 SSC 在使用 SSC 的情况下 DP 的数据速率 可以在 0 5 0 的范围内变化 调制频率 30 33kHz 下表是对 SSC 的定义 也就是说 对于 DP 来说 允许数据速率在标称速率的 100 99 5 间变化 变化频率 是 30 33kHz 借助于 EzJit 软件 也可以方便地进行 SSC 的测量 下图用 EzJit 软件进行 一个 SSC 测量的例子 可以从图中清楚地测到调制频率和调制深度 在 DP 的抖动和模板的测试中 需要先从数据流中恢复出理想时钟 以此为基准进行测 量 否则眼图和抖动的测量都是没有依据的 如下面是 DP 对恢复时钟所需要的锁相环带宽 要依据标准从数据流中恢复时钟 就还需要借助 Agilent 的高速串行数据分析软件 E2688A E2688A 可以灵活设置 DP 时钟恢复所需要的锁相环形状及带宽 还可以提供 DP 信 号的眼图和模板测试功能并对 DP 的 8b 10b 的数据流进行解码 对于高速串行数据的调试是 非常有用的一个工具 下图是进行的眼图测试和 8b 10b 解码的举例 另外 在进行Source的测试中 需要Source能够根据Sink设备的信息产生不同的视频信 号 因此测试中我们还需要有一台设备能够模拟Sink设备通过Aux Channel和Source通信 建立起数据链路 下图就是实现这个功能的Aux Channel Control设备 因此 要进行DisplayPort的Source测试 我们需要的是8G以上的Agilent 90000B系列 示波器和探头 测试夹具 测试软件和Aux Channel Control设备 DisplayPort 的 Sink 测试 DisplayPort 的 Sink 测试 对于DisplayPort的Sink设备 我们主要测试的是抖动的容限和灵敏度 Sink测试的测 试点是在Sink设备的连接器上 下表是DP对Sink设备的一些要求指标 对于正常的DP信号 Sink是应该能正常接收的 但对于Sink设备 我们需要知道信号恶 化到什么程度的时候会影响正常的通信 因此需要有设备能够产生抖动和幅度可调的DP信 号 在DisplayPort中 把产生这种信号的设备叫做Stressed Signal Generator 要产生Stressed Signal 通常使用的设备是码型发生器 因为码型发生器产生的是真 正的数字信号 相比用任意波发生器来说其产生的信号精度更高 对于码型发生器的基本要 求是能产生的码型速率要在2 7Gbps或更高 Agilent的N4903A J BERT 和81250 ParBert 都可以产生DisplayPort的信号 N4903A的好处在于内置了经过校准的抖动源 可以直接产 生准确的带抖动的信号 如产生不同RJ PJ SJ ISI的抖动和带SSC的信号 下图是用N4903A 进行DP的Sink测试的一个例子 如果用户同时也要进行HDMI信号的测量 则可以考虑使用81250 ParBert 产生DP的信 号 81250是模块化的并行码型发生器 其好处是可以根据不同的需求选配不同速率和不同 通道数的模块 以同时输出很多路时钟和数据信号 因此在HDMI的测试中广泛应用 使用 81250产生DP信号或HDMI信号时需要外加其它设备如信号源等以产生带抖动的信号 下图是 用81250进行DP的Sink测试的一个例子 在进行Sink测试时 码型发生器产生的DP信号要连接到Sink设备也需要通过测试夹具 W2641A 同时 要控制码型发生器发出DP的信号也需要相应的测试软件完成对整个测试系统 的控制 也需要Aux Channel控制器用于建立连接 因此 一个完整的DP的Sink测试需要 2 7Gbps以上的JBERT或ParBert 使用ParBert时需要外加信号源产生抖动调制 Aux Channel的控制器 再加上相应的测试夹具和测试软件 DisplayPort 的 Cable 测试 DisplayPort 的 Cable 测试 在DisplayPort中 Cable用于连接Source和Sink 由于DP的信号速率比较高 因此对于 Cable的指标也有一定的要求 Cable的损耗过大会造成信号的衰减 Cable的阻抗不连续会 造成信号的反射 DP测试对于Cable主要关注的指标是阻抗 IL insertion loss 插损 RL reflection loss 回波损耗 skew both intra pair and inter pair and Near End Noise NEN 对于阻抗的测试 使用的是TDR的方式 其工作原理是产生一个快沿的脉冲送到被测电缆的 一端 根据发射回来的信号的时间和幅度判断信号路径上的阻抗变化 下表是DP对于Cable 阻抗的要求 进行TDR测试可以选择Agilent的86100C采样示波器主机配上54754A差分TDR模块 下图 是用86100 54754进行阻抗测试的例子 下图是一个从DP的cable和连接器测试得到的TDR结果 TDR还可以测试电缆的skew both intra pair and inter pair 对于IL insertion loss 插损 RL reflection loss 回波损耗 我们一般用S 参数来进行描述 对于一段差分传输线的特性 可以用混合模式的S参数完整描述 如下图 所示 其中SDD参数反应的是其对差分信号的反射和传输特性 是我们最关注的 IL insertion loss 插损 对应SDD21参数 RL reflection loss 回波损耗 对应的是SDD11 参数 其它参数中 SDC反映的是电缆的EMC性能 SCD反映的是EMI性能 下图是DP对电缆的 SDD11和SDD21参数的要求 要进行S参数的测试 我们使用的仪器是VNA 矢量网络分析仪 VNA可以对电缆的S参数 进行完整的分析 由于网络仪的工作原理是用一个高质量的窄带扫频源做幅频和相频特性的 测试 因此可以测量噪声很低 动态范围很大 测量精度非常高 下图是用Agilent的E5071C 矢量网络分析仪进行频响特性测量的一个例子