目次 Page 5 はじめに ( 本書の目的と対象読者 ) 7 第 1 章 HDMI 信号の概要 HDMI の概要と信号構造 TMDS 信号規格概要 11 第 2 章 HDMI 測定評価 コンプライアンステスト 機器および測定のカテゴリ 12 2-

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1 Agilent Technologies HDMI 測定評価ハンドブック ( 第 1 版 2013 年 1 月 ) 本資料は HDMI 測定評価ハンドブックのサンプルです

2 目次 Page 5 はじめに ( 本書の目的と対象読者 ) 7 第 1 章 HDMI 信号の概要 HDMI の概要と信号構造 TMDS 信号規格概要 11 第 2 章 HDMI 測定評価 コンプライアンステスト 機器および測定のカテゴリ TMDS Electrical テストの考え方 14 第 3 章ソース機器波形品質評価 概要 必要機材 測定前の準備 DUT の接続 測定の実施 測定項目の概要 45 第 4 章ソース機器 TMDS プロトコル試験 概要 必要機材 測定の実施 54 第 5 章シンク機器測定評価 概要 必要機材 測定前の準備 (TMDS 信号発生器 ) DUT との接続 (TMDS 信号発生器での測定 ) 測定の実施 (TMDS 信号発生器での測定 ) 測定の実施 ( 差動インピーダンス測定 ) 80 付録 A Agilent 関連製品 82 付録 B 関連参考資料 - 3 -

3 はじめに ( 本書の目的と対象読者 ) HDMI(High-Definition Multimedia Interface) は TV BD レコーダ等のデジタル家電の映像音声インタフェースとしてデファクトスタンダードとなっています 近年では PC 携帯機器 車載機器 さらには産業用機器 業務用機器等へも搭載が進んでいます また HDMI では 最大 3.4Gbps のデータレートの伝送が規定されており 相互接続性を確保するために 厳密なコンプライアンステストが義務付けられています HDMI 搭載機器を初めて開発されようとする方の中には その測定について不安を覚える方がおられるかもしれません 本書は HDMI 搭載機器をこれから開発されようとするエンジニアの方でも 自信を持って HDMI の測定を実施していただくためのガイドとして作成されました 本書は HDMI のコンプライアンステストを中心に 測定機材の準備 被測定物との接続方法 測定の手順を記述しています また それぞれの場面で測定のヒントとなる Tips も記載しています 本書に記載された情報は 既に HDMI の測定を経験されている方にとっても お役にたてるものになっていると思います 本書をご活用いただき HDMI の測定評価に役立てていただけば幸いです なお実際の測定器の使用に際し ご不明点 ご質問等ありましたら 下記の弊社計測お客様窓口までお問い合わせください 十分な技術を持った技術担当がサポートさせていただきます アジレント テクノロジー株式会社計測お客様窓口 Tel: Fax: contact_japan@agilent.com 本書が皆さまの機器開発 測定に少しでもお役にたてれば幸いです アジレント テクノロジー株式会社電子計測本部アプリケーション エンジニアリング部 ***** 本書の対象範囲 ***** HDMI 規格 ver. 1.4b およびコンプライアンステストスペック ver. 1.4b に準拠した測定評価方法について記述しています 規格およびテストの詳細については 下記の規格書を参照ください High-Definition Multimedia Interface Specification Version 1.4b, Oct. 2011, HDMI Licensing, LLC High-Definition Multimedia Interface Compliance Test Specification Version 1.4b, Oct. 2011, HDMI Licensing, LLC HDMI コンプライアンステストの中で 主信号である TMDS 信号の電気特性評価およびプロトコルテストについて解説しています DDC/CEC ライン等の電気特性評価 EDID CEC HDCP の評価および HEAC の測定評価については本書の対象外です HDMI ケーブル測定については 本ハンドブック第 2 版以降で追加予定です - 5 -

4 第 1 章 HDMI 信号の概要 本章では 評価の対象となる HDMI 信号の概要について説明します HDMI 信号規格の詳細については 規格書 (HDMI Specification) を参照ください 1-1 HDMI の概要と信号構造 HDMI (High-Definition Multimedia Interface) は 非圧縮のハイビジョン映像とマルチチャネルオーディオを 1 本のケーブルで伝送する映像 音声 制御信号入出力用デジタル インタフェースです 2002 年 12 月にリリースされ 現在では TV 等のデジタル家電をはじめとして広く使用されています HDMI を搭載した機器を開発するメーカは HDMI 規格を管理する HDMI Licensing, LLC と契約を締結し HDMI Adopter になる必要があります 2010 年 9 月には Adopter 企業の数は全世界で 1000 社を超えました HDMI の規格書の最新版は High-Definition Multimedia Interface Specification Version 1.4b で 2011 年 10 月にリリースされました また コンプライアンステスト方法を記述した Compliance Test Specification (CTS) の最新版も 同じく 2011 年 10 月にリリースされた High-Definition Multimedia Interface Compliance Test Specification Version 1.4b です HDMI の規格書および CTS は HDMI Licensing, LLC の web ページから Adopter 限定でダウンロードすることが可能です HDMI のシステムは 信号を送出するソース機器 信号を受信するシンク機器 およびソース機器とシンク機器を接続するケーブルで構成されます 信号構造の概要を図 1-1 に示します TMDS: メインリンク ( 映像 音声 ) DDC: Sink の情報 (EDID) を Source に伝達 CEC: 機器間の制御 HPD: Hot Plug Detect HEAC: HDMI Ethernet and Audio return Channel 図 1-1 HDMI 信号構造の概要 - 7 -

5 映像音声の主信号は クロック 1ch データ 3ch からなる TMDS(Transition Minimized Differential Signaling) 信号で ソース機器からシンク機器への一方向の伝送です TMDS は PC ディスプレイのデジタル映像インタフェースの DVI 規格がベースとなっています DDC(Display Data Channel) 信号は シンク機器の情報 (EDID) をソース機器に伝達するのに使用されます CEC(Consumer Electronics Control) は 機器間の電源連動やリモコン制御連動のために使用されます HPD(Hot Plug Detect) は 機器の接続検出に使用されます また HEAC(HDMI Ethernet and Audio return Channel) は HDMI 1.4 で追加になった機能で 機器間での Ethernet 通信 (HDMI Ethernet Channel) およびシンク機器からソース機器への音声信号伝送 (Audio Return Channel) に使用されます HDMI Ethernet として使用される場合には Utility ライン (HDMI 1.3 までは Reserved となっていたライン ) と HPD ラインの 2 線を使用します 1-2 TMDS 信号規格概要 TMDS リンクは 図 1-2 のように ビデオデータ区間 データアイランド区間 コントロール区間で構成され 左上から右下に順々に伝送されるラスタ スキャン方式が採用されています アクティブビデオ区間は実際の映像信号が伝送され データアイランド区間では 音声や補助情報信号がパケットとして伝送されます ビデオ区間 データアイランド区間以外は コントロール区間となります TMDS のデータチャネルはクロックの 10 倍のデータレートで伝送されます HDMI 1.4b での最大データレートは 3.4Gbps 最大クロック周波数は 340MHz です TMDS では データの 8 ビットを 10 ビットに変換して伝送します ビデオデータ区間は TMDS(Transition Minimized Differential Signaling) の名の通り 1 と 0 の遷移をなるべく少なくして高周波成分を抑える符号化方式になっています 逆にブランキング区間では 1 と 0 の遷移が多くなる符号化方式を採用しています 図 1-2 TMDS 信号概要 - 8 -

6 第 2 章 HDMI 測定評価 本章では HDMI 信号の評価測定およびコンプライアンステストについて説明します 2-1 コンプライアンステスト HDMI では 市場での相互接続性による不具合ができるだけ起きないようにするため コンプライアンステスト仕様が厳格に定められています HDMI 機器を開発製造する HDMI Adopter は 製品出荷前に コンプライアンステストに合格することが義務付けられています コンプライアンステストは ATC(Authorized Test Center: 2012 年 8 月現在 全世界に 12 ヶ所 ) にテストを依頼するか あるいは自社でのセルフテストにより実施されます どのような場合にセルフテストが許可され どのような場合に ATC でのテストが必要かは HDMI Licensing, LLC より公開されているテストポリシーに関するドキュメント HDMI Compliance Testing Policies and Procedures を参照してください 2-2 機器および測定のカテゴリコンプライアンステストは HDMI の機器カテゴリであるソース機器 シンク機器 ケーブル毎にテスト項目が定められています HDMI 信号を入出力するリピータ機器は 基本的にソース機器とシンク機器の両方のテストが必要となります また 各機器のコンプライアンステストは 機器のカテゴリ毎に下記のように分類されます Electrical テスト : TMDS の電気特性 DDC/CEC/HPD 等の電気特性のテスト Protocol Video Audio テスト TMDS のコーディング パケット構造 Video フォーマットタイミング InfoFrame 等のチェック EDID テスト DDC プロトコル EDID データ構造チェック等 HDCP テスト CEC テスト HEAC テスト これらのうち HDCP CEC HEAC の各テストは 機器がその機能を採用している場合にのみテストされます 同様にオプション機能についてのテストは その機能をサポートする機器のみがテストの対象となります HDMI 1.3 HDMI 1.4 で新たに追加された新機能 ( たとえばディープカラー 3D 等 ) はすべてオプションの機能ですので その機能をサポートする機器はテストの必要がありますが サポートしない機能のテスト項目はテストは不要です なお ケーブルのテストはコネクタ部の寸法を測定するメカニカルテストと Electrical テストのみです Tips ソース リピータ コンバータケーブルで HDCP 以外のコンプライアンステストの際には HDCP 機

7 能を OFF にする必要があります たとえばオシロスコープでの TMDS 波形品質テストの場合 オシロスコープの信号受信側には HDCP 認証の機能はありませんので HDCP ON の機器では信号が正常に出力されず テストができません ATC でのテストの際にも HDCP ON(HDCP テスト用 ) と HDCP OFF( それ以外のテスト用 ) の 2 種類を準備する必要があります 2-3 TMDS Electrical テストの考え方 図 2-1 は TMDS の Electrical テストの考え方を図示したものです TMDS の波形 電気特性のスペックは ソース機器の出力コネクタ端である TP1 (Test Point 1) およびシンク機器の入力コネクタ端である TP2 (Test Point 2) で定義されています したがって TMDS Electrical コンプライアンステストでは 各機器のカテゴリ毎に ソース機器 : TP1 の波形特性がスペックを満足すること シンク機器 : TP2 のワースト条件の波形が入力した場合でも正しく信号を受信できること ケーブル : TP1 スペックぎりぎりの信号がケーブルに入力した際に 出力波形が TP2 のスペックを満足すること を確認することで 異なるベンダの機器を接続しても 相互接続性の問題が出ないようにしています また HDMI では特別なテストモードは定義されていません USB や DisplayPort 等の他のインタフェースでは 機器を特定のテストモードに入れ その際に出力されるテスト信号の波形でテストするものがありますが HDMI ではテストモードはありませんので通常の動作状態でのテストとなります ソース機器が信号を送出するためには 下記の条件が必要です HPD 検出 EDID 情報の読み取り TMDS 信号ラインの +3.3V プルアップ終端 ソース機器出力 (TP1) の特性と シンク機器入力 (TP2) で許容される特性とを規定することで ソース機器 ケーブル シンク機器の接続保証を実現 図 2-1 TMDS Electrical テストの考え方とテストポイント

8 第 3 章ソース機器波形品質評価 本章では ソース機器およびリピータ機器の HDMI 出力の TMDS 信号波形品質評価試験について解説します 3-1 概要 TMDS 波形品質評価では リアルタイムオシロスコープを用いて 機器から出力される信号波形を測定します 測定ポイントは 機器の HDMI レセプタクルコネクタ端で TP1 として規定されています そのため 測定は HDMI プラグ型のテストフィクスチャを用いて行います オシロスコープには ジッタ評価やアイ波形評価のために 受信した TMDS クロック信号を 規格通りのループフィルタ 帯域でクロックリカバリするソフトウェアクロックリカバリの機能が必要です このため HDMI の波形評価には サンプリングオシロスコープではなく ソフトクロックリカバリの機能を持ったリアルタイムオシロスコープが必要となります また オシロスコープの必要帯域は 8GHz 以上と規定されています これは TMDS 信号の最小立上り時間の 75ps の信号が入力しても正しく評価できる帯域として規定されています Tips Tips オシロスコープの必要帯域は 測定する信号のもつ周波数成分で決まります 信号の立上り / 立下り時間が早いほど 信号には高周波の成分が含まれますので 大きな帯域のオシロスコープが必要です 信号の立上り時間 (Tr) と最大周波数 (fmax) には 下記の関係があります fmax = 0.4 / Tr (20-80%) 測定確度を考慮すると オシロスコープの必要帯域 (BW) は BW(3%) = 1.4 x fmax BW(10%) = 1.2 x fmax ( カッコ内 % は測定誤差 ) となります ( 表 3-1) HDMI 1.4b の立上り / 立下り時間の最小は 75ps(20-80%) であり この信号を正しく測定するためには 8GHz 帯域のオシロスコープが必要です ( 図 3-1) 270Mbps や 742.5Mbps あるいは 1.485Gbps の信号であっても 立上り時間の早い信号を測定する場合は 帯域 8GHz のオシロスコープが必要です 最近の Tx IC には 2.22Gbps や 2.97Gbps に対応した立上り時間が早いものがあり このような IC を遅いデータレートで使用する場合でも 立上り時間は早いままの信号が出力される場合がありますので 注意が必要です 表 3-1 信号の立上り時間と必要帯域 立上り時間 (20-80%) 3% 精度 10% 精度 250ps 2.2GHz 1.9GHz 100ps 5.6GHz 4.8GHz 75ps 7.4GHz 6.4GHz

9 1080p 8bit (1.485Gb/s) の例 Tr/Tf (20-80%) 測定結果 8GHz BW Tr = 77.2ps Tf = 76.8ps 6GHz BW Tr = 83.0ps Tf = 83.6ps 4GHz BW Tr = 96.0ps Tf = 96.5ps 図 3-1 立上り時間約 75ps の信号を異なる帯域のオシロで測定した例 4Ghz 6GHz 帯域では 立上り時間がなまって測定されるとともに 波形もリンギングが起きるなど正しく測定されていないことが判る 3-2 必要機材 必要機材は下記です ( 図 3-2) リアルタイムオシロスコープ プローブおよび SMA プローブヘッド テストフィクスチャ DC 電源 (+3.3V バイアス印可用 ) バイアス電圧分配ケーブル オシロスコープの必要性能は下記となります 8GHz 以上の帯域 20GSa/s で 2ch 同時測定可能 2ch 同時 1ch あたり 16M sample 以上のサンプルメモリ ( 分割してのサンプル測定も可 ) 規定のクロックリカバリ機能

10 リアルタイムオシロスコープ Agilent DSA90804A プローブ Agilent 1169A SMA プローブヘッド Agilent N5380B テストフィクスチャ Agilent N1080B-H04, H06 DC 電源 Agilent E3640A 図 3-2 必要機材の例 バイアス電圧分配ケーブル Bitifeye BIT 表 3-2 にオシロスコープの推奨構成を記します 表 3-2 オシロスコープ推奨構成 モデル番号 内容 数量 Agilent DSA90804A オシロスコープ (4ch, 8GHz 帯域, 40GSa/s 50Mpoint メモリ /ch) 1 Agilent DSO90000A-023 HDMI 測定ソフトウェア (N5399B) 1 Agilent 1169A 12GHz InfiniiMax II プローブアンプ 4 Agilent N5380A/B 12GHz 差動 SMA プローブヘッド

11 Setup タブ : 測定の基本的な設定を行います - Channel Connection Type: プローブ 4 本使用時は 4 Connections 2 本使用時は 2 Connections - HEAC Tests: HDMI Ethernet and Audio return Channel の測定の際にチェックを入れます - Test Fixture Type: 常に N1080A/SMA Probe を選択しておきます - HDMI Spec: 1.4 を選択しておきます (HDMI 1.4b に対応済み ) - Hide Information Tests: チェックを入れておきます - Device Identifier: DUT がソース機器 (Transmitter) かケーブル (Cable) かを選択します Receiver は使用しません - Device Name, Comment: 任意に記入できます ( 試験レポートに反映されます ) - Probe Offset Calibration, Offset Enabled: 実施した Cal データを使用する場合にチェックを入れます ( 基本は常にチェックを入れて使用します ) 図 3-12 Setup タブの設定

12 第 4 章ソース機器 TMDS プロトコル試験 本章では ソース機器およびリピータ機器の HDMI 出力信号の TMDS プロトコル試験について解説します 4-1 概要 TMDS プロトコル試験では 機器から出力される TMDS 信号のコーディング パケット構造 ビデオフォーマットタイミング オーディオタイミング等を プロトコルアナライザを用いて解析します 使用されるプロトコルアナライザは TMDS 信号のローレベルエンコーディングが正しいかどうかを解析するために 10bit コードの TMDS 信号をキャプチャし解析する機能を持っています これにより TMDS 信号の各区間 ( コントロール区間 データアイランド区間 ビデオデータ区間 ) のエンコーディング 内容 順序等が規格通りになっているかを確認できます また プロトコルアナライザは 受信した信号のパケットを解析し パケットの種類 定義が規格に違反していないかをチェックします さらには ビデオ信号の色空間 ビデオフォーマットタイミング オーディオタイミング InfoFrame 情報等が規格通りかどうかも解析できます プロトコル試験では テスト内容に応じた EDID 情報をプロトコルアナライザに設定してテストを実施します テスト項目によっては 設定した EDID に応じた信号が機器から出力されているか あるいは EDID に反した信号が出力されていないかどうか等をチェックしますので プロトコルアナライザに設定する EDID は重要です 4-2 必要機材 必要機材は下記です HDMI プロトコルアナライザ制御 PC 表 4-1 にプロトコルアナライザの推奨機器を記します 表 4-1 プロトコルアナライザ推奨構成 モデル番号 内容 数量 Agilent U4998A HDMI プロトコルアナライザジェネレータモジュール 1 Agilent M9502A AXIe シャーシ 2 スロット 1 Agilent M9045B PCIe ExpressCard アダプタ Gen 1, x 1 PC に合わせてど Agilent M9048A PCIe デスクトップアダプタ Gen 2, x 8 ちらか選択 Agilent Y1200B PCIe ケーブル : x1 to x8 2.0m (M9045B 用 ) アダプタに合わせ Agilent Y1202A PCIe ケーブル : x8 to x8 2.0m (M9048A 用 ) てどちらか選択 Agilent U4998A-PSV Passive Monitoring オプション (Pass-through mode, Mirror mode) 必要に応じて選択

13 ソフトウェアの終了 PC のシャットダウン 測定器の電源 OFF PCIe ケーブルを外す ( 注意 ) 測定器の電源は 必ず PC シャットダウンの後に OFF にしてください 接続の PCIe ケーブルは 測定器と PC の電源 OFF 後に外してください 機器の接続 ( 電源 OFF の状態で接続 ) 写真の向きにケーブ ルを挿入 本体左下のポートに PCIe ケーブルを 接続します ラッチにはまるよう奥 まで差し込みます ケーブルを抜く際は 緑のタブを引きます Express Card アダプタに PCIe ケーブルを挿し PC のス ロットに挿入します (Express Card スロットの位置は PC により異なります ) 電源 ON と PC の立ち上げ まず測定器本体の電源を投入します 本体電源投入後 前面右下の Status LED が緑になっていることを確認 Status LED が緑になってから 2 分程度待ってから PC を立ち上げ PC が起動し 測定器を正常に認識すると 画面 右下ツールバーに緑丸アイコンが表示されます ツールバーアイコンが隠れ ている場合がありますので 確認してください 図 4-2 U4998A と PC の接続と電源の立ち上げ

14 第 5 章シンク機器測定評価 本章では シンク機器およびリピータ機器の TMDS 信号入力の測定評価について解説します 5-1 概要 TMDS 信号入力の評価では TMDS 信号発生器を用いてテスト信号を発生し シンク機器が信号を正しく受信できるかどうかを確認します また シンク機器の TMDS 信号入力差動インピーダンスが規定内に入っているかどうかも確認が必要です 測定ポイントは シンク機器の HDMI レセプタクルコネクタ端で TP2 として規定されています そのため 測定は HDMI プラグ型のテストフィクスチャを用いて行います シンク機器への入力波形は TP2 のワースト条件に設定します CTS 1.4b では ワースト条件として 電圧振幅の最小と最大 Intra-Pair Skew( 差動ペア内のスキュー ) の最悪値 ジッタの最悪値をそれぞれテストすることが定められています シンク機器評価に用いる TMDS 信号発生器は これらのワースト条件の波形を 正確にかつ再現性良く生成することが必要です また 信号波形は使用する同軸ケーブル テストフィクスチャその他の接続アクセサリ類によって微妙に変化する可能性があるため TP2 のテストポイントで所望の信号波形になっているかどうかをチェックする必要があります このような信号のキャリブレーションが簡単にできるかどうかも 測定機器のポイントとなります シンク機器が TMDS 信号を正しく受信できるかどうかは シンク機器のディスプレイに実際の画像信号を表示して 画像にエラー ノイズが無いかどうかを目視で判定します テストに使用する画像は特にスペックでは定めらてはいませんが グレースケール ( 黒から白のグラデーションおよびその繰り返し ) の静止画が主に用いられています Tips リピータ機器では 機器にディスプレイがありませんので 機器の HDMI 出力に TV 等を接続して その画面を目視で確認してテストを実行します 5-2 必要機材 必要機材は下記です ( 図 5-1) TMDS 信号発生器 バイアス T 同軸ケーブル TTC (Transition Time Converter) ケーブルエミュレータ テストフィクスチャ DC 電源 (+3.3V バイアス用 ) リアルタイムオシロスコープ プローブおよび SMA プローブヘッド DC 電源 (+3.3V バイアス用 ) バイアス電圧分配ケーブル TDR オシロスコープ

15 5-3 測定前の準備 (TMDS 信号発生器 ) 本章では TMDS 信号発生器を用いたシンク機器測定について解説します TDR オシロスコープを用いた差動インピーダンス測定については 5-6 章を参照してください 測定は以下の手順で実施します 測定器のウォームアップとキャリブレーション TMDS 信号波形のキャリブレーション DUT( 被測定機器 ) の接続 測定の実施 TMDS 信号発生器 オシロスコープは測定開始前に 30 分以上通電してウォームアップを実施してください 測定あるいは校正を実施する前に 測定機器の内部温度を安定させることが目的です オシロスコープの校正については 3-3 章を参照してください 以下では TMDS 信号発生器出力の波形をオシロスコープでキャリブレーションする手順について解説します < 測定機器の制御系接続確認 > TMDS 信号の波形キャリブレーションは シンク機器の自動測定ソフト (Valiframe) を用いて実施します Valiframe の実行前に 測定 キャリブレーションに使用する測定機器の制御インタフェースの接続確認を実施します 制御 PC で Valiframe HDMI Station Configuration を立ち上げ 使用する機器を選択した後 Instrument Configuration 画面で測定機器のアドレスを入力し 制御 PC から測定機器の接続確認を実施します 測定機器のアドレスは Agilent Connection Expert で確認します Valiframe HDMI Station Configuration を立ち上げ HDMI Station を選択して Next 使用する E4887A 構成 (7G System) DC 電源機種を選択して Next Address 欄に測定器のアドレスを入力 図 5-2 Valiframe Station Configuration での測定機器接続確認

16 5-5 測定の実施 (TMDS 信号発生器での測定 ) Valiframe を立ち上げ 測定項目を選択して測定を実施します 各測定項目の接続図が現れますので 接続状態を確認します 測定が始まると エラーの有無をチェックするウィンドウが表示されますので シンク機器の画面を見て エラーがあるかどうか判定し該当のボタンをクリックします < 測定の実施 > 測定項目 各測定項目ごとの接続図が現れるので接続状態を確認して OK 測定項目を選択し Start ボタンを押して測定を開始します シンク機器の画面を見て エラーがあるかどうか判定してクリック 図 5-17 Valiframe によるシンク測定の実施