實現高效能HDMI影音性能測試

高解析度多媒體介面(High-Definition Multimedia Interface；HDMI)已經成為消費性電子產品的既定標準。該介面允許在一根電纜上承載音訊與視訊訊號以及InfoFrames。為了在該介面上測量音訊，測試儀器必須能夠產生並評估HDMI格式的完整測試訊號，包括視訊訊號。

HDMI最初是由消費性電子產業的數位視訊介面(DVI)進一步發展而來，在2003年首次出現在市場上。與DVI不同的是，HDMI也能傳送音訊訊號。該介面精簡了電纜，並簡化多媒體設備作業。由於電影產業的要求，它還著重於避免非法複製數位視訊影片。隨著螢幕解析度與著色能力提升，使得HDMI傳輸頻寬也大幅增加。此外，藉由HDMI，用戶就能透過單一遠端控制操作所有連接的設備。

圖1：為了進行HDMI音訊分析，必須產生並分析視訊和音訊資料。圖中顯示透過R&S UPP音訊分析儀，能同時對多達8聲道環繞音效進行HDMI測試。

HDMI 1.4b版支援雙向資料傳輸(使用音訊回傳通道)、無失真壓縮音訊編碼方法以及乙太網連接。隨著微型HDMI連接器定義出爐，該介面逐漸找到連接至手機與可攜式音訊裝置的方法，鎖定式連接器使其也能應用在車輛中。

HDMI 2.0擴展

最新的HDMI 2.0標準更進一步增進了不少特性與功能，最重要的是超高解析(UHD)選項，能夠以50/60Hz的更新率傳送4k解析度影像。4K主要包含4,096x2,160與3,840x2,160 2種解析度規格。此外，傳輸頻寬大幅提升到18Gbit/s以及擴展至支援21:9長寬比、32聲道、4組音訊串流與消費性電子產品控制(CEC)。HDMI 2.0並可向下相容HDMI 1.4、支援雙畫面與動態自動聲畫同步。

圖2：隨著解析度從SD逐漸升級至UHD，最新HDMI 2.0標準即針對支援4K UHD最佳化。

所有這些特點使HDMI成為音訊和視訊領域最成功以及最通用的連接器系統。各種先進的電視機、DVD和藍光播放機、A/V接收機和遊戲機都能透過HDMI電纜相互連接。具有環繞音效的數位多通道音訊以及高解析度電視訊號都能在同一根電纜上傳輸。

為了確保HDMI 2.0可順利實現高速影音傳輸，不至於出現馬賽克與破音的情形，必須透過三種測試與驗證方式確保配備HDMI介面的產品可正確地收發影音與控制訊號以及確保影音品質，包括依據相容性測試規範(CTS)進行相容性測試、電器係數測試，以及音訊與視訊性能測試。

CTS定義來源端裝置與接收端裝置之間訊號可相容與傳輸的通訊協定。這一類的測試可以經由簡單的測試設備來進行Pass/Fail的Go/Non-Go測試，例如R&S VTC/VTE/VTS視訊測試儀，可用於進行先期驗證與標準認證測試。此外，電器係數測試一般採用高頻寬示波器進行，透過眼圖呈現的位準、時間、寬度與抖動等數據來判斷性能優劣；然而，高頻寬示波器一台動輒超過百萬新台幣，往往超出一般單位的預算支出。VTx系列除了支援HDMI 2.0通訊測試，還可依據CTS的要求進行HDMI電器係數測試，利用平行取樣原理取代高頻寬示波器量測，從而省下不少預算。

HDMI影音性能測試

在開發、測試和生產裝置與晶片產品的過程中，消費性電子產品製造商還必須展開完整的音視訊測試。如果產品配備HDMI介面，除了符合CTS確保相容性與電器係數以外，製造商也可以透過一款能夠測試音訊以及傳輸InfoFrames與視訊訊號的音訊分析儀來確保音視訊品質。

此外，音訊分析儀必須提供所有的傳統音訊介面，包括類比通道的幾路XLR輸入，用於測試揚聲器、耳機和前置放大器輸出訊號；採用S/P DIF格式(Sony/飛利浦數位介面)的數位音訊介面，用於BNC和TOSLINK連接器；以及數位I²S介面(IC間的音訊介面)，用於發送和接收端的多通道音訊IC測試。

不同應用的測試要求差異大。因此，測試儀器必須可進行配置以因應任何介面組合。音訊分析儀必須能夠饋送I²S訊號給晶片，接著分析晶片的HDMI輸出結果。音訊分析儀把HDMI測試訊號應用在A/V接收機輸入，然後測試該接收機類比揚聲器輸出或耳機輸出的音訊品質。數位輸出則可透過S/P DIF電纜或HDMI音訊回傳通道進行測試。例如，除了驗證正確的通道分配以外，環繞音效傳輸的音訊分析還包括音訊訊號是否能夠正確傳送。

音訊測試配置

HDMI可分為雙通道和8通道資料結構。8通道資料結構最多有8路數位音訊訊號(環繞聲道)可作為線性PCM資料傳送，其中PCM資料字元長最多24位元，取樣率最高192kHz。HDMI也可以傳送壓縮的資料串流，包括使用Dolby技術的壓縮串流。

快速且高效測試8通道傳輸必須採用具有8路平行通道的測試儀器。音訊分析儀能夠同時產生多達8路HDMI或I²S格式的獨立測試訊號，或者能夠平行測量多達8路HDMI、I²S或類比輸入訊號。音訊分析儀不同於專用的HDMI測試儀，它提供的是全面的音訊訊號測試，包括諸如電平、頻率響應、串擾、SNR、THD+N與相位等參數。

此外，它可以產生用於互調測量的正弦訊號和多音訊訊號，以及突波和雜訊訊號，並播放語音與音樂訊號。最先進的音訊分析儀能夠．播放Dolby Digital(DD)和DD+編碼資料串流，並進行解碼以執行即時測量；進行調變係數分析；測量差頻失真(DFD)、DC電壓以及群組延遲；以低至mHz的解析度同時對8路通道執行快速傅立葉轉換(FFT)分析；以及顯示時域軌跡。

FFT分析提供訊號的詳細頻譜表現，在測量總諧波失真和雜訊(THD+N)期間，FFT分析可用於檢測個別雜訊成份。

圖3：搭載4個HDMI埠的R&S UPP-B4選項，能與R&S UPP音訊分析儀搭配用於HDMI測試。

以音訊分析儀測量視訊

HDMI採用通用訊框結構來傳送音訊和視訊資料。該介面適合所有常見的視訊格式，可達到最高解析度。為了能夠測試採用全HDMI資料串流的待測物(DUT)，HDMI測試儀器也必須能夠產生和分析視訊資料。因此，用於HDMI測量的音訊分析儀必須能夠可配置其顏色與色深，產生單色或多色、靜態或移動測試圖案。

例如R&S UPP音訊分析儀能夠產生符合CEA-861-E視訊標準的測試圖案，其最大解析度可達1,920x1,080畫素。有些製造商的測量作業需要更複雜的視訊測試訊號。在此情況下，使用者可以透過HDMI介面饋入其視訊測試序列。UPP分析儀接著結合影像資料與音訊測試訊號，並作為單一HDMI資料串流傳送至DUT。

在相反方向，音訊分析儀接收所有HDMI資料並分析音訊內容。在最簡單場景，傳送的視訊訊號品質可在連接的螢幕上直觀評估。UPP音訊分析儀還可測量畫素時脈、HSync與VSync頻率等多種視訊參數、顯示時序參數，以及確定在HDMI視訊傳輸路徑範圍內的位元誤碼率(BER)。使用音唇同步功能可以測量視訊和音訊訊號之間的時間偏差。

圖4：評估HDMI視訊時序參數

實體HDMI資料通道

透過HDMI介面，資料可在來源端和接收端之間傳送。例如藍光播放機是來源端，電視監示器則是接收端。透過一條HDMI線纜，音訊與視訊資料以及InfoFrames可在4條TMDS線路上的來源端和接收端之間傳送。在顯示資料通道(DDC)內的獨立線路上，HDMI設備交換加密的資訊和一般資訊以便於互連。CEC資料匯流排可雙向攜帶所有連接HDMI設備的遠端控制資料，HDMI乙太網路音訊控制(HEAC)線路則傳送HDMI乙太網路資料和音訊回傳通道資料。

圖5：以HDMI互連的實體通道

HDMI InfoFrame：HDMI大量使用InfoFrame。由來源設備描述InfoFrame內容，如包含有關HDMI來源的通用資訊，而輔助視訊InfoFrame則為HDMI接收端提供大量資訊，包括所傳送的視訊格式、色深與色彩範圍。

HDMI測試儀必須能夠產生所有可搭配HDMI測試訊號輸出的資料，也應能夠讓使用者編輯InfoFrame資料以及刻意傳送不正確的資料至DUT，以便確定DUT是否能正確辨識錯誤並對HDMI規範的要求進行更正。

HDMI顯示資料通道：增強的擴展顯示辨識資料(E-EDID)封包和高頻寬數位內容保護(HDCP)資料加密資訊在DDC上傳送。分析儀必須能夠自動解密HDMI訊號以便進行測量。

E-EDID封包為HDMI來源端提供所連接HDMI接收器支援的視訊與音訊格式資訊。音訊分析儀讀取DUT的E-EDID資訊，並以適當格式建立HDMI測試訊號。相反地，分析儀可為DUT提供其E-EDID資訊。此外，使用者還可以改變音訊分析儀的E-EDID資訊，以測試DUT如何回應。這些分析功能必須非常完整，讓測試工程師不需要專用的HDMI協定測試儀。

HDMI CEC控制：利用雙向的CEC資料線路，能夠以單一遠端控制多個HDMI設備作業。在音訊測量期間，這些資料的傳送不至於發生變化。

HDMI HEAC控制：HEAC線路包括音訊回傳通道(ARC)和HDMI乙太網路通道(HEC)。ARC使音訊訊號能夠從電視傳送至A/V接收機，例如，在多媒體系統中透過揚聲器輸出音訊。另一個例子是R&S UPP音訊分析儀能夠產生和分析ARC上的音訊資料。HEC使HDMI設備能夠瀏覽網際網路上的內容。該分析儀需要有適當雙工資料連接來測試乙太網路功能。

案例：電視接收器測試

HDMI接收器測試的典型例子是透過電視機自有的HDMI介面對電視機進行鑒定。音訊分析儀產生HDMI格式的測試訊號，並發送測試訊號到DUT。對於8通道HDMI，這意味著8路平行的音訊訊號。

聽音測試通常足以驗證通道分配是否正確。在更精確的測試中，電視音訊訊號經由測試儀器饋送傳回後進行分析，這些音訊訊號不是透過類比格式的揚聲器或麥克風，就是經由S/P DIF線纜的數位格式。

透過分析E-EDID資料內容，可驗證DUT對傳送音訊和視酥InfoFrames資料內容的回應。對於視訊品質的視覺分析，測試儀檢驗顯示的影像資料是否正確無誤。

圖6：電視監示器的HDMI接收器測試。

案例：A/V接收機測試

因為A/V接收機同時包含HDMI輸入與輸出，必須在兩個方向上對所有A/V輸入和輸出進行測試。音訊分析儀產生完整的HDMI測試訊號，包括音訊、視訊和資料內容。當在HDMI上輸入此測試訊號時，音訊訊號在A/V接收機中處理，接著被傳送到各個輸出。然後可以在揚聲器、耳機或前置放大器輸出中以類比格式測量這些音訊訊號。為了測試數位輸出，分析儀必須提供與A/V接收機相同的介面。除了S/P DIF介面外，這些介面是用於同軸電纜的RCA埠，和/或用於光纖電纜的TOSLINK連接器。測試儀器可以比較輸入訊號與先前產生的HDMI訊號差別。

如果分析儀以相反方向輸入音訊/視頻測試訊號至DUT，例如透過S/P DIF介面，分析儀可以利用類比輸出或透過HDMI介面，接收和測試相關輸出訊號。

圖7：A/V接收機的HDMI端到端測試

使用Dolby Digital (DD)或DD+方法進行資料壓縮，已經廣泛被使用了，尤其是在消費類電子產品中。為了測試A/V接收機是否正確解壓縮資料，分析儀必須能夠產生這一類資料。

為確保A/V接收機按照HDMI規範工作，也可以測試當HDMI InfoFrames不正確或不匹配時，A/V接收機如何回應。因此，HDMI測試資料必須可編輯。

小結

選擇正確合適的測試儀器，可讓所有重要的測試便在一台儀器上完成，從而顯著減少佔用的空間和成本。透過HDMI數位影音傳輸介面，可有效傳送全數位化的壓縮或未壓縮影音內容。此外，這種HDMI介面可應用於大部分的影音與電腦資訊等設備，包括電視、機上盒、電視遊樂器、DVD播放機、個人電腦等設備，只需經由一條簡單的HDMI傳輸線就可以同步傳輸聲音與影像訊號，大幅簡化影音訊號建置的困難度。

(參考原文：How to perform HDMI measurements，by Klaus Schiffner)