HDMI論壇(HDMI Forum)先前發布的HDMI 2.0規格，可將每通道(Lane)的最大傳輸速率從3.4Gbit/s提高到6Gbit/s。如此一來，總傳輸速率最高可達18Gbit/s，並以4:4:4的全彩格式支援4K影像傳輸。雖然這對消費者而言是一大利多，但卻為製造商帶來許多量測挑戰。比方說，傳輸速率雖高出將近一倍，但仍需支援現有的HDMI纜線，進而因信號完整度不佳而產生裝置互通性(Interoperability)問題。
運作中裝置的阻抗失配是導致信號完整度不佳的原因之一。在高速應用設計中，阻抗匹配極為重要，因此許多高速數位標準均針對阻抗與回返損耗制定限制值。HDMI 2.0對發射端與接收端的差動阻抗要求，詳述於HF1-9與HF2-4相容性測試規格中。大多數標準皆要求待測裝置必須可在量測期間持續運作，因為裝置特性在開機與關機狀態下會有所差異。視裝置設計而定，不同資料速率的阻抗也會有所不同(圖1)。如欲獲得準確的阻抗數據，須在實際運作條件下，針對運作中裝置評估其阻抗值。而現在可使用向量網路分析儀(VNA)進行量測，大幅簡化此一作業。
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| 圖1 這些圖表說明關機(a線)、以1,333Mbps開機(b線)，和以334Mbps(c線)開機時的電源阻抗與回返損耗。 |
量測發射端阻抗
運作中裝置在開機與運作狀態下阻抗量測稱為Hot TDR。Hot TDR量測執行並不容易，因為發射端信號會導致量測錯誤。此處主要的量測挑戰，在於如何消除發射端輸出信號效應並執行穩定的量測。
過去多半使用時域反射計(TDR)示波器來量測Hot TDR。VNA亦適用於此一用途。然而，就儀器架構而言，使用VNA執行的量測遠比基於TDR示波器的量測更具優勢。
阻抗匹配重要性
量測信號完整度時，眼圖是工程師極重視的關鍵指標。阻抗失配所產生的信號反射是影響眼圖開口(Eye Opening)的因素之一。當鏈路中出現一個以上的阻抗失配，便會產生多個反射，導致信號完整度惡化。
發射信號的一部分會因沒有合適的阻抗匹配，而自接收端反射回來，如圖2所示。若發射端的阻抗失配，則信號會重新反射回通道，當信號傳至接收端時，便會導致眼圖閉合。在HDMI 2.0等Multi-gigabit高速系統中，此效應尤為關鍵。因此，發射端與接收端之阻抗匹配是改善信號完整度以及眼圖開口的要件。
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| 圖2 圖中顯示發射端與接收端間的多重反射。 |
可透過圖3中眼圖的模擬結果來比對不同終端的狀況。左邊的眼圖為使用擷取自阻抗失配之實際發射端裝置的回返損耗運算結果，右邊眼圖則是假設發射端已妥善終端運算結果。很明顯地，右邊的眼圖開口較寬，證明發射端之阻抗匹配可有效放大眼圖開口。
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| 圖3 左圖為發射端未妥善終端模擬結果，右圖則為發射端已妥善終端模擬結果。 |
發射端信號對量測影響
TDR示波器和VNA的運作原理都是藉由對待測裝置(DUT)施加激發信號來量測其響應。為量測DUT響應，TDR示波器會使用可達該儀器最大頻寬之寬頻接收器(通常為20GHz)，而VNA則使用窄頻接收器(約為10kHz)。
如圖4頻域圖所示，發射端資料信號效應，會因使用TDR示波器或VNA而有重大差異。在頻域中，資料信號以許多線狀頻譜(或雜波)表示。TDR示波器使用的寬頻接收器可擷取包含雜波在內的所有信號能量，因此量測結果具備大量雜訊。
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| 圖4 圖中顯示時域反射計(TDR)示波器與VNA的Hot TDR量測原理。 |
為了抑制雜訊，還需要進行大量的平均運算(約為1,000次)。反之，VNA會掃描整個量測的頻率範圍，以取得離散頻率點上的資料。VNA所使用的窄頻接收器可過濾出不必要的發射端雜波，而且在許多情況下，不需要另外執行平均運作。由此可知，基於VNA的量測解決方案具有顯著的速度優勢。
當接收器的取樣點與發射端雜波頻率一致時，便無法透過平均運作將源極信號能量降至最低，進而導致受測阻抗資料出現過量的雜訊與漣波(Ripple)，而且還會在頻域響應中出現突波(Spike)。
在此情況下，便須調整取樣點，以避免產生發射端雜波效應，只要調整TDR示波器的TDR重複率即可。由於理想的設定涉及重複率和DUT發射端信號速率的諧波關係，因此每個DUT的理想重複率設定值皆不相同，必須經過反覆試驗才可確認理想設定值。
VNA也有類似的狀況。雖然VNA使用窄頻接收器避開資料信號，但發射端雜波仍可能在頻率掃描期間與量測點一致，因此便必須調整量測點，使其避開發射端雜波頻率。此時只要設定適當的開始與停止頻率及適當的點數即可。某些新型VNA，如E5071C ENA Option TDR，可根據資料速率輸入值，自動設定最佳頻率掃描，將發射端雜波效應降至最低，這項雜波抑制功能提供便捷的Hot TDR量測方式。
圖5顯示ENA Option TDR如何將發射端雜波信號效應降至最低。在此可特別注意，啟動Avoid Spurious功能後，左圖中的發射端雜波效應已降至最低。
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| 圖5 ENA Option TDR可自動將發射端雜波效應降至最低。 |
在設計HDMI 2.0等高速數位標準時，必須考慮運作中裝置或Hot TDR之阻抗量測，因為隨著HDMI 2.0的位元速率增加，須正確評估運作中裝置的阻抗值，以便深入了解信號完整度問題。可以使用TDR示波器進行這類阻抗量測，不過VNA具備更多元的功能及雜波抑制等功能，是執行阻抗量測的理想解決方法，而且比傳統的TDR示波器具備更多優勢。
(本文作者任職於是德科技)