掌握 MHL/HDMI 規範要點 4K 高速影音傳輸設計一次上手

1. TMDS Electrical:
   1. Maximum Clock Rate 600MHz
   2. Maximum Total Throughput 18Gbit/s(6G/Channel)
2. Protocol Test include:
   1. Source Sink TMDS Protocol Scrambling Test.
   2. Sink Character Error Detection Tests(CED)
3. Pixel Coding:
   1. Support 4:2:0 Chroma Subsampling.
   2. 4:2:0 Deep Color.
4. Video Timing:
   1. 2160p 24-bit Color Depth, Deep Color, 3D
   2. Non-2160p 24-bit Color Depth, Non-2160p 24bit Color Depth
   3. Maximum Resolution at 24bit/px, 4096×2160/60Hz
5. Audio Coding:
   1. HBR Audio Sampling up to 1536KHz
   2. Maximum Audio Channel 32 Channel
6. HDCP Version:
   1. v 1.Support HDCP 2.2 and 1.x
7. SCDC A8/A9 Support Test:
   1. Character Error Detect Support Behavior Test.
   2. Status and Control Data Channel(SCDC)Behavior Test.

HDMI1.4b最大支援頻率為340MHz，在實體層(PHY)上的頻率可以到達3.4GHz。因此，在視訊格式(Video Format)上只要不超過340MHz的時序，基本上都可以傳輸HDMI1.4b的4k2k/30Hz、時脈速度為148.75MHz×2=297.5MHz，遠小於340MHz。但是，若產品需要同時支援高彩(Deep Color)時，將會產生問題。

當4K遇上高彩時，頻率必須測到12bit，也就是297.5MHz×12/8=446.25MHz，已經遠大於340MHz。所以，在1.4b時代，4K與高彩技術是不能同時存在的，測試及產品定義時務必小心以免誤判。

HDMI2.0最大支援頻率是600MHz，在數據通道(Data Lane)上的頻率可以到達6GHz。主要就是希望能支援4K2K/60Hz的時序，其實際頻率為297.5MHz×2=595MHz。

因此4K2K/30Hz的高彩便可以在HDMI2.0上實現，但是4K2K/60Hz同樣在高彩上不能並存，理由跟先前討論的一樣，頻率為595MHz×12/8=892.5MHz已超過上限許多，其餘時序的應用組合只要能反推Color Rate就可了解是否可行。

HDMI2.0另外一項比較新的規格，為導入420的色彩格式(Color Format)。在420的格式下，影像會被壓縮為原來的1/4。所以，如果在4K/60Hz的時序下，時脈速度僅為595MHz/4=148.75MHz，與一般的FHD 1,920×1,080/60Hz時脈速度一致，而4K2K/30Hz下，僅有297.5MHz/4=74.375MHz。這項應用在廣播上十分需要，才不會因為播放4K內容而過度占據頻寬。

HDMI2.0雖已於2013年9月發表，HDCP1.X卻仍被普遍使用，因此HDMI 2.0在HDCP的搭配上沒有限制一定要使用HDCP2.2。也就是說，HDMI2.0配HDCP1.x在認證上是允許的。原因有兩點，其一，廠商畢竟無法立即推出強制使用HDCP2.2的影像內容；其二，影音播放器在市場上更換的速度也沒這麼快。

在HDMI1.4b相容性測試標準(CTS)中只規範接收裝置(Sink Device)的阻抗量測，而量測的範圍是以連接器(Connector)端至IC Pad阻抗上升緣為止，雖然CDF中接收裝置可以自行宣告印刷電路板(PCB)走線(Trace)的長度，但最終量測還是會以TDR上看到的終端為主；此外，HDMI1.4 b的TDR是在裝置不上電的狀況下測量。圖1為HDMI1.4b TDR量測的範例。

HDMI2.0對應於HDMI1.4b阻抗量測則作了以下的修改。

1. 測試時待測裝置(DUT)必須是Turn On的狀態。
2. 新定義了Zdiff_Term的區間，是指積體電路(IC)內部終端電阻並上後所量測到的阻抗。
3. 原先由連接器至IC Pad之間的阻抗定義為Zdiff_Through。
4. Zdiff_Term的容許範圍為90~110歐姆(Ω)；Zdiff_Through的容許範圍為85~115歐姆(250pS內允許75~125歐姆)。
5. 來源端裝置(Source)與目標端裝置(Sink)都須要量測。

HDMI2.0早在2013年9月就已發表，然而相關細項及認證的規範，並未一次全部公布，因此依據慣例，在認定上仍採取較為寬鬆的態度，因此，廠商毋須全部功能都做到，才能宣稱支援HDMI2.0的功能。

音訊/視訊/充電一次滿足　MHL稱霸行動裝置傳輸介面

2010年開始，包括Silicon Image、諾基亞(Nokia)、索尼(SONY)、東芝(Toshiba)與三星(Samsung)等五家公司共組MHL聯盟，目的在提供一個能夠同時滿足音訊、視訊、資料輸出，並同時為行動裝置充電的解決方案，讓所有需求透過一條線，即可完全解決。目前全球採用MHL規格的裝置，已出貨超過六億五千萬件，這也使得MHL成為行動裝置輸出視訊的技術標準。

• MHL1提供5伏特(V)/500毫安培(mA)，MHL2提供5伏特/900毫安培的充電能力。
• 5接腳Micro USB相容的接頭
• 支援CEC功能
• 能傳輸1,080p無損的HD Video
• 支援8 Channel 7.1聲道無損傳輸
• 使用HDCP 1.x加密技術

• 支援4K(UHD)3840×2160/30Hz的時序
• 改良的Remote Control Protocol(RCP)新增加Remote指令
• HID Support(Human Interface Device)周邊支援觸控鍵盤及滑鼠
• 10瓦高功率充電
• 使用HDCP 2.2加密功能
• 向下相容MHL1及MHL2
• Enhanced 7.1 Surround Sound with Dolby TrueHD and DTS-HD
• 使用5接腳Micro USB相容的連接器
• 支援多螢幕同時顯示

首先，熱插拔偵測(HPD)接腳是被CBUS取代，因此CBUS除了有溝通功能外，還必須攜帶HPD的功能。再者，CD Sense的訊號線(Cable)中內建了一個3.3K的電阻，對應另一端是接在CD Pullup。因此當MHL-Type A的訊號線，插入HDMI/MHL 接收裝置時，同時會看到原來SCL上Pull-high的電阻，可利用這種特性做電壓檢測(Voltage Detection)，來決定MHL、HDMI、無訊號(No Cable)三種狀態。

此外，Vbus為原來HDMI+5伏特的接腳，在MHL連接至HDMI Type A應用上，則變更為5伏特供電的功能；在MHL2的規範下必須能提供900毫安培的電流；而在MHL3的規範下甚至可以到2安培，接收端的設計除了注意電流方向之外還要依據MHL的規範提供對應的電流。

MHL1/2規範中，由於三組數據跟Clock都是集中在AV Link上，因此AV Link被設計成以下特性。

• Data Bit Rate為原來HDMI的3倍，也就是說，傳輸一個像素需要30Tbit。
• 在Pack-pixel Mode因為只用到原HDMI兩個數據通道，故傳輸一個像素僅需要20Tbit
• Clock被設計為單端模式波形(Signal-end Waveform)，而Clock Time依然為10Tbit
• AV Link上的單端波型可以看到Clock及數據同時傳輸的波型(圖2)。

HDMI中的DDC Bus功能被CBUS取代，一般應用上，DDC對外傳輸速度只能在約100kHz下工作，而CBUS則可在1MHz工作，可傳輸的資料量大幅增加。可惜在MHL1/2規範中人機介面裝置(Human Interface Device, HID)中並未被定義出來。因此，許多應用如鍵盤、滑鼠及觸控的座標，沒有標準的協議，實用性被打了折扣。

MHL3的e-CBUS有單端跟差分(Differential Mode)兩種模式。前者速度可達75MHz，後者更可高達150MHz，然而差分在應用開發的進度上似乎慢許多。

MHL3的架構跟MHL1/2差異很大，基本上Clock已經不再疊加在數據上，而是在e-CBUS上傳輸。因此MHL3的e-CBUS的時脈速度可以高達75MHz，AV Link的Clock則依據速率乘上不同的N值達成，如1.5G的N值為20(75MHz 20=1.5GHz)；6GHz的N值為80(75MHz 80=6GHz)。

此外，MHL3的e-CBUS定義了Forward Data與Backward Data兩種型態，前者是指來源端傳輸給接收端的資料，由來源端驅動；後者是指接收端傳輸給來源端，由來源端驅動，此兩種型態訊號的層級不同並各自獨立，因此在e-CBUS上可以看到疊加的現象。如果測量點是在TP2則可以看到如圖3的波型。