首頁 掌握 MHL/HDMI 規範要點 4K 高速影音傳輸設計一次上手

掌握 MHL/HDMI 規範要點 4K 高速影音傳輸設計一次上手

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掌握 MHL/HDMI 規範要點 4K 高速影音傳輸設計一次上手

by admin

發佈日期:2015/6/24
發佈單位:iST宜特

MHL聯盟公布的MHL3.0規範,包含4K UHD、高速資料傳輸,同時最高可供電10瓦(W),另可支援多螢幕同時輸出,加強音頻體驗。

智慧型手機與平面電視正快速升級至超高解析度(UHD)顯示規格,高解析多媒體影音(HDMI)規格與行動高畫質鏈結(MHL)規格更已成為全球消費性家電及行動裝置標準傳輸介面。

MHL聯盟主要針對消費性行動裝置手機/平板至大螢幕顯示,因此2013年8月公布MHL3.0規範,希望以一條MHL達到影音傳輸大躍進。最新規格包含4K UHD、高速資料傳輸、音頻,同時可供電10瓦(W),另支援多螢幕同時輸出與觸控螢幕。

MHL3.0公布的隔月,HDMI2.0規格也跟著發布。HDMI2.0一舉提升傳輸頻寬至18Gbit/s以支援4K超高解析度;在音頻方面,也有重大提升–支援高達32聲道、自動同步音頻視訊,以及可透過單一搖控器控制多款HDMI裝置的消費性電子產品控制技術(Consumer Electronics Control, CEC)擴充功能。

HDMI1.4b/2.0版本大不同

目前,各家廠商磨刀霍霍投入新規範,準備強攻市場。不過,據驗證實驗室測試HDMI/MHL產品的實務經驗中發現廠商對於新版本所新增的規範掌握度有限,例如MHL3.2 e-CBUS的相關條件,對於HDMI電氣特性也不甚熟悉。因此,本文將以HDMI/MHL新舊版本的差異,進行解讀,期能讓企業在設計產品、申請認證時,對新規範有清楚輪廓。

  • HDMI1.4b規範要點

    1. TMDS Electrical :
      1. Maximum Clock Rate 340MHz
      2. Maximum Total Throughput 10.2Gbit/s(3.4G/Channel)
    2. Protocol Test include:
      1. Character Synchronize Test.
      2. All Video Packet should be test.
    3. Pixel Coding:
      1. RGB 4:4:4, YCbCr 4:4:4 (8-16 bits per component);YCbCr 4:2:2 (12bits Per Component)
    4. Video Timing:
      1. Deep Color Timing.
      2. 3D Video Timing(Top-bottom, side by side, frame sequential 1920P at 120Hz)
      3. 4K2K Timing Support 4096×2160/30Hz
    5. Audio Coding:
      1. High-bitrate Audio(HBR)Sampling up to 768kHz
      2. Maximum Audio Channel 8 Channel
      3. One Bit Audio.
    6. HDCP Version.
      1. Support HDCP 1.x
  • HDMI2.0規範要點

    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.

HDMI2.0/HDMI1.4b規範剖析

針對以上HDMI2.0及HDMI1.4b規範要點,列出容易混淆的項目,並說明如下。

  • HDMI1.4b支援4K2K時序

    有些人認為4K2K是在HDMI2.0才規範出來,實際上1.4b的時代就已經定義4K2K的應用,但是受限於最高頻率,1.4b的4K2K只能應用在Film Mode 24Hz/25Hz/30Hz上,並不是常用的60Hz。

    然而,因為電視晶片在影格率(Frame Rate),也就是視訊格式每秒鐘播放的靜態畫面數量,補償上都有一定的水準(如MEMC技術導入),轉換至60Hz甚至120Hz亦有不錯的表現,所以早期就能看到4K電視的蹤影,甚至到今天4K的內容依舊還是以24Hz/25Hz/30Hz為主。

    特別須要注意的是,由於CEA-861D尚未定義出4K的時序,HDMI把4K的VIC Code自定義為H01/H02/H03/H04(表1)。

    HDMI_VICDescriptionPixel
    Frequency
    (MHz)
    HactiveHblankHfrontHsyncHback
    0X00Reserved-----
    0X014K x 2
    29.97, 30Hz
    297.000
    296.703
    384056017688296
    0X024K x 2K
    29.97, 25Hz
    297.00038401440105688296
    0X034K x 2K
    23.98, 24Hz
    297.000
    296.703
    38401660127688296
    0X044K x 2K
    24Hz (SMPTE)
    297.00040961404102088296
    0X05..0XFFReserved------

    表1 HDMI對4K VIC Code自訂義

  • 最大時脈速度(Maximum Clock Rate)

    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。

  • 4:2:0色彩格式

    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。

  • 高頻寬數位內容保護(HDCP)支援

    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。

  • 時域反射計(TDR)阻抗的量測

    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。

    圖1 HDMI 1.4b TDR量測範例

    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。

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。

  • MHL2.2規範要點

    • 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
  • MHL 3.0規範要點

    • 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

影像訊號傳輸架構相似 MHL/HDMI技術一家親

MHL是由HDMI衍伸出來的規範,在應用上勢必跟HDMI有連結。

  1. MHL連接器對應Micro USB的接腳
  2. MHLHDMI Type A連接

a.MHL連接至HDMI Type A的接腳(表2)

ContactMHL
NumberName
1N/C
2CD_SENSE-
3N/C
4N/C
5TMDS_GND
6N/C
7MHL+
8MHL_Shield
9MHL-
10N/C
ContactMHL
NumberName
11TMDS_GND
12N/C
13N/C
14N/C
15CD_PULLUP
16N/C
17VBUS_CBUS_GND
18VBUS
19CBUS
ShellShield

表2 MHL對應HDMI Type A接腳

b.標準HDMI Type A的接頭(表3)

Type A pinSignal NameWireType A pin
1TMDS Data2+A1
2TMDS Data2 ShieldB2
3TMDS Data2-A3
4TMDS Data1+A4
5TMDS Data1 ShieldB5
6TMDS Data1-A6
7TMDS Data0+A7
8TMDS Data0 ShieldB8
9TMDS Data0-A9
10TMDS Clock+A10
11TMDS Clock ShieldB11
12TMDS Clock -A12
13CECC13
14UtilityC14
15SCLC15
16SDAC16
17DDC/CEC GroundD17
18+5V power5V18
19Hot Plug DetectC19

表3 HDMI Type A接頭

MHL基本上是使用與HDMI類似的架構傳輸影像訊號,但因僅保留一組數據通道,所以必須把Data 0、Data 1、Data 2及Clock同時在Data 0上傳輸(MHL稱為AV Link)。

  • MHL連接至HDMI Type A之應用注意事項

    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MHLHDMI、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。

  • AV Link數據通道的基本特性

    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)。

    圖2 AV Link上的單端波型

  • MHL1與MHL2的CBUS

    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 e-CBUS

    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。

    圖3 Forward Data與Backward Data訊號疊加示意圖

此篇同步刊登於新通訊元件雜誌 6月號172期《 技術前瞻 》
http://www.2cm.com.tw/technologyshow_content.asp?sn=1506030016

若您對訊號測試有相關的業務需求,歡迎洽詢:王先生/ Alvin | +886-3-579-9909 分機 2602 | si@istgroup.com

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