首頁 技术文库 掌握 MHL/HDMI 规范要点 4K 高速影音传输设计一次上手

掌握 MHL/HDMI 规范要点 4K 高速影音传输设计一次上手

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掌握 MHL/HDMI 规范要点 4K 高速影音传输设计一次上手

by admin

发布日期:2015/6/24
发布单位:iST宜特

MHL联盟公布的MHL3.0规范,包含4K UHD、高速数据传输,同时最高可供电10瓦(W),另可支持多屏幕同时输出,加强音频体验。

智能型手机与平面电视正快速升级至超高分辨率(UHD)显示规格,高解析多媒体影音(HDMI)规格与行动高画质链结(MHL)规格更已成为全球消费性家电及行动装置标准传输接口。

MHL联盟主要针对消费性行动装置手机/平板至大屏幕显示,因此2013年8月公布MHL3.0规范,希望以一条MHL达到影音传输大跃进。最新规格包含4K UHD、高速数据传输、音频,同时可供电10瓦(W),另支持多屏幕同时输出与触控屏幕。

MHL3.0公布的隔月,HDMI2.0规格也跟着发布。HDMI2.0一举提升传输带宽至18Gbit/s以支持4K超高分辨率;在音频方面,也有重大提升–支持高达32声道、自动同步音频视讯,以及可透过单一摇控器控制多款HDMI装置的消费性电子产品控制技术(Consumer Electronics Control, CEC)扩充功能。

HDMI1.4b/2.0版本大不同

目前,各家厂商磨刀霍霍投入新规范,准备强攻市场。不过,据验证实验室测试HDMI/MHL产品的实务经验中发现厂商对于新版本所新增的规范掌握度有限,例如MHL3.2 e-CBUS的相关条件,对于HDMI电气特性也不甚熟悉。因此,本文将以HDMI/MHL新旧版本的差异,进行解读,期能让企业在设计产品、申请认证时,对新规范有清楚轮廓。

  • HDMI1.4b规范要点

    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规范要点

    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规范剖析

针对以上HDMI2.0及HDMI1.4b规范要点,列出容易混淆的项目,并说明如下。

  • HDMI1.4b支援4K2K时序

    有些人认为4K2K是在HDMI2.0才规范出来,实际上1.4b的时代就已经定义4K2K的应用,但是受限于最高频率,1.4b的4K2K只能应用在Film Mode 24Hz/25Hz/30Hz上,并不是常用的60Hz。

    然而,因为电视芯片在影格率(Frame Rate),也就是视讯格式每秒钟播放的静态画面数量,补偿上都有一定的水平(如MEMC技术导入),转换至60Hz甚至120Hz亦有不错的表现,所以早期就能看到4K电视的踪影,甚至到今天4K的内容依旧还是以24Hz/25Hz/30Hz为主。

    特别须要注意的是,由于CEA-861D尚未定义出4K的时序,HDMI把4K的VIC Code自定义为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对4K VIC Code自定义义

  • 最大频率速度(Maximum Clock Rate)

    HDMI1.4b最大支持频率为340MHz,在物理层(PHY)上的频率可以到达3.4GHz。因此,在视讯格式(Video Format)上只要不超过340MHz的时序,基本上都可以传输HDMI1.4b的4k2k/30Hz、频率速度为148.75MHz×2=297.5MHz,远小于340MHz。但是,若产品需要同时支持高彩(Deep Color)时,将会产生问题。

    当4K遇上高彩时,频率必须测到12bit,也就是297.5MHz×12/8=446.25MHz,已经远大于340MHz。所以,在1.4b时代,4K与高彩技术是不能同时存在的,测试及产品定义时务必小心以免误判。

    HDMI2.0最大支持频率是600MHz,在数据信道(Data Lane)上的频率可以到达6GHz。主要就是希望能支持4K2K/60Hz的时序,其实际频率为297.5MHz×2=595MHz。

    因此4K2K/30Hz的高彩便可以在HDMI2.0上实现,但是4K2K/60Hz同样在高彩上不能并存,理由跟先前讨论的一样,频率为595MHz×12/8=892.5MHz已超过上限许多,其余时序的应用组合只要能反推Color Rate就可了解是否可行。

  • 4:2:0色彩格式

    HDMI2.0另外一项比较新的规格,为导入420的色彩格式(Color Format)。在420的格式下,影像会被压缩为原来的1/4。所以,如果在4K/60Hz的时序下,频率速度仅为595MHz/4=148.75MHz,与一般的FHD 1,920×1,080/60Hz频率速度一致,而4K2K/30Hz下,仅有297.5MHz/4=74.375MHz。这项应用在广播上十分需要,才不会因为播放4K内容而过度占据带宽。

  • 高带宽数字内容保护(HDCP)支持

    HDMI2.0虽已于2013年9月发表,HDCP1.X却仍被普遍使用,因此HDMI 2.0在HDCP的搭配上没有限制一定要使用HDCP2.2。也就是说,HDMI2.0配HDCP1.x在认证上是允许的。原因有两点,其一,厂商毕竟无法立即推出强制使用HDCP2.2的影像内容;其二,影音播放器在市场上更换的速度也没这么快。

  • 时域反射计(TDR)阻抗的量测

    HDMI1.4b兼容性测试标准(CTS)中只规范接收装置(Sink Device)的阻抗量测,而量测的范围是以连接器(Connector)端至IC Pad阻抗上升缘为止,虽然CDF中接收装置可以自行宣告印刷电路板(PCB)走线(Trace)的长度,但最终量测还是会以TDR上看到的终端为主;此外,HDMI1.4 b的TDR是在装置不上电的状况下测量。图1为HDMI1.4b TDR量测的范例。

    图1 HDMI 1.4b TDR量测范例

    HDMI2.0对应于HDMI1.4b阻抗量测则作了以下的修改。

    1. 测试时待测装置(DUT)必须是Turn On的状态。
    2. 新定义了Zdiff_Term的区间,是指集成电路(IC)内部终端电阻并上后所量测到的阻抗。
    3. 原先由连接器至IC Pad之间的阻抗定义为Zdiff_Through。
    4. Zdiff_Term的容许范围为90~110奥姆(Ω);Zdiff_Through的容许范围为85~115奥姆(250pS内允许75~125奥姆)。
    5. 来源端装置(Source)与目标端装置(Sink)都须要量测。

    HDMI2.0早在2013年9月就已发表,然而相关细项及认证的规范,并未一次全部公布,因此依据惯例,在认定上仍采取较为宽松的态度,因此,厂商毋须全部功能都做到,才能宣称支持HDMI2.0的功能。

    音频/视讯/充电一次满足 MHL称霸行动装置传输接口

    2010年开始,包括Silicon Image、诺基亚(Nokia)、索尼(SONY)、东芝(Toshiba)与三星(Samsung)等五家公司共组MHL联盟,目的在提供一个能够同时满足音频、视讯、数据输出,并同时为行动装置充电的解决方案,让所有需求透过一条线,即可完全解决。目前全球采用MHL规格的装置,已出货超过六亿五千万件,这也使得MHL成为行动装置输出视讯的技术标准。

音频/视讯/充电一次满足 MHL称霸行动装置传输接口

2010年开始,包括Silicon Image、诺基亚(Nokia)、索尼(SONY)、东芝(Toshiba)与三星(Samsung)等五家公司共组MHL联盟,目的在提供一个能够同时满足音频、视讯、数据输出,并同时为行动装置充电的解决方案,让所有需求透过一条线,即可完全解决。目前全球采用MHL规格的装置,已出货超过六亿五千万件,这也使得MHL成为行动装置输出视讯的技术标准。

  • MHL2.2规范要点

    • MHL1提供5伏特(V)/500毫安(mA),MHL2提供5伏特/900毫安的充电能力。
    • 5接脚Micro USB相容的接头
    • 支持CEC功能
    • 能传输1,080p无损的HD Video
    • 支持8 Channel 7.1声道无损传输
    • 使用HDCP 1.x加密技术
  • MHL 3.0规范要点

    • 支援4K(UHD)3840×2160/30Hz的时序
    • 改良的Remote Control Protocol(RCP)新增加Remote指令
    • HID Support(Human Interface Device)周边支持触控键盘及鼠标
    • 10瓦高功率充电
    • 使用HDCP 2.2加密功能
    • 向下兼容MHL1及MHL2
    • Enhanced 7.1 Surround Sound with Dolby TrueHD and DTS-HD
    • 使用5接脚Micro USB兼容的连接器
    • 支持多屏幕同时显示

影像信号传输架构相似 MHL/HDMI技术一家亲

MHL是由HDMI衍伸出来的规范,在应用上势必跟HDMI有连结。

  1. MHL连接器对应Micro USB的接脚
  2. MHLHDMI Type A连接

a.MHL连接至HDMI Type A的接脚(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对应HDMI Type A接脚

b.标准HDMI Type A的接头(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接头

MHL基本上是使用与HDMI类似的架构传输影像信号,但因仅保留一组数据信道,所以必须把Data 0、Data 1、Data 2及Clock同时在Data 0上传输(MHL称为AV Link)。

  • MHL连接至HDMI Type A之应用注意事项

    首先,热插入侦测(HPD)接脚是被CBUS取代,因此CBUS除了有沟通功能外,还必须携带HPD的功能。再者,CD Sense的信号线(Cable)中内建了一个3.3K的电阻,对应另一端是接在CD Pullup。因此当MHL-Type A的信号线,插入HDMI/MHL 接收装置时,同时会看到原来SCL上Pull-high的电阻,可利用这种特性做电压检测(Voltage Detection),来决定MHLHDMI、无信号(No Cable)三种状态。

    此外,Vbus为原来HDMI+5伏特的接脚,在MHL连接至HDMI Type A应用上,则变更为5伏特供电的功能;在MHL2的规范下必须能提供900毫安的电流;而在MHL3的规范下甚至可以到2安培,接收端的设计除了注意电流方向之外还要依据MHL的规范提供对应的电流。

  • AV Link数据信道的基本特性

    MHL1/2规范中,由于三组数据跟Clock都是集中在AV Link上,因此AV Link被设计成以下特性。

    • Data Bit Rate为原来HDMI的3倍,也就是说,传输一个像素需要30Tbit。
    • 在Pack-pixel Mode因为只用到原HDMI两个数据信道,故传输一个像素仅需要20Tbit
    • Clock被设计为单端模式波形(Signal-end Waveform),而Clock Time依然为10Tbit
    • AV Link上的单端波型可以看到Clock及数据同时传输的波型(图2)。

    图2 AV Link上的单端波型

  • MHL1与MHL2的CBUS

    HDMI中的DDC Bus功能被CBUS取代,一般应用上,DDC对外传输速度只能在约100kHz下工作,而CBUS则可在1MHz工作,可传输的数据量大幅增加。可惜在MHL1/2规范中人机接口装置(Human Interface Device, HID)中并未被定义出来。因此,许多应用如键盘、鼠标及触控的坐标,没有标准的协议,实用性被打了折扣。

  • MHL3 e-CBUS

    MHL3的e-CBUS有单端跟差分(Differential Mode)两种模式。前者速度可达75MHz,后者更可高达150MHz,然而差分在应用开发的进度上似乎慢许多。

    MHL3的架构跟MHL1/2差异很大,基本上Clock已经不再迭加在数据上,而是在e-CBUS上传输。因此MHL3的e-CBUS的频率速度可以高达75MHz,AV Link的Clock则依据速率乘上不同的N值达成,如1.5G的N值为20(75MHz 20=1.5GHz);6GHz的N值为80(75MHz 80=6GHz)。

    此外,MHL3的e-CBUS定义了Forward Data与Backward Data两种型态,前者是指来源端传输给接收端的数据,由来源端驱动;后者是指接收端传输给来源端,由来源端驱动,此两种型态信号的层级不同并各自独立,因此在e-CBUS上可以看到迭加的现象。如果测量点是在TP2则可以看到如图3的波型。

    图3 Forward Data与Backward Data信号迭加示意图

此篇同步刊登于新通讯组件杂志 6月号172期《 技术前瞻 》
http://www.2cm.com.tw/technologyshow_content.asp?sn=1506030016

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