掌握MHL/HDMI規範　4K影音傳輸設計一次上手

在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 Electronis 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

I.TMDS Electrical :

1.Maximum Clock Rate 340MHz

2.Maximum Total Throughput 10.2Gbit/s(3.4G/Channel)

II.Protocol Test include:

1.Character Synchronize Test.

2.All Video Packet should be test.

III.Pixel Coding:

1.RGB 4:4:4, YCbCr 4:4:4 (8-16 bits per component);YCbCr 4:2:2 (12bits Per Component)

IV.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

V.Audio Coding:

1.High-bitrate Audio(HBR)Sampling up to 768kHz

2.Maximum Audio Channel 8 Channel

3.One Bit Audio.

VI.HDCP Version.

1.Support HDCP 1.x

HDMI2.0規範要點

I.TMDS Electrical:

1.Maximum Clock Rate 600MHz

2.Maximum Total Throughput 18Gbit/s(6G/Channel)

II.Protocol Test include: 1.Source Sink TMDS Protocol Scrambling Test.

2.Sink Character Error Detection Tests(CED)

III.Pixel Coding:

1.Support 4:2:0 Chroma Subsampling.

2.4:2:0 Deep Color.

IV.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

V.Audio Coding:

1.HBR Audio Sampling up to 1536KHz

2.Maximum Audio Channel 32 Channel

VI.HDCP Version: v 1.Support HDCP 2.2 and 1.x

VII.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)。

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

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。

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。

a.測試時待測裝置(DUT)必須是Turn On的狀態。

b.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。

c.原先由連接器至IC Pad之間的阻抗定義為Zdiff_Through。

d.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)。

e.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。

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.MHL與HDMI Type A連接

a.MHL連接至HDMI Type A的接腳(表2)

表2 MHL對應HDMI Type A接腳

b.標準HDMI Type A的接頭(表3)

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。

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

(本文作者為宜特訊號測試事業處協理)