為了因應(yīng)消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)于高畫(huà)質(zhì)影音應(yīng)用需求日益增加，HDMI Forum 于 2017 年底發(fā)布了 HDMI 2.1 的最新規(guī)格，其中最令人驚艷的新功能就是加入FRL （Fixed Rate Link）的傳輸模式，它可以說(shuō)是顛覆了以往 HDMI 接口 傳送訊號(hào)的方式。HDMI 2.1 發(fā)布以前是使用TMDS （Transition Minimized Differential Signaling，最小化傳輸差分訊號(hào)）的架構(gòu)來(lái)進(jìn)行訊號(hào)的傳輸，最高帶寬可達(dá) 18Gbps，可用來(lái)傳送 3840x2160p 60 等 4K 高畫(huà)質(zhì)影像，而 FRL 模式的帶寬則提升到 48 Gbps，利用壓縮的方式則可傳送高達(dá)10K 分辨率的影像，而 FRL 是如何達(dá)成這樣的高帶寬呢？

圖一：HDMI 帶寬演進(jìn)

關(guān)于 HDMI 信道傳輸?shù)倪\(yùn)作方式，在傳統(tǒng)的TMDS 架構(gòu)下，是利用一個(gè)獨(dú)立的信道來(lái)傳送 Clock 訊號(hào)，但在 FRL 的架構(gòu)中，將Clock 嵌入在 Data 的訊號(hào)中，再透過(guò)后續(xù)的 Clock Recovery 處里方式來(lái)解析出 Clock 的訊號(hào)（如圖二），如此一來(lái)就可以多一條信道來(lái)傳送影像訊號(hào)，帶寬因此便獲得提升。另一方面，在 FRL 架構(gòu)下，導(dǎo)入新的物理層傳送方式，在 TMDS 使用的 8b/10b 編碼方式，而FRL 中是使用 16b/18b 的編碼方式（如圖三），進(jìn)一步提升信道帶寬的使用率，讓通道可傳輸更高的分辨率及影像更新率，提供消費(fèi)者更好的影音質(zhì)量體驗(yàn)。

圖二：HDMI 訊號(hào)信道示意圖

圖三：16b/18b 編碼轉(zhuǎn)換示意圖

由于在 FRL 架構(gòu)下，是透過(guò)Link Training 的方式來(lái)決定當(dāng)下是要用甚么速率來(lái)傳輸訊號(hào)，HDMI 2.1 FRL 模式定義了六種信道速率讓客戶(hù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的規(guī)格（如表一）。其中特別的是 FRL 模式依然保有 3 通道的傳輸方式，由于支持 HDMI 2.1 FRL 的產(chǎn)品需向下兼容 HDMI TMDS 模式，原有的 Clock 信道規(guī)格上可有較大通道衰減，為了 讓客戶(hù)能在既有的架構(gòu)下也能支持 FRL 模式，所以才有 3 條通道的設(shè)計(jì)。

表一：FRL 速率與信道關(guān)系圖

在 HDMI 2.1 FRL 模式下，可以支持最高每條通道達(dá) 12Gbps，由于傳輸速率的提升，就會(huì)面臨到高速訊號(hào)在通道上更大的衰減，為了改善訊號(hào)的衰減，HDMI2.1 導(dǎo)入了更多樣化的 Equalizer 應(yīng)用（如圖四）。

圖四：HDMI Equalizer 示意圖

在 Transmitter 端加入 Feed Forward Equalizer （FFE）的均衡器，由四種不同大小的 De-emphasis 和 Pre-shoot 值組成，如下圖五所示，Tx 端在 Link Training 時(shí)會(huì)使用 0=TxFFE0 的 FFE，若需要傳輸更高速率的訊號(hào)，Tx 會(huì)再經(jīng)由 Link Training 來(lái)決定較高的 FFE 補(bǔ)償，以確保影音數(shù)據(jù)能完整傳送至 Sink 端。

圖五：HDMI Feed Forward Equalizer 模塊

Receiver 端則是使用 Continuous Time Linear Equalizer（CTLE）及 Decision Feedback Equalizer，不同數(shù)據(jù)速率的訊號(hào)可選擇使用不同程度的 CTLE，將經(jīng)過(guò)了線(xiàn)纜損耗的訊號(hào)，在接收端更完整的被還原回來(lái)。圖七是訊號(hào)加上了FFE 與不同程度 CTLE 補(bǔ)償后的眼圖。

圖六：HDMI Continuous Time Linear Equalizer 模塊

圖七：訊號(hào)經(jīng)過(guò) FFE 與 CTLE 的補(bǔ)償

除了訊號(hào)傳輸?shù)募軜?gòu)做了改變，在低速訊號(hào) Display Data Channel （DDC）上傳輸?shù)?Extended Display Identification Data（EDID），以及 Status and Control Data Channel（SCDC），都開(kāi)放寫(xiě)入原本 Reserve 的空間，來(lái)增加 FRL mode 新增的功能宣示，而這些低速訊號(hào)的溝通在 FRL 的 Link Training 過(guò)程中是極度重要的角色。

以下是簡(jiǎn)化的 Link Training 流程（如下圖八）：

1. Source 讀取 Sink 的 EDID 確認(rèn)是否支持FRL 模式，若無(wú)支持 FRL 模式則會(huì)回到 TMDS 模式

2. Sink 會(huì)透過(guò)寫(xiě)入 SCDC Status Flags 中的 FLT_Ready 來(lái)告知 Source 可以進(jìn)行 Link Training，當(dāng) Source 查詢(xún)到 FLT_Ready 值被設(shè)定后，即可設(shè)定要輸出的 FRL Data Rate，支持的通道數(shù)并設(shè)定相對(duì)的 TxFFE 值

3. Sink 會(huì)要求 Source 輸出相對(duì)應(yīng)的 Link Training Pattern，確認(rèn)無(wú)誤之后即可進(jìn)入正式的 FRL 訊號(hào)傳輸。

圖八：FRL Link Training 過(guò)程

除了提升信道帶寬達(dá)到高分辨率影像傳輸，HDMI 2.1 首次引用了 Display Stream Compression （DSC）的技 術(shù)，DSC 只可使用在 FRL mode 傳輸，以此實(shí)現(xiàn)10K 影像的傳送，DSC 概念是以分割或分段等方式，將影像壓縮 后傳輸?shù)?Sink 再進(jìn)行譯碼還原，可以使用較低的帶寬來(lái)傳輸高分辨率影像 （如下圖九所示）。

圖九：DSC 示意圖

而隨著信道帶寬的提升，訊號(hào)傳輸時(shí)，對(duì)于信道損耗便有更嚴(yán)格的要求，用以傳輸訊號(hào)的線(xiàn)纜也升級(jí)到Ultra High Speed HDMI Cable，也就是 Category 3 線(xiàn)纜 （如下圖十），可以傳輸高達(dá) 48G 的帶寬，相較于先前的線(xiàn)纜e認(rèn)證，增加了許多項(xiàng)目，如 ACR （Attenuation to Crosstalk Ratio）等等。

圖十：Ultra High Speed HDMI Cable

HDMI 2.1 也在消費(fèi)者使用體驗(yàn)上做了許多更新，相較于 HDMI1.4 開(kāi)發(fā)的 Audio Return Channel （ARC），HDMI2.1 新增了Enhanced AudioReturn Channel （eARC），比較表如下圖十一，eARC 能夠傳輸高達(dá)到八聲道的聲音，以及更高階的聲音格式如 Dolby TrueHD，Atmos 等等，讓消費(fèi)者在家也能有與劇院相同等級(jí)的影音享受。

圖十一：ARC 與 eARC 的比較表

除了影音傳輸?shù)膸捝?jí)，HDMI2.1 更新增了提升畫(huà)面細(xì)致度的技術(shù)，HDMI2.0 推出的靜態(tài) High Dynamic Range （HDR），是對(duì)整部的影像做同樣參數(shù)的處理，HDMI2.1 推出的動(dòng)態(tài) HDR （如下圖十二），是可以針對(duì)每一段場(chǎng)景，甚至是每一幀的畫(huà)面都做不同的處理，讓影像更真實(shí)的呈現(xiàn)給觀(guān)影者。

圖十二：靜態(tài)與動(dòng)態(tài) HDR 比較

HDMI2.1 也定義了一些 Gaming Mode 的功能，包含可變刷新速率 Variable Refresh Rate （VRR），快速媒體切換 Quick Media Switching （QMS），快速幀傳輸 Quick Frame Transport （QFT），以及自動(dòng)低延遲模式 Auto Low Latency Mode （ALLM），整體的概念是提高幀的轉(zhuǎn)換速度，減少影音輸出到屏幕時(shí)的延遲，讓使用者在游戲的畫(huà)面轉(zhuǎn)換中減少畫(huà)面失真或是畫(huà)面破格的情況。

簡(jiǎn)單比較 HDMI2.1 的新增項(xiàng)目如下圖十三，以認(rèn)證來(lái)說(shuō) HDMI2.1 已全面取代 HDMI2.0，差別在于HDMI2.1 之下分為FRL 與 TMDS 兩種模式，目前支持 FRL 的 Source，Sink 與連接器都已經(jīng)可以進(jìn)行測(cè)試認(rèn)證，GRL 也已經(jīng)有相關(guān)測(cè)試取證的經(jīng)驗(yàn)，而 DSC，HDR 與 Gaming Mode 的相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目還未發(fā)表，期盼未來(lái)整體技術(shù)更加完整，以提升 HDMI 影像產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

圖十三：HDMI Legacy 2.0 與 HDMI2.1 比較

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