HDMI 2.1 Fixed Rate Link (FRL) mode總覽

2021-01-15 電子工程專輯

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為了因應消費市場對於高畫質影音應用需求日益增加，HDMI Forum發布了 HDMI 2.1 的最新規格，其中最令人驚豔的新功能就是加入 FRL (Fixed Rate Link)的傳輸模式，它可以說是顛覆了以往 HDMI 接口傳送訊號的方式。HDMI 2.1 發布以前是使用 TMDS (Transition Minimized Differential Signaling，最小化傳輸差分訊號)的架構來進行訊號的傳輸，最高帶寬可達 18Gbps，可用來傳送 3840x2160p 60 等 4K 高畫質影像，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 10K 解析度的影像，而 FRL 是如何達成這樣的高帶寬呢？

圖一：HDMI 帶寬演進

關於 HDMI 信道傳輸的運作方式，在傳統的 TMDS 架構下，是利用一個獨立的信道來傳送 Clock 訊號，但在 FRL 的架構中，將 Clock 嵌入在 Data 的訊號中，再透過後續的 Clock Recovery 處裡方式來解析出 Clock 的訊號(如圖二)，如此一來就可以多一條信道來傳送影像訊號，帶寬因此便獲得提升。另一方面，在 FRL 架構下，導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)，進一步提升信道帶寬的使用率，讓通道可傳輸更高的解析度及影像更新率，提供消費者更好的影音質量體驗。

圖二：HDMI 訊號信道示意圖

圖三：16b/18b 編碼轉換示意圖

由於在 FRL 架構下，是透過 Link Training 的方式來決定當下是要用甚麼速率來傳輸訊號，HDMI 2.1 FRL 模式定義了六種信道速率讓客戶設計產品的規格(如表一)。其中特別的是 FRL 模式依然保有 3 通道的傳輸方式，由於支持 HDMI 2.1 FRL 的產品需向下兼容 HDMI TMDS 模式，原有的 Clock 信道規格上可有較大通道衰減，為了 讓客戶能在既有的架構下也能支持 FRL 模式，所以才有 3 條通道的設計。

表一：FRL 速率與信道關係圖

在 HDMI 2.1 FRL 模式下，可以支持最高每條通道達 12Gbps，由於傳輸速率的提升，就會面臨到高速訊號在通道上更大的衰減，為了改善訊號的衰減，HDMI2.1 導入了更多樣化的 Equalizer 應用(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 時會使用 0=TxFFE0 的 FFE，若需要傳輸更高速率的訊號，Tx 會再經由 Link Training 來決定較高的 FFE 補償，以確保影音數據能完整傳送至 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，不同數據速率的訊號可選擇使用不同程度的 CTLE，將經過了線纜損耗的訊號，在接收端更完整的被還原回來。圖七是訊號加上了 FFE 與不同程度 CTLE 補償後的眼圖。

圖六：HDMI Continuous Time Linear Equalizer 模塊

圖七：訊號經過 FFE 與 CTLE 的補償

除了訊號傳輸的架構做了改變，在低速訊號 Display Data Channel (DDC)上傳輸的 Extended Display Identification Data (EDID)，以及 Status and Control Data Channel (SCDC)，都開放寫入原本 Reserve 的空間，來增加 FRL mode 新增的功能宣示，而這些低速訊號的溝通在 FRL 的 Link Training 過程中是極度重要的角色。

以下是簡化的 Link Training 流程(如下圖八)：

1. Source 讀取 Sink 的 EDID 確認是否支持 FRL 模式，若無支持 FRL 模式則會回到 TMDS 模式

2. Sink 會透過寫入 SCDC Status Flags 中的 FLT_Ready 來告知 Source 可以進行 Link Training，當 Source 查詢到 FLT_Ready 值被設定後，即可設定要輸出的 FRL Data Rate，支持的通道數並設定相對的 TxFFE 值

3. Sink 會要求 Source 輸出相對應的 Link Training Pattern，確認無誤之後即可進入正式的 FRL 訊號傳輸。

圖八：FRL Link Training 過程

除了提升信道帶寬達到高解析度影像傳輸，HDMI 2.1 首次引用了 Display Stream Compression (DSC)的技 術，DSC 只可使用在 FRL mode 傳輸，以此實現 10K 影像的傳送，DSC 概念是以分割或分段等方式，將影像壓縮 後傳輸到 Sink 再進行解碼還原，可以使用較低的帶寬來傳輸高解析度影像 (如下圖九所示)。

圖九：DSC 示意圖

而隨著信道帶寬的提升，訊號傳輸時，對於信道損耗便有更嚴格的要求，用以傳輸訊號的線纜也升級到Ultra High Speed HDMI Cable，也就是 Category 3 線纜 (如下圖十)，可以傳輸高達 48G 的帶寬，相較於先前的線纜e認證，增加了許多項目，如 ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio)等等。

圖十：Ultra High Speed HDMI Cable

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

圖十一：ARC 與 eARC 的比較表

除了影音傳輸的帶寬升級，HDMI2.1 更新增了提升畫面細緻度的技術，HDMI2.0 推出的靜態 High Dynamic Range (HDR)，是對整部的影像做同樣參數的處理，HDMI2.1 推出的動態 HDR (如下圖十二)，是可以針對每一段場景，甚至是每一幀的畫面都做不同的處理，讓影像更真實的呈現給觀影者。

圖十二：靜態與動態 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)，以及自動低延遲模式 Auto Low Latency Mode (ALLM)，整體的概念是提高幀的轉換速度，減少影音輸出到屏幕時的延遲，讓使用者在遊戲的畫面轉換中減少畫面失真或是畫面破格的情況。

簡單比較 HDMI2.1 的新增項目如下圖十三，以認證來說 HDMI2.1 已全面取代 HDMI2.0，差別在於HDMI2.1 之下分為 FRL 與 TMDS 兩種模式，目前支持 FRL 的 Source，Sink 與連接器都已經可以進行測試認證，GRL 也已經有相關測試取證的經驗，而 DSC，HDR 與 Gaming Mode 的相關測試項目還未發表，期盼未來整體技術更加完整，以提升 HDMI 影像產業的蓬勃發展。

圖十三：HDMI Legacy 2.0 與 HDMI2.1 比較

參考數據：

1. HDMI Specification2.1-94919-0215192500

2. HDMI Forum https://www.hdmi.org/spec/hdmi2_1

3. Granite River Labs https://graniteriverlabs.com.cn/hdmi-2-1-frl/

文中提到的 HDMI®, HDMI® High-Definition Multimedia Interface, UltraHigh Speed HDMI®, Ultra High Speed HDMI Cable Certification Program, 和HDMI 商標都是HDMI Licensing Administrator, Inc.的註冊商標。

責編：Yvonne Geng

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