Granite River Labs, GRL
Lucy Chang 張家綺
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 於 2017 年底發佈了 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 介面傳送訊號的方式。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，最高頻寬可達 18Gbps，可用來傳送 3840x2160p 60 等 4K 高畫質影像，而 FRL 模式的頻寬則提升到 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頻寬呢？
圖 1：HDMI頻寬演進
關於 HDMI 通道傳輸的運作方式，在傳統的 TMDS 架構下，是利用一個獨立的通道來傳送 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（圖二），如此一來就可以多一條通道來傳送影像訊號，頻寬因此便獲得提升。
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（圖三），進一步提升通道頻寬的使用率，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品質體驗。
圖 2：HDMI訊號通道示意圖
圖 3：16b/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 模式定義了六種通道速率讓客戶設計產品的規格（表一）。其中特別的是 FRL 模式依然保有3通道的傳輸方式，由於支援 HDMI 2.1 FRL 的產品需向下相容 HDMI TMDS 模式，原有的 Clock 通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援 FRL 模式，所以才有3條通道的設計。
表 1：FRL速率與通道關係圖
在 HDMI 2.1 FRL 模式下，可以支援最高每條通道達 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，HDMI 2.1 導入了更多樣化的 Equalizer 應用（圖四）。
圖 4：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，以確保影音資料能完整傳送至 Sink 端。
圖 5：HDMI Feed Forward Equalizer模組
表 2：HDMI Feed Forward Equalizer模組
Receiver 端則是使用 Continuous Time Linear Equalizer（CTLE）及 Decision FeedbackEqualizer，不同資料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 6：HDMI Continuous Time Linear Equalizer模組
圖 7：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（圖八）：
圖 8：FRL Link Training 過程
除了提升通道頻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，可以使用較低的頻寬來傳輸高解析度影像（如圖九）。
圖 9：DSC示意圖
而隨著通道頻寬的提升，訊號傳輸時，對於通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（圖十），可以傳輸高達 48G 的頻寬，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 10：Ultra High Speed HDMI Cable
HDMI2.1 也在消費者使用體驗上做了許多更新，相較於 HDMI 1.4 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。
表 3：ARC與eARC的比較表
除了影音傳輸的頻寬升級，HDMI 2.1 更新增了提升畫面細緻度的技術，HDMI 2.0 推出的靜態 High Dynamic Range (HDR)，是對整部的影像做同樣參數的處理，HDMI 2.1 推出的動態 HDR (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 12：靜態與動態HDR比較
HDMI 2.1 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，減少影音輸出到螢幕時的延遲，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 HDMI 2.1 的新增項目如下圖十三，以認證來說 HDMI 2.1 已全面取代 HDMI 2.0，差別在於HDMI 2.1 之下分為 FRL 與 TMDS 兩種模式，目前支援 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。
表 3：ARC與eARC的比較表
參考文獻
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作者
GRL 台灣技術工程師 張家綺 Lucy Chang
國立中央大學化材系碩士畢業。三年HDMI測試經驗，熟悉HDMI2.1 FRL新技術測試。GRL 技術文章作者及演講講師。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2020/08/11 AN-200801-TW