HDMI 8K的新視界:規範概念篇

Allion Labs / Tina Yu

HDMI Forum 近日已釋出最新版的CTS 2.1c for Sink。 此測試規格的最大重點在於FRL Sink的測試。而FRL (Fixed Rate Link) 傳輸技術就是用於HDMI 2.1資料傳輸上,也就是用在8K影音上。其特點如下:

  1. FRL是Fixed Rate Link的縮寫,顧名思義,就是固定比例的頻寬速率。
  2. 原本的TMDS Clock, Data 0, Data 1, Data 2對應成FRL Lane 0, Lane 1, Lane 2, Lane 3。
  3. 類似於DP的Embedded CK模式,因為不需要專用的Clock通道,所以,AV訊號不只可以傳送3對Lane甚至到4對Lane。
  4. 編碼方式則把8b/10b變成16b/18b,改善了9%的編碼效率。
  5. 採用了VESA的DSC壓縮技術,解析度高達10K@120。
  6. 不同於DC-coupled TMDS的傳輸方式已轉變成AC-coupled FRL的傳輸方式。
  7. 透過FRL Link Training的溝通,可以相容於TMDS模式。

FRL傳輸規格說明

讓我們來談談FRL的規格吧。FRL是Fixed Rate Link的縮寫,是指固定資料量不隨著解析度大小而不同的傳輸技術。當操作在FRL模式下,它可以同時傳送三個Lane或是四個Lane的資料。在三Lane模式下,Lane 3會被關閉。而四Lane模式下,每個Lane可以傳送高達12Gbps。關於FRL Lane link rates,請參考下表。

Number of LanesRate per LaneTotal Bandwidth
33 Gbps9 Gbps
36 Gbps12 Gbps
46 Gbps24 Gbps
48 Gbps32 Gbps
410 Gbps40 Gbps
412 Gbps48 Gbps

如何實現FRL?(電氣篇)

如過往TMDS模式的HDMI Source是只有支援DC coupling。但是呢,FRL模式的HDMI Source還支援了AC coupling。因此,我們可以在HDMI 2.1規格書中看到它定義了AC Coupling Capacitor(100nF to 250nF)。基於此規範,AC common Mode Noise也被規範於此規格書中。而HDMI Sink在HDMI 1.4時,就被規範可以支援DC coupled與AC coupled了。

關於眼圖,此規格書也提到沒有TP1眼圖而是TP2 EQ眼圖的規範。最主要的差異點就是其Clock抖動特性不包含在FRL模式下。取而代之的則是其抖動含有random jitter以及deterministic jitter。

請參考HDMI 2.1規範的TP2 EQ眼圖,如下:

FRL Bit RateHV
3 Gbps0.5150
6 Gbps0.4150
8 Gbps0.385135
10 Gbps0.37120
12 Gbps0.35100

如何實現FRL?(協定篇)

因為FRL向下相容TMDS,請參考下圖主要協定層的規範。首先,三對data與一對clock的無壓縮影像,加上可以選擇要不要應用的HDCP加密被建構後。緊接著,FRL封包化形成了502個FRL字元組,而每個字元區塊的最後會有8個字元的RS FEC parity資料,它們形成了510 FRL字元區塊。每四個FRL 字元區塊會形成一個超級區塊。

如何實現FRL?(控制篇)

在TMDS模式與FRL模式之間的切換需要靠FRL Link Training,它也是一個很重要的溝通技術。當第一次連接或是當切換不同FRL資料模式時,FRL Link Training 就會被用到。下圖概述了各個Link Training狀態。其狀態總共有六個Link Training狀態。

  • LTS1是Source讀取Sink的EDID內容,
  • LTS2是Source與Sink的FRL準備狀態。
  • LTS3下,Sink會透過Link Training Pattern以及Update flag與特定FRL Rate的Source溝通。
  • LTS4則是用於切換不同FRL rate,最後,LTSP即是表示,Link Training完成,而且FRL傳輸開始。

而LTSL就是FRL Link Training溝通失敗,之後,會開啟TMDS模式。

TMDS會被取代嗎??

雖然HDMI 2.1介面的腳位分配與之前的版本並沒有差異,但是新HDMI 2.1的8K規格與HDMI 2.0的4K規格則是兩個不同技術去達成的。在某種層面來說,FRL也比之前的HDMI版本,更加嚴格與複雜。因此,為了相容於之前的HDMI 1.4/2.0,HDMI 2.1 specification規範了支援FRL的HDMI產品必須也支援TMDS。這個規範確保了符合HDMI 2.1規範的產品一定要向下相容市場上其他的,符合舊有HDMI 1.4/2.0規格的產品以避免不同相容性問題去發生。

百佳泰HDMI 2.1測試方案

為了去幫助8K電視的廠商去快速取得HDMI 2.1證書,百佳泰準備了以下完整的測試方案,若有需要任何諮詢也可來信至service@allion.com

  • HDMI 2.1認證測試
    • TMDS模式
      • TMDS Electrical Test
      • TMDS Protocol Test
      • Pixel Decoding Test
      • Video Timing Test
      • EDID Test
      • E-DDC Test
    • FRL模式
      • FRL Electrical Test
      • FRL Protocol Test
      • FRL Pixel Decoding Test
      • FRL Video Timing Test
      • FRL E-EDID Test
  • HDMI 1.4認證測試
    • EDID/E-DDC Test
    • Electrical Test
    • Protocol Test
    • Video Test
    • Audio Test
    • Interoperability with DVI Test
    • Advanced Features