移動高清接口關鍵技術分析及應用

廖晶晶，殷嚴剛

（1.廣西師范大學 職業技術師范學院，廣西 桂林 541004；2.廣西師范大學 電子工程學院，廣西 桂林 541004）

1 引 言

數字高清時代已經悄然到來，桌面級高清設備接口標準之爭，早已在HDMI、DisplayPort、DiiVA間如火如荼地展開。隨著電子技術和制造工藝的進一步發展，越來越多的移動終端設備具備了很強的高清處理能力。據業界權威推測，2014年年內將出現具備4K級別高清處理能力的智能手機、平板電腦等移動終端設備。由于移動終端設備尺寸、設備續航能力等方面的限制，采用合適的接口技術將這些移動設備連接至HDTV、SmartTV等大尺寸高清顯示設備進行高清數據交互，則成為業界關注的焦點。

適用于移動設備的高清接口標準眾多，主要分為有線高清接口和無線高清接口［1］。主流標準中，有線高清接口標準包括：HDMI、MYDP和MHL；而無線高清接口標準則包括：WiFi－Display、WIDI、WHDI、WiGi和 WirelessHD；由于無線高清接口技術還存在傳輸延遲等問題，目前占市場主導地位的還是有線高清接口；與此同時，移動設備產業界還未對這些接口標準作出明確選擇，許多設備廠家更多地選擇觀望。下面將對3種有線移動高清接口標準在關鍵技術、性能特點等方面進行介紹、分析和比較。

2 移動高清接口標準簡介及發展現狀

HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清多媒體接口）是一種全數字化的、可用于傳輸未經壓縮的圖像、視頻和音頻信號的傳輸接口。該接口標準由包括 Hitachi、Panasonic、Quasar、Philips、Thomson RCA、Toshiba、Silico Image等消費電子產業巨頭，于2002年正式設計開發，2013年9月更新至2.0版本。MYDP（Mobility DisplayPort）由意法半導體和ST－Ericsson在2012年以DisplayPort為基礎共同設計開發，是一種完全針對移動設備與大屏顯示設備高清交互的接口標準，2013年MYDP已經更新至1.0a版本。MHL（Mobile High－Definition Link，移動高清影音標準接口）則是一種專門用于移動設備與HDTV等大屏顯示設備互連的接口標準。它由包括Silicon Image、Sony、Nokia、Explore、Toshiba、Samsung等業界巨頭所組成的移動高畫質連接技術聯盟，于2008年提出，2013年8月，MHL更新至3.0版本。

2.1 HDMI

圖1所示為HDMI原理框圖。HDMI標準發展較為成熟，是現今各類高清設備中廣泛采用的接口標準。

圖1 HDMI原理框圖Fig.1 Block diagram of HDMI

標準HDMI鏈接包含3條TMDS通道，用于傳送音頻、視頻以及各種輔助數據；1條TMDS時鐘通道，用于同步設備的時鐘信號，一般情況下時鐘信號頻率是TMDS數據信號頻率的十分之一；1條 DDC（Display Data Channel）通道，采用I2C總線協議來獲取接收端（HDTV或者顯示屏）接收能力；1條 CEC（Consumer Electronics Control）通道，用于傳送工業級AV Link協議信號，以支持遙控器操作多臺顯示設備，這條通道可不使用，但必須預留。

2.2 MYDP

圖2所示為MYDP原理框圖。作為新興的移動高清接口標準，MYDP逐漸被許多移動設備廠商所接受。

圖2 MYDP原理框圖Fig.2 Block diagram of MYDP

標準MYDP鏈接由主信號鏈路（Main Link）、輔助信號鏈路（AUX＿HPD）和電源鏈路（MYDP＿PWR）構成。其中 Main Link由高速差分線路構成，主要用于傳輸微封包結構的視頻和音頻數據［2］；AUX＿HPD鏈接采用曼徹斯特編碼，提供1Mbps的信號傳輸速率，用于傳輸鏈路控制信號，并同時能夠實現 HPD（Hot Plug Detect，熱插拔檢測）功能；MYDP＿PWR鏈路則能夠為源設備（移動設備）提供一定數量的功率。從這里來看，MYDP和DisplayPort差別就在于合并了AUX和HPD通道，并提供了為移動設備充電的鏈路。

2.3 MHL

圖3所示為MHL原理框圖。MHL是最早出現的專用于移動高清接口領域的接口標準，它與HDMI非常類似，但是具體實現上有一定的差別。

圖3 MHL原理框圖Fig.3 Block diagram of MHL

MHL只使用了1條TMDS通道用于紅綠藍數據的傳輸，且沒有專用的時鐘通道；CBUS能夠傳輸互連設備間的控制信號，如CEC、EDID（Extended Display Identification Data，擴展顯示標識數據）、熱插拔檢測等；而VBUS則是向移動設備提供一定功率的電源支持。

3 3種接口技術分析及對比

在移動高清接口領域，TMDS（Transition Minimized Differential signal，最小化傳輸差分信號）技術、MPA（Micro－Packet Architecture，微封包架構）技術和8b／10b編碼技術是目前主流接口廣泛采用的傳輸和編碼技術。

3.1 編碼及傳輸技術

無論是HDMI、MYDP還是MHL，都采用了上述幾種技術中的一些。其中，HDMI和MHL采用TMDS技術，而MYDP則采用了MPA技術；雖然三者均使用8b／10b編碼技術，但是MYDP采用的是標準ASNI 8b／10b編碼技術，而HDMI和MHL采用的是經過一定變化的，非標準的8b／10b編碼技術［3］。

3.1.1 TMDS技術

圖4所示為單鏈路TMDS通道映射。TMDS傳輸系統由發送端和接收端組成，發送端接收高清源（移動設備）的24位并行數據（RGB三原色數據分別按8bit編碼）、6位控制信號、時鐘信號和數據使能信號，然后發送端將這些數據進行編碼及轉換，再將這些數據分配到不同的通道上發送出去。每個TMDS鏈路都包含3個分別傳輸R、G、B數據信號的通道和1個同步時鐘信號的通道，接收端在接收同步時鐘信號的同時，也接收這些信號，并最終完成解碼并輸出RGB三原色數據給高清顯示器還原顯示數據。

圖4 單鏈路TMDS通道映射Fig.4 Channel mapping of single－link TDMS

圖5所示為最小化傳輸過程及差分信號。一次TMDS傳輸分為傳輸最小化、直流平衡（DC－balance）和差分信號產生3個步驟，下面以8位R數據來進行一次傳輸的分析。傳輸最小化過程中（如圖5（a）所示），TMDS發送端首先接收并緩存并行的8位R數據，然后將此并行的8位R數據做一次并串轉換，最后進行最小化傳輸編碼，增加一個編碼位，形成9位串行數據。直流平衡過程中，再進行一次編碼，在9位串行數據后面加上第10位數據，形成10位串行數據，完成非標準的8b／10b編碼。差分信號產生過程中，利用2個輸出端的電壓差來進行10位串行數據的傳輸，其中一端輸出原始信號，另一端輸出與其相反的信號（如圖5（b）所示），以此來屏蔽噪聲串擾，提高傳輸可靠性。

圖5 最小化傳輸過程及差分信號Fig.5 Minimize transmission and differential signal

3.1.2 MPA與 ASNI 8b／10b編碼技術

與TMDS技術不同，MYDP所采用的MPA技術能將鏈路上所有的串行數據都打包成一個64位的Micro－Packet（微封包），一個微封包即為一個傳輸單元。如果主鏈上傳輸的串行數據少于64位，那么MYDP會自動將其補足64位并封裝成微封包的形式進行傳輸，并且同步時鐘信號能夠打包進微封包，減少物理鏈路的數量。這種微封包架構的編碼方式，依然采用標準的8b／10b編碼技術［4－6］。

表1 RD置位規則Tab.1 Set rules of RD

8b／10b編碼的直觀理解是將一組8位的數據分為兩組，一組5位，一組3位，根據RD（Running Disparity，極性偏差）標志取值，經過5b／6b和3b／4b編碼后形成一組6位和一組4位的數據，最終組成一組10位的數據，以達到直流平衡的目的。由于5b／6b和3b／4b編碼方式的使用，使得最終編碼結果中，0和1的個數差值只可能出現5個0和5個1、6個1和4個0、6個0和4個1這3種情況，0、1的差值對應分別是0、＋2和－2。根據這些情況，參照如表1所示的規則，就能確定RD次態的值，即編碼后如果1和0個數不等，RD進行一次翻轉，否則保持不變［7］。一次完整的8b／10b編碼過程，實質上是先根據初態RD取值對低五位進行一次5b／6b編碼并得到次態RD值，再根據次態RD值對高三位進行一次3b／4b編碼，同時獲得下一組編碼所需的初態RD值。

圖6 8b／10b編碼過程Fig.6 Encoding process of 8b／10b

圖6所示為8b／10b編碼過程。編碼的值可以統一地表示為Dx.y或Kx.y，其中D表示為數據符號（code），K表示為控制符號（Control Symbols），x表示輸入原始數據的低5位EDCBA，y表示輸入原始數據的高3位 HGF［8－10］。這8位數據在表中的位序為HGFEDCBA，其中H為最高位，A為最低位。經8b／10b編碼后，輸出編碼的位序則變為abcdeifghj，其中abcdei為低5位EDCBA經5b／6b編碼的結果，fghj為高3位FGH經3b／4b編碼的結果。假設一個8位原始數據10001111且當前極性為RD＝－1，其中a＝01111（15）、b＝100（4），那么這8位數據就能表示成當前極性RD＝－1的D15.4。

表2 8b／10b編碼映射表（不包含控制字及特殊字符）Tab.2 Coding mapping table of 8b／10b（not contain control and special characters）

根據表2，在RD＝－1時，首先將低5位01111經5b／6b編碼后變成010111，這個碼元中1和0的個數不等，那么次態RD＝＋1；次態RD＝＋1時，高3位100經3b／4b編碼后變成0010，且該碼元中1和0的個數不等，則RD＝－1作為下一組8b／1b編碼的初態RD，那么最終傳輸的10位數據的位序為0101110010，且傳遞給下一組編碼的初態RD＝－1。對于表2中的Dx.7，當RD＝－1時，D.x.A7用在x＝17、x＝18、x＝20的情況；當RD＝＋1時，D.x.A7用在x＝11、x＝13、x＝14的情況；其它情況下不可使用D.x.A7。8b／10b編碼中除了普通的數據碼外，還包含用于控制的控制字符碼和其他的特殊字符碼，它們的編碼過程都滿足上述編碼方式［11］。

3.2 性能、物理規范及其他功能

與桌面高清設備互連接口不同，且受限于移動設備的體積，它與大屏高清設備的互連，除了基本的傳輸技術及性能外，需考慮很多其它的問題，譬如接口的物理尺寸、移動設備的續航能力等［12－14］。

3.2.1 接口物理規范

HDMI中規定了19pins的A Type、29pin的B Type、19pins的 C Type（俗 稱 Mini－HDMI）和19pins的D Type（俗稱 Micro－HDMI）等4種接口尺寸規格，其中D Type最適用于小微型移動設備，但與現有其他常用接口并不兼容。而MYDP和MHL并沒有限定具體的接口尺寸規格，僅根據鏈路的需要制定出5pin的鏈路數量，使用者可以根據自身的實際情況來選擇物理接口。譬如MHL，現在市面上支持MHL的智能手機設備，大多是共用5pin的標準Micro－USB接口；而MYDP則可運用于Intel與蘋果合作研發的ThunderBolt（雷電）接口，該接口現在已大量運用于蘋果電腦，與此同時，完全基于MYDP標準研發的SlimPort同樣能夠支持使用標準Micro－USB接口。

3.2.2 接口性能

最新的HDMI2.0版本中，TMDS時鐘頻率已經被提升至600MHz，意味著單條TMDS數據通道的傳輸速率達到6Gbps，那么一條完整的HDMI（D Type）鏈路就能提供高達18Gbps的數據傳輸速率，能最高支持3840×2160＠60FPS的高清4k分辨率，提供4組音頻流和32聲道以及最高1536kHz的采樣率，并同時支持雙畫面、動態自動聲畫同步和48位色深圖像。MHL3.0版本最高傳輸速率達到4.5Gbps，所能支持最高的4k高清分辨率為3840×2160＠30FPS，并同時能夠提供7.1環繞立體聲以及Dolby TrueHD and DTS－HD。而最新的MYDP1.0a版本，理論數據傳輸速率能夠達到5.4 Gbps，目前與 MHL3.0一樣能夠支持3840×2160＠30FPS，以及7.1聲道數字音頻信號，相信支持更高分辨率的MYDP版本近期內即將推出。

3.2.3 其他功能

由于上述3種移動高清接口標準結構的不同，每種接口附加功能和可擴展性也大不相同。HDMI（D Type）在數據傳輸方面具備很大的優勢，但是通過DDC僅能為用戶提供HDCP（High－Bandwidth Digital Content Protection，高寬帶數字內容保護技術）功能，無法提供一些鼠標、鍵盤等常用外設。MHL除了能夠支持HDCP外，還能通過CBUS提供熱插拔功能支持一些常見的外設，同時通過VBUS功能為移動設備提供900mA電流、10W左右的充電功能。MYDP能夠支持較HDCP更為可靠的飛利浦DPCP（Display Port Content Protection，DP內容保護），亦可為移動設備提供10W左右的充電功率，由于MYDP電氣接口類似于PCI－E物理層，并采用MPA技術，使其傳輸數據完整性得到了很大的提升，能夠在相同的物理連接里面，輕松追加新的協議內容，能夠支持大量外設，并具備很強的擴展能力。

4 3種標準對比

從接口物理規范和附加功能來看，對于設備接口空間十分緊張的移動設備來說，能夠兼容已有接口并且能夠支持充電、添加外設等多種功能的MHL和MYDP更加適合移動設備的高清互連場景；但從接口性能方面來看，HDMI（D Type）較之 MHL和MYDP更能勝任4k級別高清數據的傳輸。這3種接口標準詳細特性如表3所示。

表3 三種接口標準特性一覽Tab.3 List of standard features

5 結 論

HDMI（D Type）、MHL和 MYDP在功能特性上各有特色，但總體來看，MHL和MYDP目前似乎更加適合于小微型移動設備與大屏高清顯示設備的高清互連。隨著電子技術的進一步發展，即將采用C型接口的USB3.1和中國自主產權的DiiVA技術也對移動高清互連領域虎視眈眈，加之 WiFi－Display、WIDI、WHDI、WiGi和WirelessHD等無線高清互連技術的蓄勢待發，相信在未來一段時間內，移動高清互連領域將會出現眾多接口標準百家爭鳴的場景。

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