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為了因應(yīng)消費市場對於高畫質(zhì)影音應(yīng)用需求日益增加，HDMI Forum 於 2017 年底發(fā)佈了 HDMI 2.1 的最新規(guī)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?zhèn)魉陀嵦柕姆绞健DMI 2.1 發(fā)布以前是使用 TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化傳輸差分訊號）的架構(gòu)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(zhì)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 HDMI 傳輸通道與編碼方式關(guān)於 HDMI 通道傳輸?shù)倪\作方式，在傳統(tǒng)的 TMDS 架構(gòu)下，是利用一個獨立的通道來傳送 Clock 訊號，但在 FRL 的架構(gòu)中，將 Clock 嵌入在 Data 的訊號中，再透過後續(xù)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(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（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(zhì)體驗。
圖 2：HDMI訊號通道示意圖
圖 3：16b/18b編碼轉(zhuǎn)換示意圖 由於在 FRL 架構(gòu)下，是透過 Link Training 的方式來決定當(dāng)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(shè)計產(chǎn)品的規(guī)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(chǎn)品需向下相容 HDMI TMDS 模式，原有的 Clock 通道規(guī)格上可有較大通道衰減，為了讓客戶能在既有的架構(gòu)下也能支援 FRL 模式，所以才有3條通道的設(shè)計。
表 1：FRL速率與通道關(guān)係圖 HDMI 2.1 FRL 模式下的 Equalizer 應(yīng)用在 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(dǎo)入了更多樣化的 Equalizer 應(yīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)過FFE與CTLE的補償 Display Stream Compression（DSC）除了訊號傳輸?shù)募軜?gòu)做了改變，在低速訊號 Display Data Channel（DDC）上傳輸?shù)?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(shù)，DSC 只可使用在 FRL mode 傳輸，以此實現(xiàn) 10K 影像的傳送，DSC 概念是以分割或分段等方式，將影像壓縮後傳輸?shù)?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(yán)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(rèn)證，增加了許多項目，如 ACR（Attenuation to Crosstalk Ratio）等等。
圖 10：Ultra High Speed HDMI Cable ARC & eARCHDMI2.1 也在消費者使用體驗上做了許多更新，相較於 HDMI 1.4 開發(fā)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 動態(tài) High Dynamic Range (HDR)除了影音傳輸?shù)念l寬升級，HDMI 2.1 更新增了提升畫面細緻度的技術(shù)，HDMI 2.0 推出的靜態(tài) High Dynamic Range (HDR)，是對整部的影像做同樣參數(shù)的處理，HDMI 2.1 推出的動態(tài) 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(xiàn)給觀影者。
圖 12：靜態(tài)與動態(tài)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(zhuǎn)換速度，減少影音輸出到螢?zāi)粫r的延遲，讓使用者在遊戲的畫面轉(zhuǎn)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(rèn)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(jīng)可以進行測試認(rèn)證，GRL 也已經(jīng)有相關(guān)測試取證的經(jīng)驗，而 DSC，HDR 與 Gaming Mode 的相關(guān)測試項目還未發(fā)表，期盼未來整體技術(shù)更加完整，以提升 HDMI 影像產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
表 3：ARC與eARC的比較表 參考文獻
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