廖晶晶，殷嚴(yán)剛

（1.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西師范大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引 言

數(shù)字高清時(shí)代已經(jīng)悄然到來，桌面級高清設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)之爭，早已在HDMI、DisplayPort、DiiVA間如火如荼地展開。隨著電子技術(shù)和制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的移動(dòng)終端設(shè)備具備了很強(qiáng)的高清處理能力。據(jù)業(yè)界權(quán)威推測，2014年年內(nèi)將出現(xiàn)具備4K級別高清處理能力的智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端設(shè)備。由于移動(dòng)終端設(shè)備尺寸、設(shè)備續(xù)航能力等方面的限制，采用合適的接口技術(shù)將這些移動(dòng)設(shè)備連接至HDTV、SmartTV等大尺寸高清顯示設(shè)備進(jìn)行高清數(shù)據(jù)交互，則成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

適用于移動(dòng)設(shè)備的高清接口標(biāo)準(zhǔn)眾多，主要分為有線高清接口和無線高清接口［1］。主流標(biāo)準(zhǔn)中，有線高清接口標(biāo)準(zhǔn)包括：HDMI、MYDP和MHL；而無線高清接口標(biāo)準(zhǔn)則包括：WiFi－Display、WIDI、WHDI、WiGi和 WirelessHD；由于無線高清接口技術(shù)還存在傳輸延遲等問題，目前占市場主導(dǎo)地位的還是有線高清接口；與此同時(shí)，移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)業(yè)界還未對這些接口標(biāo)準(zhǔn)作出明確選擇，許多設(shè)備廠家更多地選擇觀望。下面將對3種有線移動(dòng)高清接口標(biāo)準(zhǔn)在關(guān)鍵技術(shù)、性能特點(diǎn)等方面進(jìn)行介紹、分析和比較。

2 移動(dòng)高清接口標(biāo)準(zhǔn)簡介及發(fā)展現(xiàn)狀

HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清多媒體接口）是一種全數(shù)字化的、可用于傳輸未經(jīng)壓縮的圖像、視頻和音頻信號的傳輸接口。該接口標(biāo)準(zhǔn)由包括 Hitachi、Panasonic、Quasar、Philips、Thomson RCA、Toshiba、Silico Image等消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)巨頭，于2002年正式設(shè)計(jì)開發(fā)，2013年9月更新至2.0版本。MYDP（Mobility DisplayPort）由意法半導(dǎo)體和ST－Ericsson在2012年以DisplayPort為基礎(chǔ)共同設(shè)計(jì)開發(fā)，是一種完全針對移動(dòng)設(shè)備與大屏顯示設(shè)備高清交互的接口標(biāo)準(zhǔn)，2013年MYDP已經(jīng)更新至1.0a版本。MHL（Mobile High－Definition Link，移動(dòng)高清影音標(biāo)準(zhǔn)接口）則是一種專門用于移動(dòng)設(shè)備與HDTV等大屏顯示設(shè)備互連的接口標(biāo)準(zhǔn)。它由包括Silicon Image、Sony、Nokia、Explore、Toshiba、Samsung等業(yè)界巨頭所組成的移動(dòng)高畫質(zhì)連接技術(shù)聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)發(fā)展較為成熟，是現(xiàn)今各類高清設(shè)備中廣泛采用的接口標(biāo)準(zhǔn)。

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

標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)；1條TMDS時(shí)鐘通道，用于同步設(shè)備的時(shí)鐘信號，一般情況下時(shí)鐘信號頻率是TMDS數(shù)據(jù)信號頻率的十分之一；1條 DDC（Display Data Channel）通道，采用I2C總線協(xié)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(yè)級AV Link協(xié)議信號，以支持遙控器操作多臺顯示設(shè)備，這條通道可不使用，但必須預(yù)留。

2.2 MYDP

圖2所示為MYDP原理框圖。作為新興的移動(dòng)高清接口標(biāo)準(zhǔn)，MYDP逐漸被許多移動(dòng)設(shè)備廠商所接受。

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

標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成。其中 Main Link由高速差分線路構(gòu)成，主要用于傳輸微封包結(jié)構(gòu)的視頻和音頻數(shù)據(jù)［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(shí)能夠?qū)崿F(xiàn) HPD（Hot Plug Detect，熱插拔檢測）功能；MYDP＿PWR鏈路則能夠?yàn)樵丛O(shè)備（移動(dòng)設(shè)備）提供一定數(shù)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(dòng)設(shè)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(xiàn)的專用于移動(dòng)高清接口領(lǐng)域的接口標(biāo)準(zhǔn)，它與HDMI非常類似，但是具體實(shí)現(xiàn)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(lán)數(shù)據(jù)的傳輸，且沒有專用的時(shí)鐘通道；CBUS能夠傳輸互連設(shè)備間的控制信號，如CEC、EDID（Extended Display Identification Data，擴(kuò)展顯示標(biāo)識數(shù)據(jù)）、熱插拔檢測等；而VBUS則是向移動(dòng)設(shè)備提供一定功率的電源支持。

3 3種接口技術(shù)分析及對比

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

3.1 編碼及傳輸技術(shù)

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

3.1.1 TMDS技術(shù)

圖4所示為單鏈路TMDS通道映射。TMDS傳輸系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端組成，發(fā)送端接收高清源（移動(dòng)設(shè)備）的24位并行數(shù)據(jù)（RGB三原色數(shù)據(jù)分別按8bit編碼）、6位控制信號、時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)使能信號，然后發(fā)送端將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼及轉(zhuǎn)換，再將這些數(shù)據(jù)分配到不同的通道上發(fā)送出去。每個(gè)TMDS鏈路都包含3個(gè)分別傳輸R、G、B數(shù)據(jù)信號的通道和1個(gè)同步時(shí)鐘信號的通道，接收端在接收同步時(shí)鐘信號的同時(shí)，也接收這些信號，并最終完成解碼并輸出RGB三原色數(shù)據(jù)給高清顯示器還原顯示數(shù)據(jù)。

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(chǎn)生3個(gè)步驟，下面以8位R數(shù)據(jù)來進(jìn)行一次傳輸?shù)姆治觥鬏斪钚』^程中（如圖5（a）所示），TMDS發(fā)送端首先接收并緩存并行的8位R數(shù)據(jù)，然后將此并行的8位R數(shù)據(jù)做一次并串轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行最小化傳輸編碼，增加一個(gè)編碼位，形成9位串行數(shù)據(jù)。直流平衡過程中，再進(jìn)行一次編碼，在9位串行數(shù)據(jù)后面加上第10位數(shù)據(jù)，形成10位串行數(shù)據(jù)，完成非標(biāo)準(zhǔn)的8b／10b編碼。差分信號產(chǎn)生過程中，利用2個(gè)輸出端的電壓差來進(jìn)行10位串行數(shù)據(jù)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?dāng)_，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(shù)

與TMDS技術(shù)不同，MYDP所采用的MPA技術(shù)能將鏈路上所有的串行數(shù)據(jù)都打包成一個(gè)64位的Micro－Packet（微封包），一個(gè)微封包即為一個(gè)傳輸單元。如果主鏈上傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)少于64位，那么MYDP會(huì)自動(dòng)將其補(bǔ)足64位并封裝成微封包的形式進(jìn)行傳輸，并且同步時(shí)鐘信號能夠打包進(jìn)微封包，減少物理鏈路的數(shù)量。這種微封包架構(gòu)的編碼方式，依然采用標(biāo)準(zhǔn)的8b／10b編碼技術(shù)［4－6］。

表1 RD置位規(guī)則Tab.1 Set rules of RD

8b／10b編碼的直觀理解是將一組8位的數(shù)據(jù)分為兩組，一組5位，一組3位，根據(jù)RD（Running Disparity，極性偏差）標(biāo)志取值，經(jīng)過5b／6b和3b／4b編碼后形成一組6位和一組4位的數(shù)據(jù)，最終組成一組10位的數(shù)據(jù)，以達(dá)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(jié)果中，0和1的個(gè)數(shù)差值只可能出現(xiàn)5個(gè)0和5個(gè)1、6個(gè)1和4個(gè)0、6個(gè)0和4個(gè)1這3種情況，0、1的差值對應(yīng)分別是0、＋2和－2。根據(jù)這些情況，參照如表1所示的規(guī)則，就能確定RD次態(tài)的值，即編碼后如果1和0個(gè)數(shù)不等，RD進(jìn)行一次翻轉(zhuǎn)，否則保持不變［7］。一次完整的8b／10b編碼過程，實(shí)質(zhì)上是先根據(jù)初態(tài)RD取值對低五位進(jìn)行一次5b／6b編碼并得到次態(tài)RD值，再根據(jù)次態(tài)RD值對高三位進(jìn)行一次3b／4b編碼，同時(shí)獲得下一組編碼所需的初態(tài)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(tǒng)一地表示為Dx.y或Kx.y，其中D表示為數(shù)據(jù)符號（code），K表示為控制符號（Control Symbols），x表示輸入原始數(shù)據(jù)的低5位EDCBA，y表示輸入原始數(shù)據(jù)的高3位 HGF［8－10］。這8位數(shù)據(jù)在表中的位序?yàn)镠GFEDCBA，其中H為最高位，A為最低位。經(jīng)8b／10b編碼后，輸出編碼的位序則變?yōu)閍bcdeifghj，其中abcdei為低5位EDCBA經(jīng)5b／6b編碼的結(jié)果，fghj為高3位FGH經(jīng)3b／4b編碼的結(jié)果。假設(shè)一個(gè)8位原始數(shù)據(jù)10001111且當(dāng)前極性為RD＝－1，其中a＝01111（15）、b＝100（4），那么這8位數(shù)據(jù)就能表示成當(dāng)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(jù)表2，在RD＝－1時(shí)，首先將低5位01111經(jīng)5b／6b編碼后變成010111，這個(gè)碼元中1和0的個(gè)數(shù)不等，那么次態(tài)RD＝＋1；次態(tài)RD＝＋1時(shí)，高3位100經(jīng)3b／4b編碼后變成0010，且該碼元中1和0的個(gè)數(shù)不等，則RD＝－1作為下一組8b／1b編碼的初態(tài)RD，那么最終傳輸?shù)?0位數(shù)據(jù)的位序?yàn)?101110010，且傳遞給下一組編碼的初態(tài)RD＝－1。對于表2中的Dx.7，當(dāng)RD＝－1時(shí)，D.x.A7用在x＝17、x＝18、x＝20的情況；當(dāng)RD＝＋1時(shí)，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(shù)據(jù)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(guī)范及其他功能

與桌面高清設(shè)備互連接口不同，且受限于移動(dòng)設(shè)備的體積，它與大屏高清設(shè)備的互連，除了基本的傳輸技術(shù)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(dòng)設(shè)備的續(xù)航能力等［12－14］。

3.2.1 接口物理規(guī)范

HDMI中規(guī)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(guī)格，其中D Type最適用于小微型移動(dòng)設(shè)備，但與現(xiàn)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(guī)格，僅根據(jù)鏈路的需要制定出5pin的鏈路數(shù)量，使用者可以根據(jù)自身的實(shí)際情況來選擇物理接口。譬如MHL，現(xiàn)在市面上支持MHL的智能手機(jī)設(shè)備，大多是共用5pin的標(biāo)準(zhǔn)Micro－USB接口；而MYDP則可運(yùn)用于Intel與蘋果合作研發(fā)的ThunderBolt（雷電）接口，該接口現(xiàn)在已大量運(yùn)用于蘋果電腦，與此同時(shí)，完全基于MYDP標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的SlimPort同樣能夠支持使用標(biāo)準(zhǔn)Micro－USB接口。

3.2.2 接口性能

最新的HDMI2.0版本中，TMDS時(shí)鐘頻率已經(jīng)被提升至600MHz，意味著單條TMDS數(shù)據(jù)通道的傳輸速率達(dá)到6Gbps，那么一條完整的HDMI（D Type）鏈路就能提供高達(dá)18Gbps的數(shù)據(jù)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(shí)支持雙畫面、動(dòng)態(tài)自動(dòng)聲畫同步和48位色深圖像。MHL3.0版本最高傳輸速率達(dá)到4.5Gbps，所能支持最高的4k高清分辨率為3840×2160＠30FPS，并同時(shí)能夠提供7.1環(huán)繞立體聲以及Dolby TrueHD and DTS－HD。而最新的MYDP1.0a版本，理論數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)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(shù)字音頻信號，相信支持更高分辨率的MYDP版本近期內(nèi)即將推出。

3.2.3 其他功能

由于上述3種移動(dòng)高清接口標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的不同，每種接口附加功能和可擴(kuò)展性也大不相同。HDMI（D Type）在數(shù)據(jù)傳輸方面具備很大的優(yōu)勢，但是通過DDC僅能為用戶提供HDCP（High－Bandwidth Digital Content Protection，高寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù)技術(shù)）功能，無法提供一些鼠標(biāo)、鍵盤等常用外設(shè)。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(shè)，同時(shí)通過VBUS功能為移動(dòng)設(shè)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(nèi)容保護(hù)），亦可為移動(dòng)設(shè)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(shù)，使其傳輸數(shù)據(jù)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(xié)議內(nèi)容，能夠支持大量外設(shè)，并具備很強(qiáng)的擴(kuò)展能力。

4 3種標(biāo)準(zhǔn)對比

從接口物理規(guī)范和附加功能來看，對于設(shè)備接口空間十分緊張的移動(dòng)設(shè)備來說，能夠兼容已有接口并且能夠支持充電、添加外設(shè)等多種功能的MHL和MYDP更加適合移動(dòng)設(shè)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(shù)據(jù)的傳輸。這3種接口標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)特性如表3所示。

表3 三種接口標(biāo)準(zhǔn)特性一覽Tab.3 List of standard features

5 結(jié) 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(dòng)設(shè)備與大屏高清顯示設(shè)備的高清互連。隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，即將采用C型接口的USB3.1和中國自主產(chǎn)權(quán)的DiiVA技術(shù)也對移動(dòng)高清互連領(lǐng)域虎視眈眈，加之 WiFi－Display、WIDI、WHDI、WiGi和WirelessHD等無線高清互連技術(shù)的蓄勢待發(fā)，相信在未來一段時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)高清互連領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)眾多接口標(biāo)準(zhǔn)百家爭鳴的場景。

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