HDMI 1.3标准支持TMDS341A的12位色深 带宽

Bazinga

3:1 HDMI 开关 TMDS341A 与 HDMI1.3 标准的兼容性经常遭到质疑，因为设计该器件的初衷是为了支持 1.2 版本的标准，因此在发布 HDMI 1.3 标准大概两个月以前，就宣布投入了生产。为了消除所有的疑虑，本应用报告解释了 TMDS341A 符合 HDMI 1.3 标准的原因。

　　我们回顾了与视频数据处理相关的 HDMI 系统功能原理，并对该器件中应用新标准出现的问题进行了确认。器件最高带宽和 HDMI 1.3 标准规定的支持视频格式所要求信令速率之间的对比，作为本应用报告得出的结论。

　　图1 显示了一个 HDMI 系统，其由一个 HDMI 源、一个数据链路以及一个 HDMI目标端设备 (sink) 组成。整个信号链（从源端设备到目标端设备）由三个数据通道和一个时钟通道组成。每一条数据通道承载“红”、“绿”或“蓝”基本颜色组成之一的视频数据，以及相应控制和辅助数据，例如：音频采样或分组报头 (packet header) 等。

图 1 HDMI 系统概述

　　视频数据以一种 8 位并行格式进入发送器输入端，随后被一个 8b/10b 编码器编码成一种 10 位的并行格式。编码功能也被应用于 4 位音频/辅助和 2 位控制数据。每一类型的输入数据均被转换为 10 位的并行格式。下列串行器将并行数据转换为串行 10 位数据包，以备在转换最小化差分信号 (TMDS™) 数据链路上进行传输。

　　在数据链路上，一个 10 位信息包在一个 TMDS 时钟周期内完成传输，从而保持一个 10:1 的 TMDS 时钟信令速率比。

　　HDMI 目标端设备将源端设备的数据处理步骤逆转，并且将来自 TMDS 通道的串行数据转换回原始的并行格式。在数据链路至源端设备的接口上，要求另外一个处理步骤，即数据恢复。这也就是在这个地方中继器芯片（例如：TMDS341A）得到了广泛采用。

　　数据恢复

　　由于存在数据链路线缆的插损（主要是在高频率条件下时），TMDS341A 的输入级由四个具有高通特性的高速放大器组成。这种均衡功能 (EQ) 对高频线缆损耗进行补偿，从而均衡整个频率响应。图 2 中的左图显示了 HDMI 线缆和低成本铜线缆详尽的损耗曲线图。

注释：类别 1 和类别 2 与 HDMI1.3 中描述的低、高频率线缆连接不同，且不代表 EIA/TIA 568B 描述的 UTP 线缆连接等级。

　　图 2 详尽的线缆损耗曲线图

　　HDMI 标准同样规定了参考均衡器的增益响应，具有内部均衡功能的所有类型的中继器 IC 应尽量达到该标准。图 2 中的右图将 TMDS341A 的 EQ 响应同该参考均衡器中的一种响应进行了对比。同参考均衡器相比，TMDS341A 提供了高得多的增益，并远远超出 HDMI 1.3 标准。

　　色深和显示格式

　　确定一个中继器的数据信令速率与 HDMI 1.3 的兼容性 (DSR)需要具有色深和显示格式的知识。表 1 中的该标准级数提及了改进兼容性测试和添加 CEC 实施音频支持，以及特定线缆新的测试要求，但是只提及了一点点可用色深，而关于显示格式只字未提。
                                                                   表 1标准级数（从 HDMI 1.0 到 1.3）

　　相反，较少人了解图 3 中的图表，其非常清楚地表明了支持的色深和显示格式。根据这些图表，在 HDMI 1.0 中，24 位已经被规定为强制性标准色深，而更高的色深（30 位、36 位和 48 位）被添加到 HDMI 1.3，仅作为可选深色模式。尽管如此，该标准仍然规定，如果一种新型系统设计想要支持一个或者更多的可选深色模式，那么其必须至少要支持 36 位模式和 24 位模式。

图 3 色深和显示器格式的 HDMI 级数

就显示格式而言，标准 1280 x 720 像素 HDTV 格式 HD720 以及更高的 1920 x 1080 像素 HD1080 格式，均在 1.0 及 1.0 以后的版本中得到支持。但是，改进的 WQXGA（即 2560 x 1440 像素）仍然没有被列入 HDMI 的支持视频格式中。

　　图 4 为 1920 x 1080 显示器的像素分配情况。这些数字仅描述了有源视频区域，而要求对一个整帧进行扫描的总像素数会稍微有些高。这是由于存在水平方向连续线扫描和垂直方向连续帧扫描之间要求的回程时间间隔。回程是 CRT-TV 领域的一个术语，其电子束在完成每次线和帧扫描后必须转回至起始位置。LCD 无须将电子束转向，因此它们没有这种硬件限制。但是，它们的确存在扫描缓冲存储器的内存带宽限制，更不用说对于图像调整计算和噪声降低的限制了。

图 4 1920 x 1080 显示格式的像素分配

　　回程时间间隔（也称为垂直和水平电子束消隐）在有源视频区域之上或旁边以一种附加的虚拟像素的格式呈现。消隐也是 CRT-TV 领域的一个术语，其电子束转回起始位置时会被消隐。但是在 LCD 上，在回程时间间隔的时间段内，视频区域的像素会保持其色彩信息，同时控制和音频数据通过 TMDS 通道进行传输。由于回程间隔会导致速率的降低，在这一速率上，LCD可以接收新的视频数据帧，所以在计算所需的信号发射率时，虚拟像素也应该被考虑进去。

　　数据信令速率 (DSR)在确定 DSR 的时候，我们必须区分出逐行扫描和隔行扫描。

　　逐行扫描（即 1080p）就是按顺序对每一帧的所有行进行扫描。而隔行扫描（即 1080i）仅仅是对第一扫描场内的奇数行和第二扫描场内的偶数行进行扫描。对于隔行扫描而言，两个隔行扫描场组成一个全帧。

　　在典型的 60Hz 帧/扫描速率时，逐行扫描在每一秒内能完成 60 帧的扫描，而隔行扫描每秒只能完成 30 帧的扫描。

　　除了显示和扫描格式外，色深也会对信令速率产生影响。对于一个给定的显示和扫描格式而言，扫描每一像素所需的时间是固定的。对于高于 24 位/像素的色深而言，在相同的时间帧内，需要传输更多的数据位，因此这就要求增加数据速率和 TMDS 时钟。深色模式（n 位/像素）与标准色彩模式（24 位/像素）的比率给出了 TMDS 时钟的增量。表 2 列出不同色深，及其相应的放大系数。
                                                                   表 1标准级数（从 HDMI 1.0 到 1.3）

　　当要确定某个信令速率的时候，就需要对整个 HDMI 链路的信令速率（3 个 TMDS通道等于 1 像素）和每一个 TMDS 通道的信令速率（每一色彩分量或亚像素）进行区分。

　　请记住，8b/10b 编码器会将“位/色彩分量”的数量增加 1.25 (10/8)。然后位于发送器输入端的 24 位/像素的标准色深将转换成 HDMI 链路上的 30 位/像素，或者每个 TMDS 通道上的 10 位/亚像素。
方程式 1 将所有的变量考虑进去，计算出数据信令速率，该问题在前面部分已做了讨论：
DSR = Y •X •f •10 •M                                    (1)



　　其中：
X=线的总数量/帧
Y=总数量或像素/线
f=帧速率（单位：帧/秒）
10=24 位标准色深编码位数/亚像素
M=深色模式的放大系数（见表 2）

　　将方程式 1 应用于视频格式 1080i 和 1080p 中，计算得出表 3 所列出的各种不同色深情况下的信令速率 和 TMDS 时钟频率。

　　表 3 DSR 和时钟频率与色深的对应关系

　　讨论：

　　无论 TMDS341A 是否与 HDMI1.3 相兼容，这一标准都是其数据信令速率，这一速率运行可达到 2.25Gbps。表 3 说明 TMDS341A 支持 48 位色深的 1080i 格式，并且支持速率为 60fps 时高达 36 位的 1080p 格式。