全面解析HDMI 2.1 FRL传输模式

为了因应消费市场对于高画质影音应用需求日益增加，HDMI Forum 于 2017 年底发布了 HDMI 2.1 的最新规格，其中最令人惊艳的新功能就是加入FRL （Fixed Rate Link）的传输模式，它可以说是颠覆了以往 HDMI 接口 传送讯号的方式。HDMI 2.1 发布以前是使用TMDS （Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分讯号）的架构来进行讯号的传输，最高带宽可达 18Gbps，可用来传送 3840x2160p 60 等 4K 高画质影像，而 FRL 模式的带宽则提升到 48 Gbps，利用压缩的方式则可传送高达10K 分辨率的影像，而 FRL 是如何达成这样的高带宽呢？

图一：HDMI 带宽演进

关于 HDMI 信道传输的运作方式，在传统的TMDS 架构下，是利用一个独立的信道来传送 Clock 讯号，但在 FRL 的架构中，将Clock 嵌入在 Data 的讯号中，再透过后续的 Clock Recovery 处里方式来解析出 Clock 的讯号（如图二），如此一来就可以多一条信道来传送影像讯号，带宽因此便获得提升。另一方面，在 FRL 架构下，导入新的物理层传送方式，在 TMDS 使用的 8b/10b 编码方式，而FRL 中是使用 16b/18b 的编码方式（如图三），进一步提升信道带宽的使用率，让通道可传输更高的分辨率及影像更新率，提供消费者更好的影音质量体验。

图二：HDMI 讯号信道示意图

图三：16b/18b 编码转换示意图

由于在 FRL 架构下，是透过Link Training 的方式来决定当下是要用甚么速率来传输讯号，HDMI 2.1 FRL 模式定义了六种信道速率让客户设计产品的规格（如表一）。其中特别的是 FRL 模式依然保有 3 通道的传输方式，由于支持 HDMI 2.1 FRL 的产品需向下兼容 HDMI TMDS 模式，原有的 Clock 信道规格上可有较大通道衰减，为了 让客户能在既有的架构下也能支持 FRL 模式，所以才有 3 条通道的设计。

表一：FRL 速率与信道关系图

在 HDMI 2.1 FRL 模式下，可以支持最高每条通道达 12Gbps，由于传输速率的提升，就会面临到高速讯号在通道上更大的衰减，为了改善讯号的衰减，HDMI2.1 导入了更多样化的 Equalizer 应用（如图四）。

图四：HDMI Equalizer 示意图

在 Transmitter 端加入 Feed Forward Equalizer （FFE）的均衡器，由四种不同大小的 De-emphasis 和 Pre-shoot 值组成，如下图五所示，Tx 端在 Link Training 时会使用 0=TxFFE0 的 FFE，若需要传输更高速率的讯号，Tx 会再经由 Link Training 来决定较高的 FFE 补偿，以确保影音数据能完整传送至 Sink 端。

图五：HDMI Feed Forward Equalizer 模块

Receiver 端则是使用 Continuous Time Linear Equalizer（CTLE）及 Decision Feedback Equalizer，不同数据速率的讯号可选择使用不同程度的 CTLE，将经过了线缆损耗的讯号，在接收端更完整的被还原回来。图七是讯号加上了FFE 与不同程度 CTLE 补偿后的眼图。

图六：HDMI Continuous Time Linear Equalizer 模块

图七：讯号经过 FFE 与 CTLE 的补偿

除了讯号传输的架构做了改变，在低速讯号 Display Data Channel （DDC）上传输的 Extended Display Identification Data（EDID），以及 Status and Control Data Channel（SCDC），都开放写入原本 Reserve 的空间，来增加 FRL mode 新增的功能宣示，而这些低速讯号的沟通在 FRL 的 Link Training 过程中是极度重要的角色。

以下是简化的 Link Training 流程（如下图八）：

1. Source 读取 Sink 的 EDID 确认是否支持FRL 模式，若无支持 FRL 模式则会回到 TMDS 模式

2. Sink 会透过写入 SCDC Status Flags 中的 FLT_Ready 来告知 Source 可以进行 Link Training，当 Source 查询到 FLT_Ready 值被设定后，即可设定要输出的 FRL Data Rate，支持的通道数并设定相对的 TxFFE 值

3. Sink 会要求 Source 输出相对应的 Link Training Pattern，确认无误之后即可进入正式的 FRL 讯号传输。

图八：FRL Link Training 过程

除了提升信道带宽达到高分辨率影像传输，HDMI 2.1 首次引用了 Display Stream Compression （DSC）的技 术，DSC 只可使用在 FRL mode 传输，以此实现10K 影像的传送，DSC 概念是以分割或分段等方式，将影像压缩 后传输到 Sink 再进行译码还原，可以使用较低的带宽来传输高分辨率影像 （如下图九所示）。

图九：DSC 示意图

而随着信道带宽的提升，讯号传输时，对于信道损耗便有更严格的要求，用以传输讯号的线缆也升级到Ultra High Speed HDMI Cable，也就是 Category 3 线缆 （如下图十），可以传输高达 48G 的带宽，相较于先前的线缆e认证，增加了许多项目，如 ACR （Attenuation to Crosstalk Ratio）等等。

图十：Ultra High Speed HDMI Cable

HDMI 2.1 也在消费者使用体验上做了许多更新，相较于 HDMI1.4 开发的 Audio Return Channel （ARC），HDMI2.1 新增了Enhanced AudioReturn Channel （eARC），比较表如下图十一，eARC 能够传输高达到八声道的声音，以及更高阶的声音格式如 Dolby TrueHD，Atmos 等等，让消费者在家也能有与剧院相同等级的影音享受。

图十一：ARC 与 eARC 的比较表

除了影音传输的带宽升级，HDMI2.1 更新增了提升画面细致度的技术，HDMI2.0 推出的静态 High Dynamic Range （HDR），是对整部的影像做同样参数的处理，HDMI2.1 推出的动态 HDR （如下图十二），是可以针对每一段场景，甚至是每一帧的画面都做不同的处理，让影像更真实的呈现给观影者。

图十二：静态与动态 HDR 比较

HDMI2.1 也定义了一些 Gaming Mode 的功能，包含可变刷新速率 Variable Refresh Rate （VRR），快速媒体切换 Quick Media Switching （QMS），快速帧传输 Quick Frame Transport （QFT），以及自动低延迟模式 Auto Low Latency Mode （ALLM），整体的概念是提高帧的转换速度，减少影音输出到屏幕时的延迟，让使用者在游戏的画面转换中减少画面失真或是画面破格的情况。

简单比较 HDMI2.1 的新增项目如下图十三，以认证来说 HDMI2.1 已全面取代 HDMI2.0，差别在于HDMI2.1 之下分为FRL 与 TMDS 两种模式，目前支持 FRL 的 Source，Sink 与连接器都已经可以进行测试认证，GRL 也已经有相关测试取证的经验，而 DSC，HDR 与 Gaming Mode 的相关测试项目还未发表，期盼未来整体技术更加完整，以提升 HDMI 影像产业的蓬勃发展。

图十三：HDMI Legacy 2.0 与 HDMI2.1 比较

责任编辑:tzh