考量頻率/功耗/HDCP/聲音格式四大要素 選擇HDMI 1.3介面控制器

2007-06-21
HDMI1.31版本規格釋出,大大提升影像裝置的色彩與畫質,加上小型Type-C連接器的導入,該介面進軍可攜式裝置指日可待。多家晶片設計業者已投入研發控制器,但在研發過程中,須依照應用裝置類型,考量多項組成因素,包括訊號頻率、功耗、HDCP、聲音格式、輸入端子以及連接器等。
HDMI1.31版本規格釋出,大大提升影像裝置的色彩與畫質,加上小型Type-C連接器的導入,該介面進軍可攜式裝置指日可待。多家晶片設計業者已投入研發控制器,但在研發過程中,須依照應用裝置類型,考量多項組成因素,包括訊號頻率、功耗、HDCP、聲音格式、輸入端子以及連接器等。  

PS3原預計在2006年春季推出,但直到2006年11月才正式上市,延遲上市的一大要因在於等待支援高解析度多媒體介面(HDMI)的最新規格1.3 版本(圖1)。PS3試圖將色彩的表現力,從二十四位元的全彩(Full Color)一千六百七十七萬色提升到輸出色階三十二位元的六百八十七億色,同時,開發出「RSX」大型積體電路(LSI),以更為卓越的色彩表現力來達成產品差異化。  

HDMI介面版本的演進發展如表1所示,其主要核心乃在於色彩空間以及聲音格式的擴張延伸。HDMI Licensing LLC所制定的HDMI 1.3規格,將訊號頻率的最高值從165MHz加倍提升到340MHz,因此每一個訊號線的資料傳送速度,從1.65Gbit/s向上拉升到 3.4Gbit/s。另外,HDMI端子的一個時脈訊號將負責三個資料訊號線,而且每一個資料訊號線皆輸出十個位元。  

2007年開始,投入HDMI 1.3的LSI設計廠商越來越多,但市面上所推出的傳送接收器,雖然標榜對應HDMI 1.3,但不見得每家廠商皆支援規格中的選項,諸如高彩(Deep Color)、可逆壓縮聲音(High Bit Rate Audio)等。  

但是,毫無疑問地,HDMI已經從高畫質電視或顯示裝置,搶入攝影機的市場,甚至進軍個人電腦領域。尤其是小型Type-C連接器(圖2)的導入,更能將應用擴及數位相機或是手機等各種可攜式影音裝置。  

固定式/可攜式裝置電力需求迥異  

應用裝置屬於「固定式」還是「可攜式」對於控制器的要求會有所差異,基本上,HDMI對應之LSI有傳送元件以及接收元件之區分。  

傳送元件主要是應用於DVD/HD DVD/Blue-Ray光碟裝置、家庭遊戲機及數位攝影機等須要傳送影像與聲音的機器,接收元件的應用當然是以高畫質電視(HDTV)形式為主的顯示器、投影機或是AV擴大機。  

固定式裝置的種類多采多姿,現在的AV機器常會對應訊號頻率225MHz,主因是使用222.75MHz的訊號頻率後,消費性產品就可以傳送1080p、視訊框60Hz及三十六位元色階的高等級影像資料。若要進一步能夠傳送四十八位元的高畫質影像,訊號頻率就必須達到297MHz。  

然而,就可攜式裝置來說,225MHz所帶來的電力消耗有機會達到五百毫瓦的程度,功耗及散熱處理都相當令人難以接受。因此可攜式裝置常將訊號頻率抑制在 80M~165MHz數值前後,消耗電力控制在一百毫瓦~三百毫瓦的範圍。理所當然,頻率往下微調,所能載送的影像訊號最高便只能達到1080i或是 720p。不過,從使用上的觀點來看,消費者願意接受。  

調整訊號頻率數以降低功耗  

雖然投入HDMI LSI開發的廠商不少,但是真正支援HDMI 1.3版本的上市產品卻不多。一來是因為新版本規格出現時間還不久,二來因須支援新的音樂格式「Dolby TrueHD」及「DTS-HD」,或者迎合新的色彩空間,因此需要較長時間進行設計。  

光是聲音的編碼技術,就讓人頭暈眼花,以美國杜比實驗室(Dolby Laboratories)所開發的杜比數位音效(Dolby Digital)AC-3(Audio Code Number 3)為例,其廣泛使用於DVD,而其延伸的規格還有Dolby Digital Surround EX、Dolby Digital Plus(DD+)、Dolby TrueHD等(圖3)。  

目前對於消費者來說,較不利的事情是從產品身上根本看不出其是否支援最新的HDMI版本,好比說Xbox 360 Elite也能透過HDMI端子輸出,但是,該機目前並不支援Dolby TrueHD等高階的編碼,僅支援數位立體聲(Digital Stereo)及杜比數位(Dolby Digital)。  

當以1080p/60Hz/三十六位元來傳輸時,傳送器所耗費的電力瓦數約是在四百六十毫瓦上下,對於可攜式裝置來說,低於一百毫瓦才是所期待的理想值,但往往就會拉低訊號頻率數。意謂難以實踐HDMI 1.3所規範的三十位元以上色階調,未來廠商應更加努力改進。這個思維的重心當然就是「傳送LSI」。  

HDCP之必要性待考量  

這是一個敏感但卻很有趣的議題,高頻寬數位內容保護(HDCP)是數位內容著作權的保護技術,也是HDMI所採用的加密方式。但是並非所有裝置皆有此需求,例如自己用高畫質攝影機所拍攝的片段或影片,要顯現到顯示器上時,根本毋須加密。若從這個觀點來思考,不支援HDCP的控制器當然更加便宜。因此,可以判斷未來的控制器應該不會出現支援與不支援HDCP的兩種版本。  

掌握規格設計控制器  

就應用面來說,尤其是接收LSI,須要衡量的要素比較多。畢竟,每一個上游元件供應商的設計思想不同,就會有不同種類的產品出現。基準點通常在於聲音格式的支援、輸入端子的數量以及是否內建類比數位(AD)轉換器等。  

如上述的「Dolby TrueHD」或是「DTS-HD」,比較合理的運用乃在於高級的HDTV以及AV擴大器,一般產品常陷入價格戰,因此傾向於採用廉價品。  

另外,當使用HDMI於長距離的環境時,例如十公尺以上,訊號往往會大幅度惡化,也就是訊號的眼狀圖(Eye Pattern)會很難看。使用等化器(Equalizer)的技術來改善或補償,不失為一種對策。所以,在篩選接收LSI時,有必要細讀其規格。當然,連接線的材料品質一定要夠好。  

值得注意的是,當在線路板上實裝HDMI 1.3的傳送LSI或接收LSI之際,由於訊號傳送速度極快,勢必要重視電磁干擾(EMI)的處理對策以及訊號整合性(Signal Integrity)的處理。工程人員在設計電路時,建議也把握幾個關鍵,如妥善處理阻抗的不整合,以減少訊號反射。適當地運用共模濾波器元件來降低 EMI電磁輻射,或經由連接器而來的靜電氣ESD保護元件也可善用(圖4)。  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌76期6月號)  

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