移动高清接口关键技术分析及应用

廖晶晶，殷严刚

（1.广西师范大学 职业技术师范学院，广西 桂林 541004；2.广西师范大学 电子工程学院，广西 桂林 541004）

1 引 言

数字高清时代已经悄然到来，桌面级高清设备接口标准之争，早已在HDMI、DisplayPort、DiiVA间如火如荼地展开。随着电子技术和制造工艺的进一步发展，越来越多的移动终端设备具备了很强的高清处理能力。据业界权威推测，2014年年内将出现具备4K级别高清处理能力的智能手机、平板电脑等移动终端设备。由于移动终端设备尺寸、设备续航能力等方面的限制，采用合适的接口技术将这些移动设备连接至HDTV、SmartTV等大尺寸高清显示设备进行高清数据交互，则成为业界关注的焦点。

适用于移动设备的高清接口标准众多，主要分为有线高清接口和无线高清接口［1］。主流标准中，有线高清接口标准包括：HDMI、MYDP和MHL；而无线高清接口标准则包括：WiFi－Display、WIDI、WHDI、WiGi和 WirelessHD；由于无线高清接口技术还存在传输延迟等问题，目前占市场主导地位的还是有线高清接口；与此同时，移动设备产业界还未对这些接口标准作出明确选择，许多设备厂家更多地选择观望。下面将对3种有线移动高清接口标准在关键技术、性能特点等方面进行介绍、分析和比较。

2 移动高清接口标准简介及发展现状

HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清多媒体接口）是一种全数字化的、可用于传输未经压缩的图像、视频和音频信号的传输接口。该接口标准由包括 Hitachi、Panasonic、Quasar、Philips、Thomson RCA、Toshiba、Silico Image等消费电子产业巨头，于2002年正式设计开发，2013年9月更新至2.0版本。MYDP（Mobility DisplayPort）由意法半导体和ST－Ericsson在2012年以DisplayPort为基础共同设计开发，是一种完全针对移动设备与大屏显示设备高清交互的接口标准，2013年MYDP已经更新至1.0a版本。MHL（Mobile High－Definition Link，移动高清影音标准接口）则是一种专门用于移动设备与HDTV等大屏显示设备互连的接口标准。它由包括Silicon Image、Sony、Nokia、Explore、Toshiba、Samsung等业界巨头所组成的移动高画质连接技术联盟，于2008年提出，2013年8月，MHL更新至3.0版本。

2.1 HDMI

图1所示为HDMI原理框图。HDMI标准发展较为成熟，是现今各类高清设备中广泛采用的接口标准。

图1 HDMI原理框图Fig.1 Block diagram of HDMI

标准HDMI链接包含3条TMDS通道，用于传送音频、视频以及各种辅助数据；1条TMDS时钟通道，用于同步设备的时钟信号，一般情况下时钟信号频率是TMDS数据信号频率的十分之一；1条 DDC（Display Data Channel）通道，采用I2C总线协议来获取接收端（HDTV或者显示屏）接收能力；1条 CEC（Consumer Electronics Control）通道，用于传送工业级AV Link协议信号，以支持遥控器操作多台显示设备，这条通道可不使用，但必须预留。

2.2 MYDP

图2所示为MYDP原理框图。作为新兴的移动高清接口标准，MYDP逐渐被许多移动设备厂商所接受。

图2 MYDP原理框图Fig.2 Block diagram of MYDP

标准MYDP链接由主信号链路（Main Link）、辅助信号链路（AUX＿HPD）和电源链路（MYDP＿PWR）构成。其中 Main Link由高速差分线路构成，主要用于传输微封包结构的视频和音频数据［2］；AUX＿HPD链接采用曼彻斯特编码，提供1Mbps的信号传输速率，用于传输链路控制信号，并同时能够实现 HPD（Hot Plug Detect，热插拔检测）功能；MYDP＿PWR链路则能够为源设备（移动设备）提供一定数量的功率。从这里来看，MYDP和DisplayPort差别就在于合并了AUX和HPD通道，并提供了为移动设备充电的链路。

2.3 MHL

图3所示为MHL原理框图。MHL是最早出现的专用于移动高清接口领域的接口标准，它与HDMI非常类似，但是具体实现上有一定的差别。

图3 MHL原理框图Fig.3 Block diagram of MHL

MHL只使用了1条TMDS通道用于红绿蓝数据的传输，且没有专用的时钟通道；CBUS能够传输互连设备间的控制信号，如CEC、EDID（Extended Display Identification Data，扩展显示标识数据）、热插拔检测等；而VBUS则是向移动设备提供一定功率的电源支持。

3 3种接口技术分析及对比

在移动高清接口领域，TMDS（Transition Minimized Differential signal，最小化传输差分信号）技术、MPA（Micro－Packet Architecture，微封包架构）技术和8b／10b编码技术是目前主流接口广泛采用的传输和编码技术。

3.1 编码及传输技术

无论是HDMI、MYDP还是MHL，都采用了上述几种技术中的一些。其中，HDMI和MHL采用TMDS技术，而MYDP则采用了MPA技术；虽然三者均使用8b／10b编码技术，但是MYDP采用的是标准ASNI 8b／10b编码技术，而HDMI和MHL采用的是经过一定变化的，非标准的8b／10b编码技术［3］。

3.1.1 TMDS技术

图4所示为单链路TMDS通道映射。TMDS传输系统由发送端和接收端组成，发送端接收高清源（移动设备）的24位并行数据（RGB三原色数据分别按8bit编码）、6位控制信号、时钟信号和数据使能信号，然后发送端将这些数据进行编码及转换，再将这些数据分配到不同的通道上发送出去。每个TMDS链路都包含3个分别传输R、G、B数据信号的通道和1个同步时钟信号的通道，接收端在接收同步时钟信号的同时，也接收这些信号，并最终完成解码并输出RGB三原色数据给高清显示器还原显示数据。

图4 单链路TMDS通道映射Fig.4 Channel mapping of single－link TDMS

图5所示为最小化传输过程及差分信号。一次TMDS传输分为传输最小化、直流平衡（DC－balance）和差分信号产生3个步骤，下面以8位R数据来进行一次传输的分析。传输最小化过程中（如图5（a）所示），TMDS发送端首先接收并缓存并行的8位R数据，然后将此并行的8位R数据做一次并串转换，最后进行最小化传输编码，增加一个编码位，形成9位串行数据。直流平衡过程中，再进行一次编码，在9位串行数据后面加上第10位数据，形成10位串行数据，完成非标准的8b／10b编码。差分信号产生过程中，利用2个输出端的电压差来进行10位串行数据的传输，其中一端输出原始信号，另一端输出与其相反的信号（如图5（b）所示），以此来屏蔽噪声串扰，提高传输可靠性。

图5 最小化传输过程及差分信号Fig.5 Minimize transmission and differential signal

3.1.2 MPA与 ASNI 8b／10b编码技术

与TMDS技术不同，MYDP所采用的MPA技术能将链路上所有的串行数据都打包成一个64位的Micro－Packet（微封包），一个微封包即为一个传输单元。如果主链上传输的串行数据少于64位，那么MYDP会自动将其补足64位并封装成微封包的形式进行传输，并且同步时钟信号能够打包进微封包，减少物理链路的数量。这种微封包架构的编码方式，依然采用标准的8b／10b编码技术［4－6］。

表1 RD置位规则Tab.1 Set rules of RD

8b／10b编码的直观理解是将一组8位的数据分为两组，一组5位，一组3位，根据RD（Running Disparity，极性偏差）标志取值，经过5b／6b和3b／4b编码后形成一组6位和一组4位的数据，最终组成一组10位的数据，以达到直流平衡的目的。由于5b／6b和3b／4b编码方式的使用，使得最终编码结果中，0和1的个数差值只可能出现5个0和5个1、6个1和4个0、6个0和4个1这3种情况，0、1的差值对应分别是0、＋2和－2。根据这些情况，参照如表1所示的规则，就能确定RD次态的值，即编码后如果1和0个数不等，RD进行一次翻转，否则保持不变［7］。一次完整的8b／10b编码过程，实质上是先根据初态RD取值对低五位进行一次5b／6b编码并得到次态RD值，再根据次态RD值对高三位进行一次3b／4b编码，同时获得下一组编码所需的初态RD值。

图6 8b／10b编码过程Fig.6 Encoding process of 8b／10b

图6所示为8b／10b编码过程。编码的值可以统一地表示为Dx.y或Kx.y，其中D表示为数据符号（code），K表示为控制符号（Control Symbols），x表示输入原始数据的低5位EDCBA，y表示输入原始数据的高3位 HGF［8－10］。这8位数据在表中的位序为HGFEDCBA，其中H为最高位，A为最低位。经8b／10b编码后，输出编码的位序则变为abcdeifghj，其中abcdei为低5位EDCBA经5b／6b编码的结果，fghj为高3位FGH经3b／4b编码的结果。假设一个8位原始数据10001111且当前极性为RD＝－1，其中a＝01111（15）、b＝100（4），那么这8位数据就能表示成当前极性RD＝－1的D15.4。

表2 8b／10b编码映射表（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）

根据表2，在RD＝－1时，首先将低5位01111经5b／6b编码后变成010111，这个码元中1和0的个数不等，那么次态RD＝＋1；次态RD＝＋1时，高3位100经3b／4b编码后变成0010，且该码元中1和0的个数不等，则RD＝－1作为下一组8b／1b编码的初态RD，那么最终传输的10位数据的位序为0101110010，且传递给下一组编码的初态RD＝－1。对于表2中的Dx.7，当RD＝－1时，D.x.A7用在x＝17、x＝18、x＝20的情况；当RD＝＋1时，D.x.A7用在x＝11、x＝13、x＝14的情况；其它情况下不可使用D.x.A7。8b／10b编码中除了普通的数据码外，还包含用于控制的控制字符码和其他的特殊字符码，它们的编码过程都满足上述编码方式［11］。

3.2 性能、物理规范及其他功能

与桌面高清设备互连接口不同，且受限于移动设备的体积，它与大屏高清设备的互连，除了基本的传输技术及性能外，需考虑很多其它的问题，譬如接口的物理尺寸、移动设备的续航能力等［12－14］。

3.2.1 接口物理规范

HDMI中规定了19pins的A Type、29pin的B Type、19pins的 C Type（俗 称 Mini－HDMI）和19pins的D Type（俗称 Micro－HDMI）等4种接口尺寸规格，其中D Type最适用于小微型移动设备，但与现有其他常用接口并不兼容。而MYDP和MHL并没有限定具体的接口尺寸规格，仅根据链路的需要制定出5pin的链路数量，使用者可以根据自身的实际情况来选择物理接口。譬如MHL，现在市面上支持MHL的智能手机设备，大多是共用5pin的标准Micro－USB接口；而MYDP则可运用于Intel与苹果合作研发的ThunderBolt（雷电）接口，该接口现在已大量运用于苹果电脑，与此同时，完全基于MYDP标准研发的SlimPort同样能够支持使用标准Micro－USB接口。

3.2.2 接口性能

最新的HDMI2.0版本中，TMDS时钟频率已经被提升至600MHz，意味着单条TMDS数据通道的传输速率达到6Gbps，那么一条完整的HDMI（D Type）链路就能提供高达18Gbps的数据传输速率，能最高支持3840×2160＠60FPS的高清4k分辨率，提供4组音频流和32声道以及最高1536kHz的采样率，并同时支持双画面、动态自动声画同步和48位色深图像。MHL3.0版本最高传输速率达到4.5Gbps，所能支持最高的4k高清分辨率为3840×2160＠30FPS，并同时能够提供7.1环绕立体声以及Dolby TrueHD and DTS－HD。而最新的MYDP1.0a版本，理论数据传输速率能够达到5.4 Gbps，目前与 MHL3.0一样能够支持3840×2160＠30FPS，以及7.1声道数字音频信号，相信支持更高分辨率的MYDP版本近期内即将推出。

3.2.3 其他功能

由于上述3种移动高清接口标准结构的不同，每种接口附加功能和可扩展性也大不相同。HDMI（D Type）在数据传输方面具备很大的优势，但是通过DDC仅能为用户提供HDCP（High－Bandwidth Digital Content Protection，高宽带数字内容保护技术）功能，无法提供一些鼠标、键盘等常用外设。MHL除了能够支持HDCP外，还能通过CBUS提供热插拔功能支持一些常见的外设，同时通过VBUS功能为移动设备提供900mA电流、10W左右的充电功能。MYDP能够支持较HDCP更为可靠的飞利浦DPCP（Display Port Content Protection，DP内容保护），亦可为移动设备提供10W左右的充电功率，由于MYDP电气接口类似于PCI－E物理层，并采用MPA技术，使其传输数据完整性得到了很大的提升，能够在相同的物理连接里面，轻松追加新的协议内容，能够支持大量外设，并具备很强的扩展能力。

4 3种标准对比

从接口物理规范和附加功能来看，对于设备接口空间十分紧张的移动设备来说，能够兼容已有接口并且能够支持充电、添加外设等多种功能的MHL和MYDP更加适合移动设备的高清互连场景；但从接口性能方面来看，HDMI（D Type）较之 MHL和MYDP更能胜任4k级别高清数据的传输。这3种接口标准详细特性如表3所示。

表3 三种接口标准特性一览Tab.3 List of standard features

5 结 论

HDMI（D Type）、MHL和 MYDP在功能特性上各有特色，但总体来看，MHL和MYDP目前似乎更加适合于小微型移动设备与大屏高清显示设备的高清互连。随着电子技术的进一步发展，即将采用C型接口的USB3.1和中国自主产权的DiiVA技术也对移动高清互连领域虎视眈眈，加之 WiFi－Display、WIDI、WHDI、WiGi和WirelessHD等无线高清互连技术的蓄势待发，相信在未来一段时间内，移动高清互连领域将会出现众多接口标准百家争鸣的场景。

［1］章文辉，柴剑平.数字高清接口DisplayPort和 HDMI比较［J］.电视技术，2008，32（12）：38－39.Zhang W H，Chai J P.Comparison of HD Displayport and HDMI interface［J］.Video Engineering，2008，32（12）：38－39.（in Chinese）

［2］黄炳乐.一种高动态范围显示系统的设计［J］.液晶与显示，2013，28（6）：337－340.Huang B L.The design of high dynamic range display［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（6）：906－910.（in Chinese）

［3］岳婷.数字时代高清接口对比与分析［J］.电视技术，2008，32（11）：52－52.Yue T.Contrast and analysis on HD interface［J］.Video Engineering，2008，32（11）：52－52.（in Chinese）

［4］李瑜亮.下一代数字显示接口DisplayPort［J］.电视技术，2006，30（2）：38－41.Li Y L.Next－generation digital display interface DisplyPort［J］.Video Engineering，2006，30（2）：38－41.（in Chinese）

［5］吕耀文，王建立，曹景太，等.移动便携图像存储系统的设计［J］.液晶与显示，2012，27（5）：697－702.Lv Y W，Wang J L，Cao J T，et al.Design of portable image storage system ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（5）：697－702.（in Chinese）

［6］李定珍，王萍.VFD显示图像缺陷检测技术研究［J］.液晶与显示，2013，28（1）：138－145.Li D Z，Wang P.Defects detection technology of VFD display image［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（1）：138－145.（in Chinese）

［7］贾建禄，王建立，赵金宇，等.961单元自适应光学系统滤波前处理器［J］.光学精密工程，2013，21（6）：1387－1393.Jia J L，Wang J L，Zhao J Y，et al.961－element adaptive optical wave－front processor［J］.Optical and Precision Engineering，2013，21（6）：1387－1393.（in Chinese）

［8］夏巧桥，汪鼎文，张立国，等.高速多通道遥感相机快视系统的实现［J］.光学精密工程，2013，21（1）：158－166.Xia Q Q，Wang D W，Zhang L G，et al.Realization of fast－view system for high－speed multi－channel remote sensing camera［J］.Optical and Precision Engineering，2013，21（1）：158－166.（in Chinese）

［9］陈健，高慧斌，郭劲，等.数字化单杆控制系统设计［J］.光学精密工程，2013，21（11）：2844－2851.Chen J，Gao H B，Guo J，et al.Design of digital handle control system ［J］.Optical and Precision Engineering，2013，21（11）：2844－2851.（in Chinese）

［10］郝飞，史金飞，张志胜，等.应用通用自回归模型实现图像的自适应滤波［J］.光学精密工程，2014，22（1）：186－192.Hao F，Shi J F，Zhang S Zh，et al.Image adaptive filtering using general auto－regressive model［J］.Optical and Precision Engineering，2014，22（1）：186－192.（in Chinese）

［11］王显军.反射式光电编码器［J］.光学精密工程，2013，21（12）：3066－3071.Wang X J.Reflection photoelectric encoder［J］.Optical and Precision Engineering，2013，21（12）：3066－3071.（in Chinese）

［12］STMicroelectronics.Mobility DisplayPort（MYDP）Standard Proposal［EB／OL］.［2011－02－7］.http：／／www.st.com／web／en／search／keyword／6／10.

［13］MHL LLC.MHL Consortium announces new specification with major advancements for mobile and consumerelectronics connectivity［EB／OL］.［2013－8－8］.http：／／www.mhlconsortium.org／news／PressReleaseDetail.aspx id＝2147493678.

［14］HDMI LLC.Introducing HDMI2.0［EB／OL］.［2013－09－11］.http：／／www.hdmi.org／manufacturer／hdmi＿2＿0／index.aspx.