HDMI® 2.1 Fixed Rate Link(FRL) mode 개요

Granite River Labs, GRL
Lucy Chang

소비자 시장에서 증가하는 고품질 오디오 및 비디오 애플리케이션에 대한 니즈에 대응하여 HDMI 포럼은 2017년 말에 HDMI 2.1의 최신 사양을 발표했습니다. 가장 놀라운 새 기능은 FRL(Fixed Rate Link)의 추가입니다. 전송 모드는 HDMI 인터페이스가 과거에 신호를 전송하는 방식을 뒤집는다고 할 수 있습니다. HDMI 2.1이 출시되기 전에는 최대 대역폭이 18Gbps인 TMDS(Transition Minimized Differential Signaling) 아키텍처가 신호 전송에 사용되었습니다. 대역폭은 48Gbps로 증가했으며 압축을 통해 최대 10K 해상도의 이미지를 전송할 수 있습니다. FRL은 어떻게 이러한 높은 대역폭을 달성할까요?

그림1. HDMI 대역폭의 진화

HDMI 전송 채널 및 인코딩 방식

HDMI 채널 전송 동작과 관련하여 기존 TMDS 아키텍처에서는 독립 채널을 사용하여 클락 신호를 전송했지만 FRL 아키텍처에서는 클락을 데이터 신호에 내장한 다음 후속 클락 복구를 통해 전송합니다. 이 방법은 클락 신호(그림 2)를 분석하여 이미지 신호를 전송하는 데 하나 이상의 채널을 사용할 수 있으며 그에 따라 대역폭이 향상됩니다.

반면, FRL 아키텍처에서는 새로운 물리 계층 전송 방식이 도입되어 TMDS에서 사용되는 8b/10b 인코딩 방식과 FRL에서 16b/18b 인코딩 방식이 도입되어(그림 3) 채널 대역폭 사용이 더욱 향상됩니다. 채널은 고해상도와 이미지 업데이트 속도를 전송하여 소비자에게 더 나은 오디오 및 비디오 품질 경험을 제공합니다.

그림2. HDMI 신호 채널의 도표

그림3. 16b/18b 인코딩 변환 도표

FRL 아키텍처에서 링크 트레이닝 방법은 신호를 전송하는 데 사용할 속도를 결정하는 데 사용됩니다. HDMI 2.1 FRL 모드는 고객이 제품 사양을 설계할 수 있도록 6개의 채널 속도를 정의합니다(표 1). 특히, FRL 모드는 여전히 3채널 전송 모드를 유지합니다. HDMI 2.1 FRL을 지원하는 제품들은 HDMI TMDS 모드와 하위 호환되어야 하기 때문에 원래 클락 채널 사양은 채널 감쇠가 더 클 수 있습니다. 일부 아키텍처는 FRL 모드를 지원할 수 있으므로 설계 채널은 3개뿐입니다.

HDMI 2.1 FRL 모드의 이퀄라이저 애플리케이션

HDMI 2.1 FRL 모드에서는 채널당 최대 12Gbps를 지원할 수 있습니다. 전송 속도의 증가로 인해 채널에서 고속 신호의 더 큰 감쇠에 직면하게 됩니다. 신호 감쇠를 개선하기 위해 HDMI 2.1은 보다 다양한 이퀄라이저 애플리케이션을 도입했습니다(그림 4).

그림4. HDMI 이퀄라이저 다이어그램

아래 그림 5와 같이 4개의 서로 다른 크기의 De-emphasis 및 Pre-shoot 값으로 구성된 송신기 측에 Feed Forward Equalizer(FFE) 이퀄라이저를 추가하면 Tx 측에서 Link 트레이닝 동안 0=TxFFE0 FFE를 사용합니다. 더 높은 속도의 신호를 전송해야 하는 경우 Tx는 오디오 및 비디오 데이터가 싱크로 완전히 전송될 수 있도록 Link Training을 통해 더 높은 FFE 보상을 결정합니다.

그림5. HDMI 피드 포워드 이퀄라이저 모듈

표2. HDMI 피드 포워드 이퀄라이저 모듈

수신기 측에서는 연속 시간 선형 등화기(CTLE, Continuous Time Linear Equalizer) 및 의사결정 피드백 이퀄라이저를 사용합니다. 데이터 속도가 다른 신호는 다른 정도의 CTLE를 사용하도록 선택할 수 있으므로 케이블 손실을 통과한 신호가 수신기 측에서 보다 완벽하게 복원됩니다. (그림 7)은 FFE와 다양한 CTLE 보상을 추가한 후 신호의 아이 다이어그램입니다.

그림6. HDMI 연속 시간 선형 이퀄라이저 모듈

그림7. 신호는 FFE 및 CTLE에 의해 보상됩니다.

디스플레이 스트림 압축(DSC)

신호 전송 구조의 변경 외에도 저속 신호 디스플레이 데이터 채널(DDC, Display Data Channel)에서 전송되는 EDID(Extended Display Identification Data) 및 SCDC(Status and Control Data Channel)는 모두 원래 예비 공간(Reserve)에 기록되로록 열려 있습니다. FRL 모드의 새로 추가된 기능은 이러한 저속 신호의 통신이 FRL의 Link 트레이닝 프로세스에서 매우 중요한 역할을 한다는 것을 선언합니다.

다음은 단순화된 Link 트레이닝 프로세스입니다(그림 8).

1. Source는 FRL 모드가 지원되는지 확인하기 위해 Sink의 EDID를 읽습니다. FRL 모드가 지원되지 않으면 TMDS 모드로 돌아갑니다.
2. Sink는 SCDCStatus Flags에 FLT_Ready를 작성하여 Link Training을 수행할 수 있음을 Source에 알립니다. Source가 FLT_Ready가 설정되어 있는 것을 조회하면 출력할 FRL Data Rate, 지원되는 채널 수, 상대 TxFFE 값을 설정할 수 있습니다.
3. Sink는 Source에 해당 Link Training Pattern을 출력하도록 요청할 것입니다. 올바른지 확인한 후 공식 FRL 신호 전송에 들어갈 수 있습니다.

그림8. FRL 링크 교육 프로세스

고해상도 이미지 전송을 달성하기 위해 채널 대역폭을 높이는 것 외에도 HDMI 2.1은 디스플레이 스트림 압축(DSC) 기술을 처음으로 도입했습니다. DSC는 FRL 모드 전송에서만 사용하여 10K 이미지의 전송을 실현할 수 있습니다. DSC의 개념은 분할 입니다. 즉, 디코딩 및 복원을 위해 이미지를 압축하여 Sink로 전송하고, 더 낮은 대역폭을 사용하여 고해상도 이미지를 전송할 수 있습니다(그림 9 참조).

그림9. DSC의 개략도

채널 대역폭이 증가함에 따라 신호 전송 중 채널 손실에 대한 요구 사항이 더 엄격해졌습니다. 신호 전송에 사용되는 케이블도 카테고리 3 케이블인 초고속 HDMI 케이블로 업그레이드 되었고(그림 10), 최대 48G 대역폭을 전송할 수 있습니다. 기존 케이블 인증에 비해 ACR(Attenuation to Crosstalk Ratio) 등 많은 항목이 추가되었습니다.

그림10. 초고속 HDMI 케이블 (hdmi.org)

ARC & eARC

HDMI2.1은 또한 소비자 경험에서도 많은 업데이트를 했습니다. HDMI 1.4에서 개발한 ARC(Audio Return Channel)와 비교하여 HDMI 2.1에는 eARC(Enhanced Audio Return Channel)가 추가되었습니다. 비교표는 아래 그림 11과 같습니다. eARC는 최대 8채널 사운드는 물론 Dolby TrueHD, Atmos 등과 같은 고차원의 사운드 포맷을 전송할 수 있어 소비자가 집에서 극장과 같은 수준의 오디오 및 비디오를 즐길 수 있습니다.

표3. ARC와 eARC의 비교표

High Dynamic Range (HDR)

그림12. 정적HDR 및 동적HDR 비교

HDMI 2.1은 또한 VRR(Variable Refresh Rate), QMS(Quick Media Switching), QFT(Quick Frame Transport) 및 ALLM(Auto Low Latency Mode)을 포함한 일부 게임 모드 기능을 추가했으며, 전반적인 개념은 프레임 변환 속도를 높이는 것입니다. 또한, 비디오 및 오디오가 화면에 출력될 때 지연을 줄이고 사용자가 게임의 화면 변환 중 화면 왜곡 또는 화면 깨짐 상황을 줄일 수 있습니다.

새로 추가된 HDMI 2.1 항목의 간단한 비교는 그림 13과 같습니다. 인증 측면에서 HDMI 2.1은 HDMI 2.0을 완전히 대체했습니다. 차이점은 HDMI 2.1이 FRL과 TMDS의 두 가지 모드로 나뉩니다. 현재 FRL의 소스, 싱크 및 커넥터를 지원합니다. 모두 테스트 및 인증이 가능합니다. GRL은 또한 관련 테스트 및 증거 수집 경험이 있습니다. 그러나 DSC, HDR 및 게임 모드의 관련 테스트 항목은 발표되지 않았습니다. 앞으로 HDMI 영상 산업의 활발한 발전을 위해 전반적인 기술이 더욱 완성되기를 기대합니다.

표3. ARC와 eARC의 비교표

GRL은 HDMI Forum의 ATC(Authorized Test Center)으로써 소스, 싱크, 리피터 및 케이블을 위한 HDMI 2.1 FRL, HDMI 2.1 TMDS, HDMI 1.4b, HDCP 1.2 & 2.2를 포함한 다양한 HDMI 테스트 서비스를 제공합니다.

References

• HDMISpecification2.1-94919-0215192500
• https://www.hdmi.org/spec/hdmi2_1

Author
GRL Taiwan, Lucy Chang

국립중앙대학교 화학재료학과 졸업. HDMI2.1 FRL 신기술 테스트 등 HDMI 테스트 경험. GRL 테크니컬 아티클의 저자이자 강사.

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Release date 2020/08/11 AN-200801-TW