转载自http://www.istgroup.com/schinese/2_news/02_news_detail.php?ID=271
本来打算写一篇关于MHL，HDMI和USB的文章，但是发现网上还没有MHL 2.0或3.0的spec供下载，担心自己不参考spec写出来会有错误，所以就在网上找了一篇文章进行转载。除了MHL, HDMI和USB外，这篇文章还对另一种常用视频通信协议DisplayPort进行了对比。转载过程中格式与原文有一定出入，纯手工粘贴。
随着智能型手机与平面电视正快速升级至超高分辨率(UHD)显示规格，高解析多媒体影音-HDMI规格与行动高画质链结-MHL规格，已成为全球消费性家电及手持式产品的标准传输接口。
为了提升4K影音体验，HDMI2.0与MHL3.0的规范中，除了同步加入HDCP2.2内容保护加密技术，实现优质内容播放外；以支持4K影音传输做为亮点的兼容性及动态影音质量的测试需求，将更为殷切。其相关标准也不断演变推出以适应市场需要。
在这波风潮的兴起下，芯片商、系统厂皆加紧研发相关高速传输接口方案。除了HDMI、MHL的测试需求外，笔者在宜特讯号测试实验室工作时，亦接获不少客户询问Display Port与USB Type C，事实上，有线讯号测试规范及应用，在这两年陆续公布。本文将针对HDMI/Display port/MHL/USB进行爬梳。
(一)HDMI
USB Type-C 在公告并推广后，HDMI 是参与度比较低的信号组织。HDMI 是属于消费性产品而USB相对是属于工业性的产品，在整合上各自有利益上的考虑。
HDMI 2.0 在2013公布实施时为新一代显示提供新的标准，包括以下重点:
4:2:0 影像压缩格式
BT2020 广色域定义及实施
新一代HDCP 2.2 加密格式的应用及实施
True 4K2K/60Hz 6GHz 的应用及实施
在HDMI 认定上是采取比较开放的态度，基本上产品只要拥有4:2:0 或 6GHz信号能力便可以取得为HDMI 2.0 认证， BT2020 广色域则是色域的选项，并未要求一定要采用。
HDCP 2.2 是采用更严格的加密方式，到目前为止应该还无法用简易的方式解，HDCP2.2 也是选项之一，但无论产品采用何种加密模式，必须选择HDCP 1.x 或HDCP 2.2，对于HDMI的产品HDCP 加密是必要的功能。
顺带提一点，HDCP并不是HDMI的技术，HDCP 基本上是由独立的DCP组织拥有，提供给有需要的相关集团应用如HDMI或Display port. 值得注意的是WiFi 无限串流Miracast 也是采用HDCP2.2 的加密模式，并且在2016 年4月底在Santa Clara 有一次插拔大会，预计经过几次插拔大会的修正之后，将成为Miracast 的标准之一。
由于加密测试的认证仪器需经过一连串长时间的密集测试，目前新一代的HDCP测试仪器仅有Simplay Lab 所提供的有线SL-8800 及WiFi SL-8810 能进行认证测试.这两台分析仪由DCP协会指定Vprime 公司独家贩卖。
Premium cable program:
由于6GHz 信号的推广常常忽略了必须对更换高速的cable以至于系统无法正确显示，于是在2015年9月份公告了HDMI 6GHz cable 的测试规范，称之为Premium Cable Certification program (不是先前讨论的HDMI2.0 cable CTS)，要注意参加Premium cable Certification program 得到认证而在市面贩卖的线材是需要付US$0.04权利金的，但相对的HDMI LLC 推出防伪3D QR code, 透过手机APP 联机是可以取得该线材的认证履历以确保线材质量及消费者权益。
参与Premium cable Certification program 有一些比较繁琐的程序，整理如下:
1. Cable adopter签参予合约并加入cable (premium cable)计划。
2. HDMI LLC 寄initial joining fee发票给Adopter, Adopter 付款。
3. Adopter 公司名会被HDMI LLC 网站列入参予计划者。
4. Adopter 会取得这个计划的IP, 包含TMs (商标)。
5. Adopter 提交这个计划(premium cable) 候选 (待测) cable 至ATC。
6. ATC 测试cable 并提供测试报告给Adopter。
7. Adopter 登录并提交报告( 认证, TRF, CDF) 给HDMI LLC。
8. HDMI review 完报告后会联络ATC 并确认认证为有效, 这时送测cable 成为新登录的cable。
9. Adopter 这时可以向HDMI LLC 订购标签。
10. Adopter 可以向HDMI LLC 登录 family cable, 不须再测试. (Cable family 是指SKU# (「库存单位」或「最小存货单位」)，是一样但P/N number 不一样)。
11. Step 10登录的cable 也是可以申请标签的。
在认证测试上Premium Cable 则加入了ADS 模拟眼图及EMI 6GHz 的测试。
在2015年8月份HDMI LLC另外公告了HDMI 2.0 进版为HDMI 2.0a，其中导入的是HDR (High Dynamic Range) 的应用。
HDMI 针对串流所导入的HDR 跟一般消费者所熟习相机所使用的HDR是没有关系的，相机所使用的HDR 简单来说是根据三张或五张不同曝光指数所记录的影像，经由相机本身的演算找到各区域的最佳影像而组合而成的最佳图像。
相机所定义的HDR:
HDMI 定义的HDR:
HDMI 所定义的HDR是处理正确的亮度攫取即显示。由于HDMI 2.0a 之前摄影或影片后制后的影像亮度并无法直接通知显示器产品，导致在低亮度时常亮度过低而高亮度又产生饱和的现象。再者旧规范中的光电效应的转换还是一直沿用CRT 时代的Gamma 2.2 (2.1~2.4)为主，已经不符合现代摄影及显示技术。另外要达到高动态亮度下的data depth 究竟是要8 bit，10 bit 还是12 bit，在HDMI 2.0a 中有比较具体的定义。
以下简单列出HDMI HDR 的建议项目:
1. EOTF 的format 要follow SMPTE 2084 的定义
2. Metadata 传输内容及Extend EDID 格式参考CEA 861.3
3. Processor 最好能达到12 bit 的精度
4. Sink 要跟Source 的亮度做一致性的tone mapping
5. 最好能达到BT2020 的色域
相对于另外一个组织UHD Alliance所定义的Ultra Premium HD/HDR 10, HDMI 的HDR显得比较保守。
UHD Alliance Ultra Premium HD 的HDR highlight:
1. 分辨率至少3840x2160
2. 色域至少DCI P3. (比BT2020 范围小)
3. 最大亮度如达到1000 cd/m2, 最小亮度必须低于0.01 cd/m2／最大亮度如小于540 cd/m2, 最小亮度必须低于0.005 cd/m2 (导致Local dimming backlight 成为标准配备)
4. 至少10 bit 精度
5. 使用SMPTE2084 的EOTF
(二)USB Type-C
USB 自从推出Type-C connector之后便带动了产业界对USB 的兴趣，再加上APPLE同意采用Type-C 为下一代产品的接口，USB Type-C 于是拥有统一各种接头的想象空间。
USB Type-C 经过这段时间的推广，消费者对于这个新的接头都有基本的认识，以下还是列出其特色:
1. 为24 pin 的结构。
2. 可允许正插及反插。
3. 可传输USB 3.1 Gen 2 所定义的10GHz 信号。
4. 经由Alternative mode 沟通可以转换为其他信号传输模式。(如DP 或MHL)
5. 最大功率供应为100 W。
在讨论Type C 之前，应该先对USB 各版本的电性做比较。
Type C 的重点是定义connector type， 有三个重点，重点之一是正反插兼容，重点二是各种信号兼容，重点三是Power delivery 的宣告。
正反插兼容是靠24 pin 中的CC1 跟CC2 电压侦测来决定，up stream facing point (UFP) 有个pull down 电阻，down stream facing point (DFP) 有个pull up 电阻，靠着USF 跟 DSF CC pin 上的电压组合，便可以使双方知道cable 是正插或反插。
Rp 及Rd 分别代表DFP pull up 电阻跟UFP pull down 电阻， 电压测试点就在CC pin 上。
除了Rp/Pd 的定义之外，如果UFP 是powered cable，还有一个strong pull down 的Ra (0.8~1.2K), 当DFP device 发现对接的是这类产品，在空的CC pin 上需转为VCONN并供给 5V (1W) 给 power cable 使用。
信号兼容则是靠 USB Type-C spec 里面定义的Alternative Mode 来达成，Alternative mode是由DFP/UFP 内部的BMC (Bi-Phase Masking) PD controller 进行沟通，另外一种option沟通模式是利用VBUS上的BFSK (Binary Frequency Shift Keying) 的方式进行，要注意BFSK的模式是在BMC沟通失败后才进行，不能当作主要的沟通模式。
Alternative mode的功能是可以切换Type-C USB 的模式到其他如Display port 或MHL 等讯号模式。透过Massage Header 下定义的Vendor define massage，并于VDM header 中的SVID 宣告讯号模式。
举例来说MHL 的SVID 为 0xFF02，当VDM Header B31..16 填为0xFF02 时DFP 便会将UFP判别为MHL mode.
USB has assigned the following value to MHL for use as USB VSID:
Decimal value = 65282
Hexadecimal value = 0xFF02
Power delivery 的宣告是Alternative mode另外一个重要的功能，透过CC pin将对象能提供的功率跟消耗的功率，定义在载于BMC上的VDM (Vendor Define Massage) 讯息。讯息内容包括source/sink 供电耗电能力，对象power 的种类， 电压，电流等信息。
由以上信息可以看出USB Type-C在理论上是可以涵盖目前大部分的有线讯号传输，为未来的有线讯号提供整合的基础，但是也是因为兼容太多其他的应用，相对在使用上的复杂度大大的提升，也因为如此Type-C 的认证迟迟无法定案，在产品兼容性上似乎少了一些保障，尤其是供电的范围增加到100W ，在实际环境的应用上要更加谨慎。制造商可以多参加USB IF 所举办的plug fest 以增加产品的信心度。
(三)MHL
MHL 是第二个加入Type-C alternative mode 计划的组织，理由很单纯，因为MHL是特别为Mobil device 设计的接口，而Type-C connector 最有机会被下一代手持装置所采用。
MHL 是由Nokia, Samsung, Silicon Image, Sony and Toshiba组成的联盟主导推广，由Silicon Image主导接口的技术，因为同样使用Micro USB 的接口，利用D+/D- 及ID pin，MHL 将Data 及 C-BUS 讯号载于USB 的pin 上，在2012~2013年曾经普及过一阵子。
由于手机的运算能力提升，有一阵子制造商企图把手机当作家庭的网络及字处理中心，消费者回家不必带着Notebook，只要把手机影像透过MHL的接口传输到monitor 便可以执行一般的上网动作以及简易的字处理。
有一阵子系统商(如三星等)尝试推出名叫Smart Book 的产品，目的就是把CPU由NB移出，Smart book 仅执行display，keybpard/mouse，tough screen及充电的任务，听起来是个很不错的使用方式，但由于当时C-bus commend 在MHL 1, MHL 2的时代并没有规范的很完备，透过display 要执行keyboard/mouse 或touch screen 的数据回传相当困难，如果播放在电视上又被cable 的长度限制住，再加上大尺寸手机及平板的普及化，MHL的优势便似乎不在存在了，到今天如果有需要把手机影像拨放到TV，大部分消费者会选择使用无线如Miracast 或DLNA 的方式来进行。
下一代的MHL 进到Super MHL 的时代，Type-C则在Super MHL中有比较明确的使用说明，简单介绍Super MHL 特点如下:
1. 可以传输8K/120fps 的影像。
2. Deep color 支援48 bit mode。
3. HDR (High dynamic Range) 的导入。
4. Audio 支持格式包含Dolby Atmos®, DTS-UHD™, 3D audio, and an audio-only mode。
5. 更完整的MHL产品相互链接。
6. 充电能力达到40W (5V 8A)。
7. 多重影像显示。
8. 支援正反插。
9. 支持MHL Type-C 定义的Alt mode。
Super MHL connector:
Super MHL 在spec 中Device class B有定义到6 个Lanes 的结构，connector type 与MHL 相仿，为32 pin 的结构，这意味着能有更多的带宽可以传输。
在传输能力上当然比Type-C要强，可以由以下表格中比较出Super MHL connector 与Type-C 较。
由于MHL 的Lanes 上不存在clock的信号 (存在于CBUS/eCBUS上)，在先天上与Type-C 并存的条件比HDMI 更为优良。下图为MHL 在Type-C 上的结构图。
Type-C Alt mode 除了遵守USB VDM 的定义外，VDO (Vender define Object) 也定义了MHL 相关的讯息格式。
Super MHL 在规格上已经超越HDMI 及DP，是不是能卷土重来就看联盟是否能发挥适当的影响力。
(四)Display Port:
Display Port 是VESA 协会所定义的数字信号接口，也是最早定义为USB Type-C alternative mode 的讯号。
Display Port 的编码方式跟常见的HDMI, DVI, LVDS 等信号很不一样，Display port 是以Data Packets 的方式传输信号，clock 则混入编码当中，因此所有的Lanes 都可以当作数据来传输，total throughput 可以比同样4个Lane 的HDMI要高。然而因为使用Data Packets 的方式编码，再加上必须混入一些symbol packet，数据传输并不连续，因此一般会以80% 作为total throughput 的估算，也因为以data Packets 的方式编码，接收端必须要有line buffer 的设计将不连续的信号转为连续的信号，因此在不同的clock domain 下决定最短的line buffer长度会是个挑战。
DP 1.1 于2007 年公告，当时的RBR (1.62GHz) 及HBR (2.7GHz) 可以支持640x480/60Hz 到1920x1080/60Hz 的信号。
2009 年公告DP1.2，HBR2 (5.4GHz) 可以支持stereoscope 3D，4K2K, deep color，及多屏幕multi stream 的应用，其中multi stream 正是因为用了Data packets 的方式传输才有机会把多屏幕信号同时在信号中传输。
2014年公告了DP 1.3 规格，HBR 3 (8.1GHz) 可传输4K2K/120Hz，5K3K/60Hz 等信号。
DP1.3 还没正式实施便在2016 年初公告DP1.4，DP1.4 lane speed并没有继续加快，只是增加DSC (display stream compression)，Forward Error correction 及SMPTE 2048 HDR, BT2020 color space 等功能。
USB Type-C alternative DP mode (或称DP over Type-C) 的架构跟前述的MHL 处理方式类似，同样要把power delivery，CC control，以及正反插的应用考虑进去。
结语:
笔者此次藉由探讨HDMI/MHL/DP/USB差异性，加上在宜特科技讯号测试处协助企业测试申请HDMI/MHL认证与测试DP/USB的实战经验，期能让更多欲进入高速传输影音市场的客户，熟悉规范测试要点，藉此快速拿到认证，影音产品顺利进入市场。
本文作者：
iST宜特科技讯号测试事业处协理 余天华