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HDMIの基礎知識 HDMIの基礎知識
第2章 機器開発を始める前に知っておきたい HDMIの基礎知識 ―――― 柴田 修 ビデオとオーディオおよび各種パケットのデータは， 本稿では HDMI 仕様の概要，TMDS 物理層の仕組み，サポー トしているビデオやオーディオのフォーマット，著作権保護方 TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）と 式などについて解説する．また HDMI では 2006 年 11 月に 呼ばれる方式で伝送されます．TMDS は米国 Silicon Version1.3a がリリースされた．HDMI 1.3 において追加さ Image 社 が 開 発 し VESA（ Video Electronics Standard れた，いくつかの機能について紹介する． Association）が標準化した映像用の伝送方式です．データ （編集部） を3 チャネルとクロックを1 チャネル備えています．TMDS クロックは，TMDS デコーダがデータを再生する際のリ 1．HDMI 仕様の概要 ファレンス・クロックとして使用されます． TMDS エンコーダは，データの 8b/10b 符号化（8 ビット HDMI のシステム構成は大きく分けて，ソース（Source） 機器，シンク（Sink）機器，ケーブルの三つのデバイスに → 10 ビット）を行うことで DC（直流）成分を最小化します． よって定義されます（図 1）． また，8b/10b 符号化を用いることで，ビデオ・データ区間 シンク機器の構成や状態などの情報は DDC（Display のデータ信号の 1/0 の遷移を少なくして，高周波成分を抑 Data Channel）信号を使って認証されます．さらに HDMI えます．逆にブランキング区間は 1/0 の遷移を多くするこ は CEC（Consumer Electronics Control）ラインを装備し とで，シリアル・パターンや映像データの境界検出を容易 ています．CEC により機器間の複雑な制御が行えます． にしています． HDMI送信機（ソース） 音声/制御 パケット 処理 ピクセル・クロック TMDSチャネル HDMI受信機（シンク） パケット 処理 データ0 映像 水平/垂直同期 ケーブル TMDS エンコーダ データ1 音声/制御 映像 TMDS デコーダ データ2 H/V同期 ピクセル・クロック クロック 図1 HDMI ブロック・ダイアグラム ディスプレイ・データ・チャネル（DDC） HDMI は高速な TMDS チャネルと 低速な制御チャネルで構成される． コンシューマ・エレクトロニクス・コントロール（CEC） EDID ホット・プラグ・ディテクト（HPD） HDMI 1.3a，ソース，シンク，TMDS，DDC，CEC，8b/10b，RGB，YCbCr4 ： 2 ： 2，YCbCr4 ： 4 ： 4， IEC 60958，クロック PLL，リファレンス・イコライザ，E-EDID，ディープ・カラー・モード，TERC4 Design Wave Magazine 2008 April 73 ビデオ・データの標準の色分解能は RGB 各 8 ビット，合 駆動します．リファレンス電圧 AVcc は，シングルエンド波 計 24 ビットです．ビデオ・データは通常，ピクセル・レー 形の“H”レベルに設定されます．振幅値（Vswing）は Tx の電 トと同じクロック・レートで伝送されます．色分解能（ビッ 流源とRx の終端抵抗によって決定されます．終端抵抗（RT） ト数）は 24/30/36/48 から選べますが，30 ビット以上の場 とケーブルの特性インピーダンスは整合しなければなりま 合は，クロック・レートがピクセル・レートよりも高く設 せん． 定されます．各ピクセルの表色系（ビデオ・ピクセル）とし TMDS ペアの P チャネル，N チャネルのシングルエンド ては，RGB，YCbCr4 ： 2 ： 2，YCbCr4 ： 4 ： 4 に対応し 波形は図 3 のようになります． “H”レベルは AVcc ， “L”レ ています． ベルは AVcc − Vswing です．差動信号の波形は図 4 のように TMDS はオーディオと各種補助データを伝送するために なります．振幅は P チャネルと N チャネルのシングルエン パケット構造を使用しています．オーディオと各種補助 ド波形の振幅の差分を取った値になります．またTMDS は， データについては，高い信頼性が必要です．TMDS では， 一般的なプッシュプル・タイプの完全差動方式ではなく， ECC（Error Correcting Code）で保護すると同時に，今回 オープン・ドレイン・タイプの疑似差動方式になります． 新たに導入した 4b/10b 方式（4 ビット→ 10 ビット）の 1）TMDS Rx の PHY アーキテクチャ HDMI の TMDS Rx 部は図 5 のようなモデルで示されま TMDS エラー・リダクション・コーディング（TERC4）で 10 ビット化します． す．実際の製品はモデルと異なっていても構いません．こ オーディオは基本的に国際標準規格 IEC 60958 に定義さ のモデルは，ある特定のフィルタ特性を持つクロック PLL れた L-PCM（Linear Pulse Code Modulation）ストリーム と，ある特定のインパルス応答を持つリファレンス・イコ からなります．対応しているサンプル・レートは 32kHz， ライザが特徴です． 44.1kHz，48kHz です．任意で，8 チャネルまでの 192kHz HDMI の物理層仕様はソース，シンクともに，この基本 も選べます．HDMI は IEC 61937 で定義された圧縮オー 構成の PLL とイコライザが持つパラメータを基準に定義さ ディオや 8 チャネルの 1 ビット・オーディオ信号も伝送可 れています．コンプライアンス・テストの際には，これら 能です． パラメータの整合に注意しなければなりません． 2）クロック PLL（CRU） TMDS のジッタとアイ・ダイヤグラムの仕様は理想ク 2．TMDS PHY 層の基礎知識 ロックによって規定されます．理想クロックは TMDS ク 図 2 は TMDS 差動ペア 1 組の概念図です．TMDS は低 ロックを基に，図 6 に示すような伝達関数を有する理想 電圧差動信号を生成するために，DC 結合の伝送路を電流 PLL，すなわちCRU（Clock Recovery Unit）によって生成 トランスミッタ D D RT AVCC RT 電圧 リファレンス電圧 ＋Vswing 終端抵抗 特性インピ ーダンスZ0 図4 −Vswing TMDS 差動波形 電流源 レシーバ 図2 TMDS チャネル 電圧 TMDS Rx TMDSデータ “H”レベル Vswing AVcc TMDS Tx TMDSクロック 図3 TMDS シングル エンド波形 74 “L”レベル： AVcc − Vswing Design Wave Magazine 2008 April 図5 リファレンス・ イコライザ TMDSデータ TMDSクロック リファレンス・ イコライザ PLL TMDS Rx のブロック・ダイヤグラム サンプラ 内部クロック