기술특집 고속디스플레이인터페이스기술 장성천, 정덕균 ( 서울대학교전기 컴퓨터공학부 ) [ 표 ] 디스플레이포맷과요구되는데이터전송속도 Format HD Full HD-20 Full HD-3D UD Resolution 366 x 768p 920 x 080p 920 x 080p 3840 x 260p Refresh Rate (Hz) Color Depth (bit) 60 24 20 30 240 30 60 36 Data Rate* (Gbps).93 8.9 7.82 2.38 UD-20 3840 x 260p 20 36 42.76 UD-3D 3840 x 260p 240 36 85.52 * 블랭크주기 (blank period) 를포함 Ⅰ. 서론 최근 HD(High-Definition) 방송, 디지털시네마 (digital cinema) 등고밀도영상이대중화되고있으며 3D 영상또한증가하고있다. 동영상의화면끌림 (motion blur) 과잔상제거를위하여프레임주파수도 20Hz, 240Hz로계속증가하고있으며표현할수있는색상의깊이 (color depth) 도 30비트, 36비트로계속늘어나고있다. 이처럼늘어나는비디오데이터로인하여넓은대역폭을갖는디스플레이인터페이스에대한요구가증가하고있다 [ 표 ]. 디지털디스플레이인터페이스는셋톱박스, AV 전자제품, PC 등의비디오신호소스로부터비디오데이터를받아서직렬화한후전송회로를통하여전송케이블을구동하여디스플레이모듈로고속전송한뒤다시병렬화를통해비디오데이터를복원하여디스플레이컨트롤러로보내는역할을한다. 이러한외부전자기기사이의디지털디스플레이인터페이스방식중에대표적인것으로 HDMI(High-Definition Multimedia Interface) [] 와 DisplayPort [2] 가있다. HDMI는개인용컴퓨터와디스플레이의인터페이스표준규격인 DVI(Digital Visual Interface) 를 AV 전자제품용으로변경한것으로, 히타치, 파나소닉등의 AV 가전업체들이주축이되어 2002년공동개발하였다. 디지털방식의영상과음향신호를압축하지않고전송하기때문에디코더칩이나소프트웨어가필요없는장점이있다. 영상 음성 제어신호가하나의케이블로전송되기때문에가전기기들의배선을간결하게해주고불법복제방지를위한암호화기술을지원함으로써현재디스플레이인터페이스로광범위하게사용되고있다. DisplayPort는 2006년 VESA( Electronics Standards Association) 에의해채택되었고 HDMI와마찬가지로디지털방식의영상과음향신호를압축하지않고전송하며디지털컨텐츠보호기술을지원한다. 하지만 HDMI가외부전자기기사이의연결만가능한데반하여 Displayport 는디스플레이모듈내부에서의연결도지원하여내 / 외부연결방식을통합한단순한인터페이스를추구한다. 하나의표준으로내부와외부모두를지원할수있기때문에관련업계의효율성을높이고장기적인비용절감에도기여한다. 본고에서는 HDMI와 DisplayPort의특징과핵심기술들에대해서살펴보도록하겠다. Ⅱ. HDMI HDMI 송신기와수신기는 [ 그림 ] 과같이 DDC (Display Data Channel), CEC(Consumer Electronics ), 20 년제 2 권제 2 호 49
기술특집 HDMI Source Encryptor TMDS encoder Serializer/ Driver Data (3 Lanes) Clock DDC CEC HDMI Sink De-serializer/ CDR TMDS decoder EDID Decryptor Original code 0 0 0 0 0 0 0 0 [ 그림 2] TMDS 인코딩예 () [ 그림 ] HDMI 송신기와수신기의개념도세개의 TMDS(Transition Minimized Differential Signaling) 통신채널및클럭을가지고있다. DDC는싱크장치 (sink device) 의 EDID(Extended Display Identification Data) 로부터모니터의특성들을읽어서소스장치 (source device) 에알려주는역할을한다. EDID에는모니터제품유형, 화면크기, 휘도, 화소등의정보가기록되어있다. CEC 는연결된기기들이서로를제어할수있도록해준다. 이기능을이용하면연결된각각의기기를따로따로컨트롤하지않고하나의리모컨으로제어할수있다. 실제비디오와오디오데이터를전송하는 TMDS 채널은세개의데이터전송채널로이루어진다. 최대클록속도는 340MHz이고최대대역폭은 0.2Gbps이다. TMDS 인코더는 DC 성분을최소화하고데이터의트랜지션을최소화하는 8B/0B 인코딩을수행한다. 그리고디지털콘텐츠보호를위한 (High-bandwidth Digital Content Protection) 를지원한다.. TMDS 인코딩 [3] 0 또는 0 으로의데이터트랜지션은높은에너지의 EMI(Electro-Magnetic Interference) 를발생시켜서외부전자기기에영향을줄수있다. 이러한 EMI의발생을줄이기위해서데이터의트랜지션을최소화하는인코딩방식이 TMDS 인코딩이다. TMDS 인코더는 8비트데이터를받아서트랜지션수를줄이고 DC 성분을최소화한 0비트데이터를출력으로내보낸다. () 트랜지션최소화 [ 그림 2] 는 0 과 이계속해서반복되는데이터패턴으로가장많은데이터트랜지션이일어나는경우의예를보여준다. 이러한데이터패턴은계속해서트랜지션이일어나기때문에많은 EMI가발생한다. 이러한데이터패 턴은 TMDS 인코딩을해서트랜지션수를줄여줘야한다. 총 7번의데이터트랜지션이있는 8비트데이터가 TMDS 인코더를거치면 3번의데이터트랜지션이있는코드로인코딩되고 9번째비트에 을넣어서 TMDS 인코딩되었음을알려준다. 수신단에서는 9번째비트를보고디코딩여부를결정한다. (2) DC 성분최소화 [ 그림 3] 은 8비트모두 로트랜지션이한번도발생하지않는예를보여준다. 이러한데이터패턴은이미트랜지션이최소화되어있으므로인코딩을하지않아도된다. 따라서인코딩을하지않고 9번째비트에 0 을넣어서인코딩하지않았음을알려준다. 하지만계속해서 만전송되는경우에는 과 0 의평균이일치하지않아서 DC balance 수준이유지되지않는다. 0 과 이같은비율을가지도록하기위해서는부분적으로데이터를반전해야한다. [ 그림 3] 의예에서는데이터를 에서 0 으로반전시키고 0번째비트에반전이되었음을알수있도록 을넣는다. 수신단에서는 0번째비트를보고복원된데이터의반전여부를판단한다. Original code 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 [ 그림 3] TMDS 인코딩예 (2) (3) 차동신호외부노이즈의영향을줄이기위해서두개의전송선에서로반대되는값의데이터를전송하는방법이다. 수신단에서는두전송선의전압차이를이용해서데이터를 50 인포메이션디스플레이
고속디스플레이인터페이스기술 VA VB=VA Update Revocation List Authentication Request noise [ 그림 4] 차동신호전송 Device Private Key Set. Key Calculation Authentication State Machine 복원한다. [ 그림 4] 에서처럼노이즈가외부로부터들어왔을경우두전송선모두노이즈의영향으로전압값이바뀌게된다. 하지만두전송선모두같은방향으로같은크기만큼전압이바뀌기때문에두전송선의전압차이는일정하게유지된다. 따라서두전송선의전압차이로데이터를복원하는수신단은노이즈의영향없이데이터를복원할수있다. 전송선이두배로필요한단점이있지만노이즈영향에둔감하기때문에두개의전송선에각각데이터를보내는것보다높은전송속도를얻을수있다. 2. [4] 는영상재생기기로부터디스플레이장치로송신되는디지털신호를암호화해서콘텐츠가부정하게복사되는것을방지하는저작권보호기술중하나이다. 이전에는비디오인터페이스가아날로그신호였기때문에전송되는신호를빼내사본을만들어도화질이좋지않았다. 하지만디지털데이터전송방식으로바뀌면서전송되는영상데이터를빼내서완전한디지털사본을만드는것이가능해졌기때문에이경로를암호화해보호할필요가생겼고이러한요구에의해만들어진규격이 이다. [ 그림 5] 은 encryption 동작을보여준다. 송신기 Cipher Cipher code data Encrypted data [ 그림 5] encryption 동작와수신기는각각 device private key set을가지고있고서로연결이되면소스장치에서싱크장치로인증 (authentication) 을요청한다. 싱크장치가인증요청을받으면서로의 secret key를교환한다. 이를기반으로암호화를위한 initial key 값을계산하게되고 initial key 값을기반으로 cipher 블록에서매사이클마다 cipher 코드를생성한다. 이코드와비디오데이터스트림 (stream) 을 XOR 연산을수행하여암호화된비디오데이터를만들어낸다. Ⅲ. DisplayPort DisplayPort 송신기와수신기는 [ 그림 6] 과같이 HPD (Hot Plug Detect), auxiliary 채널, main link 로구성되어있다. HPD 신호는싱크장치에인터럽트를요청하거나 plug를감지하는데쓰인다. AUX 채널은최대 720Mbps 의속도를지원하며 link 및연결된장치의 configuration DisplayPort Source DisplayPort Sink Packing Framing Stuffing Encryption /Lane Skew Scrambler/ 8B0B Encoder Serializer/ Pre-emphasis Main Link (4 Lanes) De-serializer/ CDR De-scrambler/ 8B0B Decoder Decryption /Lane Deskew Unpacking Unframing Unstuffing Policy Maker Manchester Encoder /Decoder Driver/ Receiver AUX Channel Driver/ Receiver Manchester Encoder /Decoder Policy Maker HPD HPD HPD [ 그림 6] DisplayPort 송신기와수신기의개념도 20 년제 2 권제 2 호 5
기술특집 을위한데이터의전송에사용된다. Main link는 lane당.62/2.7/5.4gbps의전송속도를가지며최대 4개의 lane 을사용할수있어서최대 2.6Gbps의전송속도를지원한다. HDMI 가별도의클록채널을이용해서고속의클록신호를전송하는데반해 DisplayPort 는클록을따로전송하지않고데이터에임베드해서보내는방식을사용한다. 높은주파수의클록전송선이없기때문에낮은 EMI 수준을갖는장점이있다. HDMI 는트랜지션을최소화하기위하여 TMDS 인코딩을사용하는데반해서 DisplayPort 는데이터로부터클럭을복원해내기위해서높은트랜지션밀도가필요하기때문에높은트랜지션밀도를보장하는 ANSI 8B/0B 인코딩 [5] 을사용한다. ANSI 8B/0B 인코딩은높은트랜지션밀도를가짐과동시에 DC 성분을최소화해주기때문에 AC coupling을가능하게해주는장점도있다. 또한 HDMI는순차적인데이터스트림을전송하는데반해서 DisplayPort 는패킷아키텍쳐를사용하기때문에향후확장이용이하고오디오패스쓰루 (audio pass through) 와같은기능을쉽게추가할수있는장점이있다.. 스크램블러 (scrambler) 스크램블러는반복적인데이터패턴을없애기위해서사용된다. 예를들어 000 과같은데이터패턴이계속해서반복될경우큰 EMI 발생한다. 스크램블러를사용하면이러한반복적인데이터패턴이사라지고에너지를여러주파수에고르게퍼지게해서 peak energy를약 7dB 정도줄어들게한다. [ 그림 7] 은 [ 수식 ] 과같은다항식을가지는 LFSR(Linear Feedback Shift Register) [6] 을이용한스크램블러를보여준다. 0 2 Din 2. Pre-emphasis 3 Dout 4 5 6 [ 그림 7] LFSR 을이용한스크램블러 케이블의 skin effect, dielectric loss 등의영향으로주파수가높아질수록신호의 loss가커진다. 전송속도가높아짐에따라서이러한 loss의영향이더욱커지고 ISI(Inter Symbol Interference) 영향이심각해져서수신단에서데이터를복원하기힘들어진다. 이러한높은주파수에서발생하는 loss를보상해주기위해서송신기에서데이터를보낼때, 높은주파수성분을강조해서보내는방법이 pre-emphasis이다 [7]. 예를들면 0 또는 0 으로트랜지션이있는경우에는높은전압으로드라이브해주고 0 또는 이계속해서유지되는경우에는상대적으로낮은전압으로드라이브해서높은주파수에서발생하는 loss를보상해주는것이다. [ 그림 8] 은 DisplayPort에서사용되는 pre-emphasis 모델이다. 과거데이터값에적당한계수를곱한다음현재데이터에더해서출력으로내보낸다. 최대출력전압은고정되어있기때문에각계수들은 [ 수식 2] 를만족해야한다. D out 5 6 b 0 - b + b 2 = [ 수식 2] [ 그림 9] 는 post cursor2(b 2) 가있는경우와없는경우의예제파형이다. 0 또는 0 으로트랜지션이일 G(X) = X 6 + X 5 + X 4 + X 3 + [ 수식 ] 송신기는 LFSR에서만들어진 pseudorandom 비트와비디오데이터를 XOR 연산해서출력으로내보낸다. 수신단에서는송신단 LFSR과동기화된동일한 LFSR의출력을입력데이터에 XOR해서데이터를복원한다. b 0 D in b b 2 Z - Z - D out [n]=b 0 D in [n]+b d in [n-]+b 2 D in [n-2] [ 그림 8] Pre-emphasis 모델 52 인포메이션디스플레이
고속디스플레이인터페이스기술 w/o post cursor2 DisplayPort 에서는전송속도의 0.5% down spread 하고 modulation 주파수는 30 ~ 33kHz 를사용한다. w/ post cursor2 0 0 0 [ 그림 9] Pre-emphasis 출력파형의예 어나는경우에출력전압이최대가되는것을볼수있다. 채널의 loss 가심해서송신단에서해주는 pre-emphasis 만으로부족할경우에는수신단에서 CTLE(Continous- Time Linear Equalizer), DFE(Decision Feedback Equalizer) 등을이용해서추가적으로채널의 loss를보상해준다. 3. SSCG(Spread Spectrum Clock Generation) 클록신호는일정한주기로계속반복되므로큰에너지가좁은주파수대역에모여있고이러한큰에너지는주변가전제품에간섭을일으켜서오작동을일으키는원인이될수있다. SSCG는이러한전자파간섭을줄이기위해서의도적으로클록신호의주파수를변화시키는것이다 [8]. [ 그림 0] 은변조되지않은클록신호와변조된클록신호의주파수스펙트럼을보여준다. 변조되지않은클록신호의스펙트럼은클록주파수를중심으로좁은주파수대역에서큰에너지를갖는것을볼수있다. 하지만 SSCG를사용하여클록신호를변조할경우, 중심주파수의에너지를더넓은대역에걸쳐분산을시키게되고따라서발생되는최대전자파의크기가감소하게된다. Ⅳ. 결론 지금까지외부전자기기와디스플레이모듈사이의디스플레이인터페이스에서사용되는 HDMI와 DisplayPort 의특징과기술들에대해서살펴보았다. [ 표 2] 는두인터페이스의특징을간단하게정리한것이다. HDMI는 AV 가전기기분야에서, 그리고 DisplayPort 는노트북, PC 쪽에서시장을넓혀가고있으며앞으로시장에서두인터페이스간의경쟁이어떻게흘러갈지귀추가주목된다. [ 표 2] HDMI 와 DisplayPort 특징비교 No. of pairs Clock Bit Rate/Lane Total Throughput Support Channel Coding Protocol Content Protection ling Authority HDMI.4 clock + 3 data Separate ~3.4Gbps ~0.2Gbps Yes TMDS Stream HDMI LLC DisplayPort.2 /2/4 data Embedded.6/2.7/5.4Gbps ~2.6Gbps Yes ANSI 8B/0B Packet VESA 참고문헌 Power Frequency [ 그림 0] SSC 신호의스펙트럼 [] High-Definition Multimedia Interface Specification Version.4, HDMI, May., 2009. [2] DisplayPort Standard Version.2, VESA, Jan., 200. [3] Digital Visual Interface & TMDS Extensions, Silicon Image, Oct., 2004. [4] High-bandwidth Digital Content Protection System Revision.3, Digital Content Protection LLC, Dec., 2006. 20 년제 2 권제 2 호 53
기술특집 [ 5 ] Al X. Widmer and Peter A. Franaszek, IBM Journal of Research and Development, 27, 440 (983). [ 6 ] Horowitz and Hill, The Art of Electronics, 2nd Edition, 665-667 (989). [7] J. Liu, X. Lin, IEEE Circuits and Systems Magazine, 4, 4-7 (2004). [8] Notes on SSC and Its Timing Impacts Revision.0, Intel corporation, Feb., 998. 저자약력 장성천 2008 년 : 서울대학교전기 컴퓨터공학부학사 200 년 : 서울대학교전기 컴퓨터공학부석사 200 년 ~ 현재 : 서울대학교전기 컴퓨터공학부박사과정 관심분야 : 고속직렬전송회로, All-Digital Phase-Locked Loop 정덕균 98 년 : 서울대학교전자공학과학사 984 년 : 서울대학교전자공학과석사 989 년 : UC Berkeley EECS 박사 989 년 -99 년 : Texas Instruments, Dallas, TX 연구원 99 년 ~ 현재 : 서울대학교전기공학부교수 관심분야 : 고속직렬전송회로, 전력변환회로, Clock and Data Recovery 54 인포메이션디스플레이