개요: 이 애플리케이션 노트는 두 부분으로 구성된 글의 Part I에 해당된다. Part I에서는 현재의 TV 및 PC 디스플레이 케이블 인터페이스를 살펴보고 RGBHV, HDMI™ 및 VGA의 특성에 대해 설명한다. Part II (애플리케이션 노트 4313)에서는 DVI™에 대한 상세 배경과 적합한 디지털 디스플레이 케이블 드라이버로 MAX9406을 사용하는 방법을 설명한다.
머리말
TV 및 PC 디스플레이는 모두 디지털 케이블 인터페이스가 내장된 평면 스크린으로 전환되고 있다. 평면 스크린 TV는 고화질 멀티미디어 인터페이스 (HDMI) 케이블을 사용하여 PC나 고화질 TV (HDTV) 셋톱 박스에 연결할 수 있다. PC는 VGA 또는 디지털 비디오 인터페이스 (DVI) 케이블을 통해 외부 모니터에 연결할 수 있다. DVI는 VGA 인터페이스를 디지털로 구현한 것이라고 할 수 있다. HDMI의 비디오 부분은 DVI와 동일하다.
RGBHV 형식은 고화질 디스플레이를 위한 향상된 아날로그 비디오 디스플레이 인터페이스이다. RGBHV 비디오 신호는 5개의 개별적인 케이블 쌍, 즉 R, G, B, H, V를 통해 전달된다. 이들 케이블은 각각 BNC 또는 RCA 잭에 의해 종단된다. 케이블 R, G, B는 각각 적색, 녹색 및 청색 신호를 전달한다. 케이블 H는 수평 동기 펄스를, V는 수직 동기 펄스를 전달한다.
이들 RGBHV 케이블의 한쪽 단은 또한 VGA 플러그에 의해 종단된다. 그림 1은 RGBHV 비디오 케이블의 일반적인 컬러 코드를 보여준다. R은 적색, G는 녹색, B는 청색, H는 회색, V는 검정색으로 표시된다. 모든 종단 임피던스는 75Ω이다.
그림 1. 컴포넌트 비디오 케이블의 컬러 코드
RGBHV는 최신 아날로그 비디오 신호 형식으로 화질 저하가 거의 또는 전혀 없이 HDTV 프로그램을 전달할 수 있다. 그림 2는 RGBHV와 다른 아날로그 비디오 신호 형식 간의 관계를 보여준다.
그림 2. 서로 다른 아날로그 비디오 신호 형식 간의 관계
그림 2의 화살표는 이러한 기술의 발전 방향을 보여준다. 실제로 모든 종류의 아날로그 비디오 신호는 기본적인 적색, 녹색, 청색, 수평 및 수직 동기 성분을 사용하여 생성된다. Y/C 분리기 기능 블록은 루미넌스와 크로미넌스를 컴포지트 신호로부터 완전히 분리하기 위한 개념이다. 조합은 간단하지만 실제로 완전한 분리는 달성하기 어렵다. 컬러 버스트로부터 반송파 복구는 가능하며 크로미넌스의 I 및 Q 성분은 복조 과정을 통해 복구할 수 있다. 그러나 I 및 Q는 재조합이 일어나기 전의 Pr 및 Pb와 같지 않다. 또한 컴포지트 신호의 동기 펄스는 단순히 수평 및 수직 성분을 추가하는 것이 아니라 프리 (pre) 및 포스트 (post) 이퀄라이제이션 펄스를 수직 동기 펄스의 앞뒤에 추가함으로써 수평 동기 복구를 위한 위상 동기 루프(PLL)의 연속적인 동작을 가능하게 한다.
HDTV의 등장으로 비디오 정보는 무선 주파수 (RF) 반송파로부터 복조된 후 디지털 영역에서 처리된다. 그러나 평면 스크린 디스플레이는 본질적으로 디지털 기술이다. 디지털 비디오 신호 케이블을 사용하면 HDTV 측에서 수행되는 디지털-아날로그 변환(DAC)과 평면 스크린 디스플레이 측에서 수행되는 아날로그-디지털 변환(ADC)의 추가적인 단계를 없앨 수 있으며, 변환 과정에서 발생할 수 있는 성능 저하도 방지할 수 있다.
HDMI
HDMI는 4개의 저전압 차동 신호 (LVDS) 쌍으로 구성된다. 적색, 녹색 및 청색 신호는 각각 채널 2 ~ 0(LVDS 쌍)에 의해 전달된다. 전용 클록 (채널 0 ~ 2에서 데이터 비트에 동기) LVDS 쌍이 HDTV와 평면 스크린 간의 신뢰할 수 있는 전송을 제공하는 데 사용된다. 각각의 컬러 픽셀에 대한 진폭은 ADC 함수를 사용하여 8비트 해상도로 디지털화된다. 컬러 정보는 대역폭 최소화와 DC 평형을 위해 이른바 TMDS®(transition minimized differential signalling)라고 하는 인코더에 의해 10비트 해상도로 확장된다. 인코딩된 컬러 비트는 직렬화되어 LVDS 드라이버 회로에 전송된다. 그림 3을 참조한다.
그림 3. RGBHV-to-HDMI 변환
각 LVDS 채널에 대한 데이터 전송률은 높다. 리프레시 레이트가 60Hz인 1920 × 1080의 HDTV 스크린 해상도에서 픽셀 레이트는 124.416MHz이다. 각각의 픽셀 레이트는 130MHz 또는 143MHz이며 동기 및 블랭킹 오버헤드는 5% 또는 15%이다. 픽셀 컬러당 10비트에서 각 LVDS 채널의 데이터 전송률은 원하는 오버헤드의 크기에 따라 1.3Gbps ~ 1.43Gbps 범위이다. 평면 스크린 디스플레이에서는 전자 빔의 스윙 백을 차단할 필요가 없으므로, 동기 타이밍이 적절히 복구되는 한 일반적으로 오버헤드는 작다.
아날로그 비디오 신호의 타이밍 시퀀스는 디지털 비디오 신호 형식에서 정확히 수행된다. HDMI 형식에서 픽셀은 왼쪽에서 오른쪽으로 전송되며 모든 라인 사이에 수평 동기 코드가 삽입된다. 라인은 위에서 아래로 전송되며 모든 스크린 사이에 수직 동기 코드가 삽입된다. 모든 라인 사이와 모든 스크린 사이에서 아날로그 비디오 신호의 블랭킹 시간 동안 수평 및 수직 동기 펄스가 채널 0에서 인코딩된다. 4개의 10비트 코드 워드 1101010100, 0010101011, 0101010100, 1010101011은 각각 (H = 0, V = 0), (H = 1, V = 0), (H = 0, V = 1), (H = 1, V = 1)을 나타낸다. 이들 코드를 사용하여 픽셀 클록의 정확도로 수평 및 수직 동기 펄스를 시간 영역에 나타낼 수 있다.
동기 펄스에서 가장 중요한 것은 시작 포인트로, 아날로그 형식에서 정의하듯이 전체 구간에서 이러한 펄스를 코딩할 필요가 없다. HDMI 형식에서 동기 펄스의 시작이 정의된 후 블랭킹 시간 부분은 오디오 신호 전송에 전용으로 사용된다. 아날로그 형식에서 블랭킹 시간에 해당하는 구간은 동기화를 위한 제어 구간(control period)과 오디오 정보 비트를 전송하는 데이터 섬 (data island) 구간으로 나누어진다.
그림 4는 아날로그 비디오 형식에서 정의하듯이 동기 타이밍과 수평 블랭킹 구간 내의 오디오 패킷 비트를 보여준다. 비디오 정보 비트에 이어 바로 다음에 수평 동기 비트가 채널 0에서 전달된다. 이러한 동기 정보만 있는 구간은 일반적인 138픽셀의 블랭킹 구간에서 62픽셀 클록 구간 동안 지속된다. 이후 64픽셀이 오디오 패킷을 전송하는 데 전용으로 사용된다. 다음으로 오디오 패킷의 헤더는 동기 정보와 함께 채널 0에서 전달되며 오디오 패킷 비트는 채널 1과 2에서 전달된다. 각 채널의 데이터 섬 구간 동안 4개 정보 비트의 모든 그룹은 TMDS 에러 감소 코딩(TERC4)을 사용하여 10비트로 코딩된다. 동일한 시간 구간 동안 2개 오디오 헤더 비트와 2개 수평 동기 비트가 채널 0을 위한 TERC4 인코더에 대한 입력으로 결합된다. 블랭킹 구간은 소수의 수평 동기 픽셀(12)로 끝난다.
그림 4. HDMI 비디오 데이터, 제어 및 데이터 섬 구간
HDTV 신호에서 60Hz의 스크린 리프레시 레이트, 스크린당 1080라인, 라인당 64픽셀, 픽셀당 8비트를 가질 때 최대 오디오 정보 비트 레이트는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있다.
RAudio = 60 × 1080 × 64 × 8 = 33.1776Mbps
이 데이터 전송률은 멀티채널 고품질 오디오 신호를 전송할 수 있을 만큼 충분히 높다.
또한 HDMI에서 모든 픽셀의 정보는 컬러당 8비트 이상으로 표시할 수 있다. 이와 같이 높은 컬러 해상도 형식에서는 픽셀 컬러당 비트 수가 하나 이상의 8비트 8B10B 인코딩 유닛으로 확산된다. 예를 들어 컬러당 10비트를 갖는 경우 4개 픽셀의 데이터 비트가 5개의 8B10B 인코딩 유닛으로 확산되므로 클록 레이트가 20% 증가한다. 마찬가지로 컬러당 12비트는 2개 픽셀을 3개의 8B10B 인코딩 유닛으로 확산함으로써 클록 레이트가 50% 증가한다. 평판 디스플레이의 높은 컬러 해상도 성능은 확장된 디스플레이 식별 데이터(EDID)의 컨텐츠에 의해 표시된다.
그림 5와 표 1은 HDMI type A 플러그에 대한 핀 할당을 보여준다. SCL 및 SDA가 I²C 프로토콜을 통해 HDTV 세트에 대한 평판 디스플레이 정보를 얻는 데 사용된다. 평면 스크린 디스플레이 정보(EDID)는 모두 0×A0의 I²C 소자 어드레스를 사용하여 보통 128바이트의 EEPROM에 저장된다. 핫 플러그 검출 핀이 HDTV 세트에서 평면 스크린 디스플레이의 존재를 감지하는 데 유용하게 사용된다. 전원이 켜진 평판 디스플레이는 핫 플러그 핀을 2.4V ~ 5.3V 사이에서 설정한다. CEC는 가전 장치 제어를 나타내며 모든 상호연결된 전자 장치에 사용자 제어를 전달하는 데 사용된다.
그림 5. HDMI type A 플러그 핀 번호
표 1. HDMI Type A 플러그 핀 할당
Pin Number
Assignment
1
Data2+
2
Data2 shield
3
Data2-
4
Data1+
5
Data1 shield
6
Data1-
7
Data0+
8
Data0 shield
9
Data0-
10
Clock+
11
Clock shield
12
Clock-
13
CEC
14
Not connected
15
SCL
16
SDA
17
Ground
18
+5V
19
Hot-plug detect
HDMI 신호는 DVI 신호와 직접 호환된다. (DVI에 대한 자세한 내용은 Part 2를 참조한다.) 그림 6은 HDMI-DVI 변환 케이블을 보여준다. DVI 출력이 있는 PC는 이러한 변환 케이블을 사용하여 HDMI 입력이 있는 평판 디스플레이에 연결할 수 있다.
그림 6. A HDMI-to-DVI 변환 케이블
VGA
그림 7은 VGA 플러그인 카드의 기능 블록 다이어그램을 보여준다. 픽셀 쓰기 작업(움직이는 그래픽 등)으로 인한 CPU에 집중되는 부담을 덜어주기 위해 전용 그래픽 처리 장치(GPU)가 사용된다. CPU가 부분 또는 풀 스크린에 대한 특정 디스플레이의 속성을 전송하면 GPU가 비디오 RAM을 적절한 픽셀 컨텐츠로 채운다. 디스플레이 타이밍 생성 기능은 GPU의 일부가 될 수 있다. 모니터의 자동 검출 기능을 구현하기 위해 디스플레이 데이터 채널(DDC)이라고 부르는 I²C 채널이 모든 VGA 플러그에 제공된다. 모니터의 EDID 정보(0×A0 어드레스를 갖는 128바이트)는 보통 EEPROM에 저장된다.
그림 7. VGA 플러그 인 카드의 기능
VGA 케이블은 15핀 플러그로 종단된다. 그림 8과 표 2는 VGA 신호의 핀 할당을 보여준다. 적색, 녹색, 청색, 수평 및 수직 동기 핀의 신호 레벨은 0.7VP-P이다. 이들 비디오 신호 핀의 종단 임피던스는 75Ω이다. 동일한 15핀 VGA 플러그가 높은 스크린 픽셀 해상도를 갖는 SVGA(800 × 600), XGA(1024 × 768), SXGA(1280 × 1024), UXGA(1600 × 1200), WXGA(1366 × 768), WSXGA(1680 × 1050), WUXGA(1920 × 1200) 신호 형식과 같은 향상된 버전에 사용되었다.
그림 8. VGA 플러그 핀아웃
표 2. VGA 플러그 핀 할당
Pin Number
Assignment
1
Red
2
Green
3
Blue
4
5
Ground
6
Ground (red)
7
Ground (green)
8
Ground (blue)
9
+5V
10
Ground (shield)
11
12
SDA
13
H
14
V
15
SCL
요약
뒤돌아보면 TV 디스플레이 신호는 컴포지트, S-비디오, 컴포넌트, RGBHV로부터 최종적으로 고화질 RGBHV 신호의 디지털 버전인 HDMI로 발전한 것을 볼 수 있다. TV 디스플레이 신호는 매 단계마다 해상도가 높아지면서 아날로그에서 디지털로 발전하였다. 여전히 많이 사용되고 있는 PC VGA 모니터 디스플레이 신호는 아날로그 형식이다. VGA는 초기 CGA (color graphics adaptor) 및 EGA (enhanced graphics adaptor) 형식으로부터 발전했으며 이 두 가지는 대역폭 효율적인 비트 인코딩 구조는 없지만 실제로 디지털 형식이다. DAC를 사용하지 않을 경우 VGA의 해상도는 케이블 플러그상에 너무 많은 핀을 요구하게 될 것이다. VGA의 디지털 버전은 DAC를 대역폭 효율적인 비트 인코더로 대체한 DVI로 이에 대해서는 Part II에서 설명하기로 한다.
DVI는 Digital Display Working Group (DDWG)의 상표이다.
HDMI는 HDMI Licensing, LLC의 상표이다.
TMDS는 Silicon Image, Inc.의 등록상표이다.
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