CN102804765A - 利用pam技术的hdmi tmds光信号传输 - Google Patents

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Abstract

提出了一种HDMI互连装置，它对TMDS音频/视频信号实施脉冲幅度调制(PAM)转换以便在单一光纤上同步传输所有的三个通道。该组三个音频/视频TMDS通道被用作PAM-8光调制器的输入，所述PAM-8光调制器起到将该组三个通道编码到光调制的输出信号的作用。经调制的光信号此后被耦合到有源HDMI线缆内的光纤，并被传输到HDMI接收器(汇聚节点)。TMDS CLK信号没有包括在这个到光域的转换中，而是保留作为分开的电信号沿着有源HDMI线缆内的铜线传输。

Description

利用PAM技术的HDMI TMDS光信号传输
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年6月13提交的第61/186,821号美国临时申请的权益，该美国临时申请通过引用被合并在本文中。
技术领域
本申请涉及HDMI互连装置，尤其涉及用于TMDS信号的基于光纤的HDMI互连，它对TMDS数据通道信号实施PAM-8转换以便在单一光纤上同步传输所有的三个通道。
发明的背景
HDMI是一种将音频和视频信息整合到单一的数字接口以用于例如数字视频光盘(DVD)播放机、数字电视(DTV)、高清电视(HDTV)、机顶盒、以及其它音频和/或视频设备的规范。HDMI接口线缆被配置成承载多通道音频数据、以及标准的和高清消费电子视频格式。内容保护技术也是可利用的，HDMI线缆可以被配置成承载双向的控制和状态信息。
最小化传输差分信号(TMDS)是一种应用在HDMI中以从音频和视频输入产生过渡受控的、直流平衡的符号系列的信号技术。TMDS是一种更适当的编码音频和视频数字信息以避免它沿着HDMI线缆的长度传播时降低品质、产生与三原色(RGB)/亮度像差(YPbPr)(定义为TMDS通道0、1、2)以及视频像素时钟(定义为TMDS CLK)相关的数据通道的方法。在一长串的逻辑0和逻辑1中，在TMDS中有选择地操作比特位以便保持总体信号的直流电压电平围绕在特定的信号阈值周围。然后在接收器上利用另一信号阈值来确定所接收的数据位是处在等于逻辑0的电压电平上还是处在等于逻辑1的电压电平上。
图1说明传统的现有技术的HDMI系统实现，显示了HDMI源1和HDMI汇聚节点2经由HDMI线缆4耦合在一起。在HDMI源1中，联合的视频和音频输入信号被应用到HDMI发射器3，它将这些信号变换成一组沿着TMDS通道0、1、2传播的三个信号和分开的TMDS CLK信号。TMDS CLK信号将被HDMI汇聚节点2用作对三个音频/视频通道上的数据进行恢复的频率参考。在图1显示的特定装置中，这组四个信号作为单工(即“单向”传输)信号沿着标准HDMI线缆4内的铜线被传输和被传输到HDMI汇聚节点2。HDMI线缆4中的其它铜线被用于支持在HDMI信号(DDC、CEC、VDD、GND等等)中使用的各种其它信号的半双工传输(即在不同时间对每个方向的“双向”传输)。支持TMDS信号的单工传输线此后被耦合(如图1中所示)到HDMI接收器5中，所述HDMI接收器5起到将TMDS信号在转换成适当的视频和音频信号(以及恢复的时钟信号)的作用。
在许多利用HDMI的传统的发送/接收系统中，线缆4包括纯粹的电缆(通常由铜线组成)。但是，主要地由于铜线的有限带宽，易受到电磁干扰，而存在与线缆应用相关联的严重缺陷。此外，沿着铜线传输的信号也易于遭受功率损失，因此将基于铜的电HDMI线缆的长度限制到小于大约15米。
先前已经建议过采用基于光纤的HDMI线缆取代基于铜的HDMI线缆。由于使用光缆，在避免铜线的问题时，数据速率和线缆跨度都显著地增加。这些基于光纤的替换物的具体装置公开在2007年10月4日公布的美国公布申请第2007/0233906号中。然而，迄今为止，这些方案在支持多TMDS通道传输方面具有它们固有的局限性。一种方案是每个通道使用单独的光纤，另一方案是每个通道利用单独的波长。这些方案的任何一个都引入另外的部件和/或损失源到系统中，从而增加其复杂性和成本。另一建议的方案是在单一光纤上传输之前“串行化”该组TMDS通道，然后在接收器单元对数据“并行化”(参考在本领域中称作SERDES的技术)。但是，所建议的SERDES方案，产生了在要求HDMI连接运行在三倍于单个通道的数据速率(例如，相比于3.4Gbps的10.2Gbps)方面的其它问题，结果要求使用昂贵的高带宽部件，它们可能比其较低速度的对应部件消耗更多的功率。
因此，存在对处理涉及多光纤/多波长装置而不要求使用与SERDES操作相关联的更复杂的部件的基于光纤的HDMI线缆的需要。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的需求，本发明涉及HDMI互连装置，尤其涉及用于TMDS信号的基于光纤的HDMI互连装置，它对TMDS音频/视频信号实施脉冲幅度调制(PAM)转换以便在单一光纤上同步传输所有的三个通道。
根据本发明，一组三个音频/视频TMDS通道被用作PAM-8光调制器的输入，所述PAM-8光调制器起到将该组三个通道编码到光调制的输出信号的作用。所调制的光信号此后被耦合到有源HDMI线缆中的光纤中(此处“有源”HDMI线缆被定义为包括光纤和铜线以及必要的光-到-电(O/E)转换部件的线缆)，和被传输到HDMI接收器(汇聚节点)。TMDS CLK信号没有包括在这个到光域的转换中，而是保持分开的电信号沿着该有源HDMI线缆中的铜信号路径传输。沿着光纤传播的PAM-8信号然后在HDMI汇聚节点被恢复和解码(利用单独传输的TMDS CLK信号)以重建该组三个TMDS通道。公知的HDMI接收器技术然后被用于将这些通道转换成期望的视频和音频信息。
根据本发明的利用PAM-8调制来传输TMDS通道，消除了对额外的光纤或额外的波长(如在现有技术中使用的)的需求，同时也保持了TMDS数据的初始数据速率，并因此避免了对高速电子器件(如在基于SERDES的现有技术装置中使用的)的需要。有利地，根据本发明形成的有源HDMI线缆可以被用作传统的电HDMI线缆的直接替换(或作为上面描述的各种类型的有源HDMI的替换)。
在一个实施方式中，本发明的有源HDMI线缆连接件利用多模光纤，它相对便宜同时仍然提供足够的带宽以扩展HDMI信号可以在该线缆上传播的距离(当与常规的铜HDMI线缆相比时)。在一个可替换的实施方式中，当传输信号的距离超过100米时，可使用单模光纤并被认为是优选的(与HDMI铜线缆的15米限制相比)。光纤本身可以包括适当的玻璃或塑料材料。
根据本发明的一个实施方式，Mach-Zehnder干涉仪(MZI)被用作光调制器以直接地产生光域中的PAM信号。在这种情形中，首先相位对准初始的TMDS数据通道以形成时钟控制的数据流，时钟控制的数据然后被用作到光调制器的电输入信号。当然，可以进一步编码时钟控制的数据以产生N级输入信号(N＞3)以及使用多段调制器以改善在相位调制范围的响应的线性度。
可替换地，可以采用相位对准的数据信号对垂直腔面发射激光器(VCSEL)进行直接调制以产生PAM-8光输出信号。
根据本发明的另一实施方式，可以在电域中执行TMDS-到-PAM的转换，其后将PAM-8电信号转换成光信号。
在下面讨论的过程中和通过参考附图，本发明的其它和进一步的实施方式和优势将变得明显。
附图简要说明
现在参考附图，
图1是HDMI源和汇聚节点的现有技术实现的方框图，其使用传统的HDMI线缆连接该源和汇聚节点，该图特别示出了利用TMDS编码以传输视频和音频信号；
图2图示根据本发明用于沿着有源HDMI线缆传输HDMI TMDS信号的示例性PAM-编码的基于光纤的装置；以及
图3图示配置成将3通道TMDS信号转换成用于经由图2的装置中的单一光纤上传输的光PAM-8信号的示例性光调制器；
图4示出通过将初始的三个TMDS信号编码成用作PAM光调制器的输入的N个相位对准的比特流，可被用于增强输出响应的线性度的附加特性；以及
图5图示本发明的有源HDMI线缆的可替换配置，其中三个TMDS数据通道首先被转换成电PAM-8信号，然后先于从HDMI源传输到HDMI汇聚节点，将该电PAM信号变换到光域中。
详细说明
如上所述，无论是纯电缆或光纤和铜线的组合(即“有源”HDMI线缆)，都存在限制HDMI线缆的性能的各种因素。本发明的基于光纤的连接通过提供在单一光纤上同步传输所有三个通道的TMDS数据信号而不使用多个波长或SERDES部件，改为通过对TMDS数据通道执行脉冲幅度调制(PAM)转换和在光纤上传输PAM信号的能力，解决这些忧虑。
参考图2，其图示建议用于替换现有技术的HDMI线缆4的有源HDMI线缆连接件10。发明的HDMI线缆连接件10可被用于在各种系统中使用的现有的HDMI线缆(电缆或有源线缆)的直接替换，在下面讨论过程中将变得明显。参考图2，有源HDMI线缆连接件10被示出为包括将TMDS数据的通道0、1和2(这三个通道在图1中显示在虚线框中)作为PAM-8光信号传输的光纤12。特别地，由HDMI发射器3(见图1)产生的TMDS通道0、1和2首先被用作相位对准元件14(其可包括例如D型触发器电路装置)的输入。相位对准元件14的运行由TMDS CLK控制以产生一组对准的数据信号，显示为在相位对准元件14的输出端的位0、位1和位2。
表示成位0、位1和位2的相位对准的流，然后被用作光脉冲幅度调制器16的分开的电输入。运行在已知波长λ上的连续波(CW)光源18被用于供给调制器16光输入信号I。如将在下面进行描述的，调制器16起到产生表示初始的三个电输入信号(即表示TMDS的通道0、1和2)的值的脉冲幅度调制(PAM)的光输出信号的作用。在这种情形中，利用PAM-8配置，意味着要求总共8个不同的幅度水平来完全地定义三个数字输入流的所有各种可能性。
从调制器16输出的PAM-8光信号此后被用作光纤12的输入，其中光纤12被定义为有源HDMI线缆连接件10的一个部件。剩下的信号，包括TMDS CLK、接地、电源等等，以电的形式经由也包括在有源HDMI线缆连接件10中的铜线20上进行传输。包括连接10的铜和光纤的有源HDMI线缆的使用，允许在线缆的发送侧和接收侧的相位对准、编码和解码变得简单，而不牺牲信号传播的距离、信号的完整性、或要求额外的/复杂的电路以执行信号处理/滤波来消除定时抖动。实际上，通过在光纤上仅传输TMDS通道0、1和2的这个技术，与上面提到的SERDES实现所要求的10.2Gbps速率形成对比，电子器件维持工作在3.4Gbps的速率上。
在接收侧，沿着光纤12传播的PAM-8信号首先在光-电(O/E)转换设备22中被再次转换到电域，然后被用作3位A/D转换器24的电输入，在接收的(电)TMDS CLK信号的控制下，恢复数字的数据信号位0、位1和位2。因此，时钟控制的数据位被用作TMDS输出驱动器26的分开的输入以恢复初始的三个TMDS数据通道。
图3图示示例性PAM-8光调制器16，它可以被用于将表示TMDS数据通道的相位对准的位0、位1和位2转换成相位幅度调制的光输出信号。在这个具体实施方式中，调制器16包括多段的Mach-Zehender干涉仪(MZI)30。如所示，来自光源18的光输入信号I被提供到入射光波导32，其然后沿着一对波导臂34和36将所述光信号分离。在这种情形中，显示了具有沿着波导臂34和36形成的多个段的差分MZI。即，第一组的段38-1、38-2和38-3沿着波导臂34形成，第二组的段40-1、40-2和40-3沿着波导臂36形成。
定义为位0、位1和位2的相位对准的数据流被示出为分别用作段38-0、38-1和38-2的电输入，其相反值类似地用作段40-0、40-1和40-2的输入。这些电信号的存在，将改变沿着臂34和36传播的光信号的属性，在沿着每个臂传播的信号之间引入固定的相位延时量，所述相位延时量作为在每个时间点上的各个位的逻辑“0”或逻辑“1”的值的函数。这些光信号此后沿着输出的光波导42重新合并以形成PAM-8光输出信号O。关于使用MZI产生这种PAM光输出信号的完整讨论，可以在美国专利第7,483,597号上找到，该专利于2009年1月27日公布给K.Shastri等人，转让给本发明的受让人，该专利通过引用合并到本文中。
也可能进一步对相位对准的一组三个比特流进行编码以产生N个独立的数据比特流，并将该N个独立的比特流用作PAM调制器的输入。通过增加电输入的数量(也可能增加形成MZI调制器的段数)，通过改善相位响应的传输函数的线性度，PAM输出信号将被限定在增加的精确水平上。图4图示本发明的这个方面，其中相位对准的信号位0、位1和位2首先被用作编码器42的输入，该编码器42被用于在信号之间引入额外的差分电平并产生增加数量的输出(仍然是相位对准的)数据流。在这个简单装置中，编码器42可以从三个输入信号产生一组四个输出信号，关联的MZI可以被形成以包括接收附加输入的附加段。
尽管图3的装置图示了利用MZI光调制器的本发明的实施方式，需要理解的是，其它类型的光装置也可被用于产生PAM-8输出信号。例如，如上所述，直接调制的VCSEL源可被用于产生期望的PAM-8光输出信号。
如上所述，也可能首先直接从相位对准的位0、位1和位2信号产生电域中的PAM-8信号。图5说明本发明的这个方面，其中数字-到-模拟转换器(DAC)50被用于从并行的比特流产生PAM-8输出信号。这个电PAM-8信号然后被用作电-到-光(E/O)转换元件52的输入，所述E/O转换元件可以简单地包括激光设备。从E/O设备52输出的信号因此是PAM-8信号的光形式，它此后以如上所述的相同方式被耦合到光纤12中。
当相比于要求采用SERDES的实现时，在本发明的各种实施方式中使用的PAM-8的速率要低很多，使得采用廉价的多模光纤而不牺牲系统的性能成为可能。实际上，本发明的有源HDMI线缆可以被用作已经在使用中的任何传统的HDMI线缆的插入式替换。利用多模光纤还有给光对准提供较大的容差，使得低成本、大量制造成为可能的额外的益处。本发明提出的装置还有将HDMI TMDS信号能够传播的范围扩展到超过100米(这取决于光纤类型和各种其它工作参数)的进一步的优势。实际上，当使用单模光纤代替多模光纤时，可以轻易实现更大的距离。光纤本身，在大多数情形中，将包括玻璃(基于硅砂)材料。然而，在用于该目的的光纤结构中利用某些聚合体(塑料)材料也是可能的。
尽管本发明已经参考它的不同实施方式进行了描述，本领域的技术人员将理解可以进行各种改变而不偏离所要求的发明的精神和范围。因此，本发明不限于附图所示和说明书中描述的内容，而是仅由附在本文的权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种用于传输与音频和视频信息(TMDS0、TMDS1、TMDS2)相关联的多个传输改进数据信号(TMDS)、TMDS时钟信号以及相关的控制和功率信号的有源高清多媒体接口(HDMI)线缆连接件，所述有源HDMI线缆连接件包括：
相位对准元件，其响应于所述多个TMDS信息信号和所述TMDS时钟信号以产生多个相位对准的信息信号；
光调制器，其响应于由所述相位对准元件产生的所述多个相位对准的信息信号，以产生表示所述多个TMDS信息信号的相位幅度调制(PAM)的光信息信号；
单一光纤，所述光纤的第一端被耦合到所述光调制器的输出端，以支持所述PAM光信息信号沿着所述光纤传播；
多个电信号导体，其用于传输所述TMDS时钟信号和多个HMDI电控制信号；
光-到-电(O/E)转换元件，其耦合到所述单一光纤的第二、相对端，用于接收所传播的PAM光信息信号，并将所接收的PAM光信息信号转换成电表示形式；
模拟-到-数字转换(ADC)元件，其响应于所述PAM光信号的所述电表示形式和所接收的TMDS时钟信号以从中恢复所述相位对准的信息信号；以及
多个TMDS驱动器元件，其响应于所述相位对准的信息信号以产生所述TMDS信息信号。
2.如权利要求1所限定的有源HDMI线缆连接件，其中所述单一光纤包括多模光纤。
3.如权利要求1所限定的有源HDMI线缆连接件，其中所述单一光纤包括单模光纤。
4.如权利要求1所限定的有源HDMI线缆连接件，其中所述光调制器包括Mach-Zehnder干涉仪(MZI)，并且还响应于连续波(CW)光信号，其中所述多个相位对准的信息信号被用作所述MZI的电输入，并调制所述CW光信号以产生所述PAM光信息信号。
5.如权利要求1所限定的有源HDMI线缆连接件，其中所述光调制器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)，所述垂直腔面发射激光器响应于所述多个相位对准的信息信号以产生所述PAM光信息信号。
6.如权利要求1所限定的有源HDMI线缆连接件，其中所述光调制器包括：
数字-到-模拟转换器(DAC)，其响应于所述多个TMDS信息信号和所述TMDS时钟信号以产生电PAM信息信号；以及
电-到-光(E/O)转换元件，其响应于所述电PAM信息信号，用于将所述电PAM信息信号转换成所述PAM光信息信号。
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