利用pam技術的hdmitmds光信號傳輸的製作方法

2023-08-06 05:12:21 2

專利名稱：利用pam技術的hdmi tmds光信號傳輸的製作方法
技術領域：
本申請涉及HDMI互連裝置，尤其涉及用於TMDS信號的基於光纖的HDMI互連，它對TMDS數據通道信號實施PAM-8轉換以便在單一光纖上同步傳輸所有的三個通道。發明的背景HDMI是一種將音頻和視頻信息整合到單一的數字接口以用於例如數字視頻光碟(DVD)播放機、數位電視(DTV)、高畫質電視(HDTV)、機頂盒、以及其它音頻和/或視頻設備的規範。HDMI接口線纜被配置成承載多通道音頻數據、以及標準的和高清消費電子視頻格式。內容保護技術也是可利用的，HDMI線纜可以被配置成承載雙向的控制和狀態信息。最小化傳輸差分信號(TMDS)是一種應用在HDMI中以從音頻和視頻輸入產生過渡受控的、直流平衡的符號系列的信號技術。TMDS是一種更適當的編碼音頻和視頻數字信息以避免它沿著HDMI線纜的長度傳播時降低品質、產生與三原色(RGB)/亮度像差(YPbPr)(定義為TMDS通道0、1、2)以及視頻像素時鐘(定義為TMDS CLK)相關的數據通道的方法。在一長串的邏輯O和邏輯I中，在TMDS中有選擇地操作比特位以便保持總體信號的直流電壓電平圍繞在特定的信號閾值周圍。然後在接收器上利用另一信號閾值來確定所接收的數據位是處在等於邏輯O的電壓電平上還是處在等於邏輯I的電壓電平上。圖I說明傳統的現有技術的HDMI系統實現，顯示了 HDMI源I和HDMI匯聚節點2經由HDMI線纜4耦合在一起。在HDMI源I中，聯合的視頻和音頻輸入信號被應用到HDMI發射器3，它將這些信號變換成一組沿著TMDS通道0、1、2傳播的三個信號和分開的TMDSCLK信號。TMDS CLK信號將被HDMI匯聚節點2用作對三個音頻/視頻通道上的數據進行恢復的頻率參考。在圖I顯示的特定裝置中，這組四個信號作為單工(即「單向」傳輸)信號沿著標準HDMI線纜4內的銅線被傳輸和被傳輸到HDMI匯聚節點2。HDMI線纜4中的其它銅線被用於支持在HDMI信號(DDC、CEC、VDD、GND等等)中使用的各種其它信號的半雙工傳輸(即在不同時間對每個方向的「雙向」傳輸)。支持TMDS信號的單工傳輸線此後被耦合(如圖I中所示)到HDMI接收器5中，所述HDMI接收器5起到將TMDS信號在轉換成適當的視頻和音頻信號(以及恢復的時鐘信號)的作用。在許多利用HDMI的傳統的發送/接收系統中，線纜4包括純粹的電纜(通常由銅線組成)。但是，主要地由於銅線的有限帶寬，易受到電磁幹擾，而存在與線纜應用相關聯的嚴重缺陷。此外，沿著銅線傳輸的信號也易於遭受功率損失，因此將基於銅的電HDMI線纜的長度限制到小於大約15米。先前已經建議過採用基於光纖的HDMI線纜取代基於銅的HDMI線纜。由於使用光纜，在避免銅線的問題時，數據速率和線纜跨度都顯著地增加。這些基於光纖的替換物的具體裝置公開在2007年10月4日公布的美國公布申請第2007/0233906號中。然而，迄今為止，這些方案在支持多TMDS通道傳輸方面具有它們固有的局限性。一種方案是每個通道使用單獨的光纖，另一方案是每個通道利用單獨的波長。這些方案的任何一個都引入另外的部件和/或損失源到系統中，從而增加其複雜性和成本。另一建議的方案是在單一光纖上傳輸之前「串行化」該組TMDS通道，然後在接收器單元對數據「並行化」(參考在本領域中稱作SERDES的技術)。但是，所建議的SERDES方案，產生了在要求HDMI連接運行在三倍於單個通道的數據速率(例如，相比於3. 4Gbps的10. 2Gbps)方面的其它問題，結果要求使用昂貴的高帶寬部件，它們可能比其較低速度的對應部件消耗更多的功率。因此，存在對處理涉及多光纖/多波長裝置而不要求使用與SERDES操作相關聯的更複雜的部件的基於光纖的HDMI線纜的需要。

發明內容
本發明解決了現有技術中存在的需求，本發明涉及HDMI互連裝置，尤其涉及用於
TMDS信號的基於光纖的HDMI互連裝置，它對TMDS音頻/視頻信號實施脈衝幅度調製(PAM)轉換以便在單一光纖上同步傳輸所有的三個通道。根據本發明，一組三個音頻/視頻TMDS通道被用作PAM-8光調製器的輸入，所述PAM-8光調製器起到將該組三個通道編碼到光調製的輸出信號的作用。所調製的光信號此後被耦合到有源HDMI線纜中的光纖中(此處「有源"HDMI線纜被定義為包括光纖和銅線以及必要的光-到-電(0/E)轉換部件的線纜)，和被傳輸到HDMI接收器(匯聚節點)。TMDSCLK信號沒有包括在這個到光域的轉換中，而是保持分開的電信號沿著該有源HDMI線纜中的銅信號路徑傳輸。沿著光纖傳播的PAM-8信號然後在HDMI匯聚節點被恢復和解碼(利用單獨傳輸的TMDS CLK信號)以重建該組三個TMDS通道。公知的HDMI接收器技術然後被用於將這些通道轉換成期望的視頻和音頻信息。根據本發明的利用PAM-8調製來傳輸TMDS通道，消除了對額外的光纖或額外的波長(如在現有技術中使用的)的需求，同時也保持了 TMDS數據的初始數據速率，並因此避免了對高速電子器件(如在基於SERDES的現有技術裝置中使用的)的需要。有利地，根據本發明形成的有源HDMI線纜可以被用作傳統的電HDMI線纜的直接替換(或作為上面描述的各種類型的有源HDMI的替換)。在一個實施方式中，本發明的有源HDMI線纜連接件利用多模光纖，它相對便宜同時仍然提供足夠的帶寬以擴展HDMI信號可以在該線纜上傳播的距離(當與常規的銅HDMI線纜相比時)。在一個可替換的實施方式中，當傳輸信號的距離超過100米時，可使用單模光纖並被認為是優選的(與HDMI銅線纜的15米限制相比)。光纖本身可以包括適當的玻璃或塑料材料。根據本發明的一個實施方式，Mach-Zehnder幹涉儀(MZI)被用作光調製器以直接地產生光域中的PAM信號。在這種情形中，首先相位對準初始的TMDS數據通道以形成時鐘控制的數據流，時鐘控制的數據然後被用作到光調製器的電輸入信號。當然，可以進一步編碼時鐘控制的數據以產生N級輸入信號(N >3)以及使用多段調製器以改善在相位調製範圍的響應的線性度。可替換地，可以採用相位對準的數據信號對垂直腔面發射雷射器(VCSEL)進行直接調製以產生PAM-8光輸出信號。
根據本發明的另一實施方式，可以在電域中執行TMDS-到-PAM的轉換，其後將PAM-8電信號轉換成光信號。在下面討論的過程中和通過參考附圖
，本發明的其它和進一步的實施方式和優勢將變得明顯。附圖簡要說明現在參考附圖，圖I是HDMI源和匯聚節點的現有技術實現的方框圖，其使用傳統的HDMI線纜連接該源和匯聚節點，該圖特別示出了利用TMDS編碼以傳輸視頻和音頻信號；圖2圖示根據本發明用於沿著有源HDMI線纜傳輸HDMI TMDS信號的示例性
PAM-編碼的基於光纖的裝置；以及圖3圖示配置成將3通道TMDS信號轉換成用於經由圖2的裝置中的單一光纖上傳輸的光PAM-8信號的示例性光調製器；圖4示出通過將初始的三個TMDS信號編碼成用作PAM光調製器的輸入的N個相位對準的比特流，可被用於增強輸出響應的線性度的附加特性；以及圖5圖示本發明的有源HDMI線纜的可替換配置，其中三個TMDS數據通道首先被轉換成電PAM-8信號，然後先於從HDMI源傳輸到HDMI匯聚節點，將該電PAM信號變換到光域中。詳細說明如上所述，無論是純電纜或光纖和銅線的組合(即「有源」 HDMI線纜)，都存在限制HDMI線纜的性能的各種因素。本發明的基於光纖的連接通過提供在單一光纖上同步傳輸所有三個通道的TMDS數據信號而不使用多個波長或SERDES部件，改為通過對TMDS數據通道執行脈衝幅度調製(PAM)轉換和在光纖上傳輸PAM信號的能力，解決這些憂慮。參考圖2，其圖示建議用於替換現有技術的HDMI線纜4的有源HDMI線纜連接件10。發明的HDMI線纜連接件10可被用於在各種系統中使用的現有的HDMI線纜(電纜或有源線纜)的直接替換，在下面討論過程中將變得明顯。參考圖2，有源HDMI線纜連接件10被示出為包括將TMDS數據的通道O、I和2 (這三個通道在圖I中顯示在虛線框中)作為PAM-8光信號傳輸的光纖12。特別地，由HDMI發射器3 (見圖I)產生的TMDS通道O、I和2首先被用作相位對準元件14 (其可包括例如D型觸發器電路裝置)的輸入。相位對準元件14的運行由TMDS CLK控制以產生一組對準的數據信號，顯示為在相位對準元件14的輸出端的位O、位I和位2。表示成位O、位I和位2的相位對準的流，然後被用作光脈衝幅度調製器16的分開的電輸入。運行在已知波長λ上的連續波(CW)光源18被用於供給調製器16光輸入信號
I。如將在下面進行描述的，調製器16起到產生表示初始的三個電輸入信號(即表示TMDS的通道0、1和2)的值的脈衝幅度調製(PAM)的光輸出信號的作用。在這種情形中，利用ΡΑΜ-8配置，意味著要求總共8個不同的幅度水平來完全地定義三個數字輸入流的所有各種可能性。從調製器16輸出的ΡΑΜ-8光信號此後被用作光纖12的輸入,其中光纖12被定義為有源HDMI線纜連接件10的一個部件。剩下的信號，包括TMDS CLK、接地、電源等等，以電的形式經由也包括在有源HDMI線纜連接件10中的銅線20上進行傳輸。包括連接10的銅和光纖的有源HDMI線纜的使用，允許在線纜的發送側和接收側的相位對準、編碼和解碼變得簡單，而不犧牲信號傳播的距離、信號的完整性、或要求額外的/複雜的電路以執行信號處理/濾波來消除定時抖動。實際上，通過在光纖上僅傳輸TMDS通道O、I和2的這個技術，與上面提到的SERDES實現所要求的10. 2Gbps速率形成對比，電子器件維持工作在3. 4Gbps的速率上。在接收側，沿著光纖12傳播的PAM-8信號首先在光-電(0/E)轉換設備22中被再次轉換到電域，然後被用作3位A/D轉換器24的電輸入，在接收的(電)TMDS CLK信號的控制下，恢復數字的數據信號位O、位I和位2。因此，時鐘控制的數據位被用作TMDS輸出驅動器26的分開的輸入以恢復初始的三個TMDS數據通道。圖3圖示示例性PAM-8光調製器16，它可以被用於將表示TMDS數據通道的相位對準的位O、位I和位2轉換成相位幅度調製的光輸出信號。在這個具體實施方式
中，調製器16包括多段的Mach-Zehender幹涉儀(MZI) 30。如所示，來自光源18的光輸入信號I被提供到入射光波導32，其然後沿著一對波導臂34和36將所述光信號分離。在這種情形中，
顯示了具有沿著波導臂34和36形成的多個段的差分MZI。S卩，第一組的段38-1、38-2和38-3沿著波導臂34形成，第二組的段40-1、40-2和40_3沿著波導臂36形成。定義為位O、位I和位2的相位對準的數據流被示出為分別用作段38-0、38_1和38-2的電輸入，其相反值類似地用作段40-0、40-1和40_2的輸入。這些電信號的存在，將改變沿著臂34和36傳播的光信號的屬性，在沿著每個臂傳播的信號之間引入固定的相位延時量，所述相位延時量作為在每個時間點上的各個位的邏輯「O」或邏輯「I」的值的函數。這些光信號此後沿著輸出的光波導42重新合併以形成PAM-8光輸出信號O。關於使用MZI產生這種PAM光輸出信號的完整討論，可以在美國專利第7，483，597號上找到，該專利於2009年I月27日公布給K. Shastri等人，轉讓給本發明的受讓人，該專利通過引用合併到本文中。也可能進一步對相位對準的一組三個比特流進行編碼以產生N個獨立的數據比特流，並將該N個獨立的比特流用作PAM調製器的輸入。通過增加電輸入的數量(也可能增加形成MZI調製器的段數)，通過改善相位響應的傳輸函數的線性度，PAM輸出信號將被限定在增加的精確水平上。圖4圖示本發明的這個方面，其中相位對準的信號位O、位I和位2首先被用作編碼器42的輸入，該編碼器42被用於在信號之間引入額外的差分電平並產生增加數量的輸出(仍然是相位對準的)數據流。在這個簡單裝置中，編碼器42可以從三個輸入信號產生一組四個輸出信號，關聯的MZI可以被形成以包括接收附加輸入的附加段。儘管圖3的裝置圖示了利用MZI光調製器的本發明的實施方式，需要理解的是，其它類型的光裝置也可被用於產生PAM-8輸出信號。例如，如上所述，直接調製的VCSEL源可被用於產生期望的PAM-8光輸出信號。如上所述，也可能首先直接從相位對準的位O、位I和位2信號產生電域中的PAM-8信號。圖5說明本發明的這個方面，其中數字-到-模擬轉換器(DAC) 50被用於從並行的比特流產生PAM-8輸出信號。這個電PAM-8信號然後被用作電-到-光(E/0)轉換元件52的輸入，所述E/0轉換元件可以簡單地包括雷射設備。從E/0設備52輸出的信號因此是PAM-8信號的光形式，它此後以如上所述的相同方式被耦合到光纖12中。
當相比於要求採用SERDES的實現時，在本發明的各種實施方式中使用的PAM-8的速率要低很多，使得採用廉價的多模光纖而不犧牲系統的性能成為可能。實際上，本發明的有源HDMI線纜可以被用作已經在使用中的任何傳統的HDMI線纜的插入式替換。利用多模光纖還有給光對準提供較大的容差，使得低成本、大量製造成為可能的額外的益處。本發明提出的裝置還有將HDMI TMDS信號能夠傳播的範圍擴展到超過100米(這取決於光纖類型和各種其它工作參數)的進一步的優勢。實際上，當使用單模光纖代替多模光纖時，可以輕易實現更大的距離。光纖本身，在大多數情形中，將包括玻璃(基於矽砂)材料。然而，在用於該目的的光纖結構中利用某些聚合體(塑料)材料也是可能的。儘管本發明已經參考它的不同實施方式進行了描述，本領域的技術人員將理解可以進行各種改變而不偏離所要求的發明的精神和範圍。因此，本發明不限於附圖所示和說明書中描述的內容，而是僅由附在本文的權利要求所限定。
權利要求
1.一種用於傳輸與音頻和視頻信息(TMDSO、TMDSl、TMDS2)相關聯的多個傳輸改進數據信號(TMDS)、TMDS時鐘信號以及相關的控制和功率信號的有源高清多媒體接口(HDMI)線纜連接件，所述有源HDMI線纜連接件包括 相位對準元件，其響應於所述多個TMDS信息信號和所述TMDS時鐘信號以產生多個相位對準的信息信號； 光調製器，其響應於由所述相位對準元件產生的所述多個相位對準的信息信號，以產生表不所述多個TMDS信息信號的相位幅度調製(PAM)的光信息信號； 單一光纖，所述光纖的第一端被I禹合到所述光調製器的輸出端，以支持所述PAM光信息信號沿著所述光纖傳播； 多個電信號導體，其用於傳輸所述TMDS時鐘信號和多個HMDI電控制信號； 光-到-電(0/E)轉換元件，其耦合到所述單一光纖的第二、相對端，用於接收所傳播的PAM光信息信號，並將所接收的PAM光信息信號轉換成電錶示形式； 模擬-到-數字轉換(ADC)元件，其響應於所述PAM光信號的所述電錶示形式和所接收的TMDS時鐘信號以從中恢復所述相位對準的信息信號；以及 多個TMDS驅動器元件，其響應於所述相位對準的信息信號以產生所述TMDS信息信號。
2.如權利要求I所限定的有源HDMI線纜連接件，其中所述單一光纖包括多模光纖。
3.如權利要求I所限定的有源HDMI線纜連接件，其中所述單一光纖包括單模光纖。
4.如權利要求I所限定的有源HDMI線纜連接件，其中所述光調製器包括Mach-Zehnder幹涉儀(MZI)，並且還響應於連續波(CW)光信號，其中所述多個相位對準的信息信號被用作所述MZI的電輸入,並調製所述CW光信號以產生所述PAM光信息信號。
5.如權利要求I所限定的有源HDMI線纜連接件，其中所述光調製器包括垂直腔面發射激 >光器(VCSEL)，所述垂直腔面發射雷射器響應於所述多個相位對準的信息信號以產生所述PAM光信息信號。
6.如權利要求I所限定的有源HDMI線纜連接件，其中所述光調製器包括 數字-到-模擬轉換器(DAC)，其響應於所述多個TMDS信息信號和所述TMDS時鐘信號以產生電PAM信息信號；以及 電-到-光(E/0)轉換兀件,其響應於所述電PAM信息信號,用於將所述電PAM信息信號轉換成所述PAM光信息信號。
全文摘要
提出了一種HDMI互連裝置，它對TMDS音頻/視頻信號實施脈衝幅度調製(PAM)轉換以便在單一光纖上同步傳輸所有的三個通道。該組三個音頻/視頻TMDS通道被用作PAM-8光調製器的輸入，所述PAM-8光調製器起到將該組三個通道編碼到光調製的輸出信號的作用。經調製的光信號此後被耦合到有源HDMI線纜內的光纖，並被傳輸到HDMI接收器(匯聚節點)。TMDS CLK信號沒有包括在這個到光域的轉換中，而是保留作為分開的電信號沿著有源HDMI線纜內的銅線傳輸。
文檔編號H04N7/22GK102804765SQ201080026038
公開日2012年11月28日 申請日期2010年6月14日 優先權日2009年6月13日
發明者卡爾潘都·夏斯特裡, 拜平·達瑪, 威普庫馬·帕特爾, 馬克·韋伯斯特 申請人:光導束公司