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4K2K高精細画像データを10Gbps超で伝送できる

高速ビデオ・インターフェース
HDMI&DisplayPortのすべて
長野 英生 著HDMI & DisplayPort

第1章

1-1

高速シリアル・インターフェースの登場と規格パラレルからシリアルへ● ディスプレイ・インターフェースとデータ・インターフェース
図 1.1 に，主要な高速シリアル・インターフェースの規格を示します．高速シ
リアル・インターフェースは，ディスプレイ・インターフェースとデータ・インターフェースに分類できます．
ディスプレイ・インターフェースは，ディスプレイ機器と外部機器間のインターフェース，およびディスプレイ機器内部で使われるインターフェースと定義し，ディスプレイ機器に特化した機能を搭載したインターフェースになります．主な
高 速 デ ィ ス プ レ イ・ イ ン タ ー フ ェ ー ス と し て は，LVDS，miniLVDS，DVI，HDMI，DisplayPort などがあります．
データ・インターフェースは，パソコンと周辺機器間，およびパソコン機器内部で使われる高速インターフェースと定義し，パソコンに特化した機能を搭載したインターフェースになります．主なデータ・インターフェースとしては，USB，SATA，PCI-Express，Thunderbolt などがあります．

● シリアルへの移行が進むディスプレイ・インターフェース
デジタル・テレビに代表されるコンシューマ機器の性能向上に伴い，機器が扱うデータ量は年々増加の一途をたどり，機器間のインターフェースは従来のパラレル・インターフェースではコストや消費電力，EMI 性能といった面で対応できなくなってきました．そこで，パラレル・インターフェースに代わり，シリアル・インターフェースが広く普及するようになっています．
図 1.2 に，パラレル・インターフェースとシリアル・インターフェースのそれぞれに使用される LSI のピン数の比較を示しますが，パラレルからシリアルにすることで LSI のピン数が大きく削減されます．
ピン数の削減は，LSI のコストを低減させるだけではなく，コネクタやケーブ

11

第2 DVI と HDMI の基本技術章

本章では，HDMI（High-Definition Multimedia Interface）について解説します
が，HDMI の解説に入る前に HDMI とバックワード・コンパチビリティのあるDVI（Digital Visual Interface）を紹介します．DVI では TMDS などの HDMI の根幹となる基本技術を使っており，その概要を把握しておくことは HDMI を理解するためにも役立ちます．

2-1

DVI の成り立ち● デジタル化された最初のシリアル・ディスプレイ・インターフェース
DVI は，パソコンとモニタ間のインターフェースとして長い間使用されてきた VGA（Video Graphic Array）によるアナログ伝送を，画質劣化のないデジタル伝送にした最初のシリアル・ディスプレイ・インターフェース規格です．DVIは，非圧縮の映像データを伝送することができます（図 2.1）．
DVI は，1999 年に IBM，Intel，Compaq，Hewlett Packard，NEC，Fujitsu，Silicon Image がプロモータとなって立ち上げた DDWG
（Digital Display WorkingGroup）というコンソーシアムで標準化が行われました．DVI で開発された基本技術のほとんどは HDMI に引き継がれており，今日の HDMI の普及の基礎技術
非圧縮デジタル・データ伝送

パソコン・モニタDVI012…

789DVI

図 2.1 DVI はパソコンとモニタ間のインターフェース

23第3章HDMI の応用技術とHDMI のハードウェア

前章では，HDMI 1.0 に対応した HDMI の基本技術について述べました．本章
では，HDMI の改定に伴って追加された拡張技術について解説します．
HDMI は，2004 年 5 月にリリースされたバージョン 1.1 では DVD オーディオ・フォーマットが追加されました．また，2005 年 8 月にリリースされたバージョン 1.2 では SACD
（Super Audio CD）
フォーマットと，PC 機器への対応を考慮した PC フォーマットが追加されました．さらに，2005 年 12 月にリリースされたバー
ジョン 1.2a では，CEC の仕様が追加されました．
しかし，2006 年 6 月にリリースされたバージョン 1.3 は，それまでの改定とは異なり，かなり大きな改定が行われました．また，2009 年にリリースされたバー
ジョン 1.4 でも，HDMI 1.3 と同様に大きな改定が行われています．そこで本章
では，バージョン 1.3 とバージョン 1.4 で行われた主な改定内容について解説します．

3-1

HDMI 1.3 で追加された機能● なめらかな画質を実現するディープ・カラー
HDMI 1.2 までの映像信号の色深度は 8 ビット / ピクセル（RGB3 色で 24 ビット）でしたが，バージョン 1.3 において 10 ビット（RGB3 色で 30 ビット），12 ビット（RGB3 色で 36 ビット）
，16 ビット（RGB3 色で 48 ビット）のディープ・カラー（DeepColor）の仕様が追加されました．
8 ビットでは 256 階調までしか表現できませんが，10 ビットでは 1,024 階調，12 ビットでは 4,096 階調，16 ビットでは 65,536 階調まで表現することが可能になります．
グラデーション・パターンのような映像では，8 ビット / ピクセルでは等高線のような模様が出てしまいますが，ディープ・カラーにすることでより滑らかな画像となり，より自然に近い映像を表示できます．

65

第4章4-1

DisplayPort の基本技術とハードウェア
DisplayPort の成り立ち● DisplayPort が開発された背景
パソコンのディスプレイ・インターフェースには，長い間アナログ・インターフェースである VGA（Video Graphics Array）が使われてきましたが，その後デジタル・インターフェースである DVI も使われるようになりました．
DVI は，非圧縮のデジタル映像データを伝送することができ，対応するディスプレイも UXGA パネル（1,600 × 1,200, ピクセル・クロック周波数 162MHz）や，WUXGA パネル（1,920 × 1,200，ピクセル・クロック周波数 154MHz，ReducedBlanking 仕様）までサポート可能な仕様になっています．しかし，1999 年 4 月にバージョン 1.0 がリリースされて以降一度も改定がなされず，データ伝送量も高速化されることなく凍結されて現在に至っています．
また，コネクタのサイズがかなり大きく，ノート・パソコンには採用されませんでした．さらに，映像のみしか伝送ができず，音声やパケット・データの伝送ができないことも課題でした．
DisplayPort は，DVI の 問 題 を 改 善 す る た め に，ATI（AMD）, Dell, Genesis
Microchip（現 STMicro Electronics）, HP, Molex, NVIDIA, Philips, Samsung,Tyco が初期のプロモータとなり，その後，VESA（Video Electronics StandardAssociation）において Intel，Apple，Lenovo などの主要なパソコン関連企業が多数参画し，DisplayPort が標準化されました．

4-2

DisplayPort の標準規格● VESA はオープンな国際的コンソーシアム
DisplayPort は，ディスプレイ関連の規格策定を行う国際的なコンソーシアムである VESA において開発され，標準化されました．VESA で開発されている

101

第5

章

HDMIとDisplayPortの比較

前章までは，HDMI と DisplayPort に採用されている技術について詳しく解説してきました．どちらも今後の電子機器にとっては重要な規格であり，一概に優劣はつけられませんが，現状においてどのような違いがあるのか理解しておく必要はあるでしょう．
そこで本章では，筆者の独断になりますが HDMI と DisplayPort の優劣をあえて比較してみました．

5-1

HDMI と DisplayPort の位置づけ

HDMI は 10.2Gbps のデータ伝送量を有しており，現在普及しているコンテン
ツおよびディスプレイの性能をカバーするには十分です．しかし，今後は 4K2K
＠ 60Hz やその 3D 伝送などが普及してくると予想され，6Gbps/lane 超のデータ伝送量が必要になると考えられます．HDMI 1.4b では 4K2K ＠ 30Hz までしか対応できず，TMDS の伝送レートは 3.4Gbps/lane が最大です．
HDMI の物理層には DVI を採用しているので，高速差動ラインはデータ・ライン以外に専用クロック・ラインが必要であることや，3.3V 終端電圧をベースにしていることなど，アーキテクチャとしてはレガシ・タイプの伝送方式と言えます．また，3.3V 終端には，物理層に 3.3V 対応のトランジスタを使う必要があり，これらは更なる高速性を検討する上でのボトルネックになります．
DisplayPort は，現在のグラフィック・ボードのほぼすべてに搭載されており，モニタにも装備されるようになっています．主要な PC 関連企業が DisplayPortの標準化を進めており，DVI や VGA に代わるデファクトとなるべく普及が進んでいます．さらに，eDP や iDP などの機器内部のインターフェース向け規格や，モバイル機器向け外部インターフェース規格（MyDP）などのファミリ仕様も策定されています（後述）．
DisplayPort の物理層は PCI Express をベースにしており，エンベデッド・ク

139

第6章

DisplayPort のファミリ規格と機器内インターフェース

前章までは，ディスプレイの外部インターフェースとして，HDMI と DisplayPortを紹介してきましたが，本章では薄型テレビやパソコンの内部に使われている高速インターフェースについて紹介します．

6-1

デジタル・テレビの内部インターフェース● 3 つの基板で構成されるデジタル・テレビ
デジタル・テレビのキャビネットを開けると，たいてい 3 つの基板が目に入ります．1 つ目は信号処理用 SoC 基板，2 つ目は電源基板，3 つ目は液晶パネルのタイミング・コントローラ基板です（図 6.1）
．液晶パネル・モジュールには，横方向にソース・ドライバ IC，縦方向にゲート・ドライバ IC が実装されており，タイミング・コントローラ（TCON：Timing Controller）の出力とインターフェー

信号処理用SoC基板

電源基板

パネルTCON基板

TCON-液晶パネル・ドライバ間のminiLVDS信号

信号処理用SoC-TCON間のLVDS信号

図 6.1

デジタル・テレビの内部構造

147

第7

高速ディスプレイ・インターフェースの相互接続性章

7-1

高速ディスプレイ・インターフェースの相互接続問題● 相互接続問題とは？
HDMI，DisplayPort，DVI などの外部ディスプレイ・インターフェースでは，不特定多数の Source 機器，Sink 機器，リピータ機器，ケーブルなどと接続されます．セットを開発評価する段階において，しばしばこの接続問題に遭遇します．
例えば，ある Source 機器とある Sink 機器を接続すると映像が出ないとか，特定の映像フォーマットでノイズが出るとか，映像表示がおかしいとか，音声が途切れるなどといった例です（図 7.1）．
これが Source 機器の問題なのか，Sink 機器の問題なのか，あるいはケーブルの問題なのかがすぐに分からないことが多いのが現状です．特に開発評価段階では，まだファームウェアやハードウェアが最終仕様になっていないので，セットの開発をしながら機器接続試験を行い，問題が起こればデバッグするという作業になるので，問題の切り分けが困難な場合が多々あります．
本章では，セットの相互接続性に関して具体的な事例を挙げて説明し，市場にSink機器A
Source機器A
OK
DVDプレーヤ
NGNG
デジタル・テレビ
Sink機器B

Source機器B
OK
DVDプレーヤ
デジタル・テレビ

図 7.1

相互機器接続問題とは

189

第8

高速ディスプレイ・インターフェースのシステム動作章

HDMI，DisplayPort などの外部ディスプレイ・インターフェースでは，不特定多数の Source 機器，Sink 機器，リピータ機器，ケーブルと接続されます．お互いにどの機器と接続されても設定どおりに映像・音声が出るようにしなければなりません．
このインタオペラビリティ（相互接続性）を確保するためには，システム全体をコントロールするシステム動作が重要になります．
本章では，HDMI と DisplayPort の Source 機器，Sink 機器のシステム動作の基礎と評価方法について解説します．

8-1

HDMI のシステム動作● HDMI のファームウェアの役割
図 8.1 に，Source 機器，Sink 機器を含む HDMI 全体のブロック図を示します．
Source 機器の AV プロセッサは映像データ，音声データ，制御信号を HDMI トランスミッタに送ります．HDMI トランスミッタは TMDS，DDC，＋ 5V-Powerを Sink 機器の HDMI レシーバへ送ります．Source 機器の CPU は，AV プロセッ
2

サと HDMI トランスミッタを I C で制御します．一般的に，AV プロセッサ，HDMI トランスミッタ，CPU は 1 チップの SoC に集積されています．
Sink 機器は，HDMI トランスミッタから送られてきた TMDS，DDC，＋ 5V-Power を HDMI レシーバで受けて，映像，音声，制御信号を AV プロセッサに送ります．また，HDMI レシーバは HPD を HDMI トランスミッタに送り，AVプロセッサは映像・音声処理後，映像を液晶パネル・モジュールに，音声を音声デバイスからスピーカに送ります．CPU は，AV プロセッサと HDMI レシーバ
2を I C で制御します．CEC は双方向の 1 ビットの信号線で，双方の CPU が制御します．Source 機器と同様に AV プロセッサ，HDMI レシーバ，CPU は 1 チップの SoC に集積されるのが一般的です．

217

第9章

9-1

高速ディスプレイ・インターフェースのデバイス設計
高速差動信号の特長

これまで本書では，各種高速ディスプレイ・インターフェースの規格や技術比較，相互接続性，デバッグ・アプローチ，評価方法などについて述べてきました．
高速ディスプレイ・インターフェースは，数 Gbps/ レーンという非常に高速な信号を扱いますが，使用している半導体の内部動作を理解すれば，ボード設計やデバッグをする上でより深い理解が得られます．
今日のトランスミッタ，レシーバは，IP コアとして SoC に内蔵されており，CMOS アナログ技術により設計されています．そして，これらの高速インターフェース・コアには，共通して差動信号技術が使われています．LVDS，HDMI，DisplayPort などの個々の高速ディスプレイ・インターフェースでは，それぞれ異なる回路構成が使われていますが，どのインターフェースも差動回路を基本としています．本章では，この差動回路技術における基本的な特長を解説します．

● 高速動作以外にも多くのメリットがある差動回路（1）高速動作CMOS シングルエンド回路では， 1 から 0 あるいは 0 から 1 へのデータ遷移は，電源電圧レベルまでフルスイングしていました．しかし，差動回路は小振幅で動作するため， 1 から 0 ，あるいは 0 から 1 への信号の遷移時間が，CMOS のフルスイング時に比べて短い時間ですむことにより，動作速度が向上します（図 9.1）．
（2）低スイッチング・ノイズ
CMOS シングルエンド回路では，データの遷移時に出力バッファが大電流を流し，そのため電源や GND ラインに大きなノイズを誘起します．このノイズがセンシティブなアナログ回路に回りこみ，クロック・ジッタの増加や PLL などの誤動作，A-D コンバータなどのアナログ信号の / （信号対ノイズ）劣化といっ

255

10第章

高速ディスプレイ・インターフェースのプリント基板設計

高速インターフェースの動作周波数は年々高速化しており，プリント基板を設計する際には高速インターフェース回路自身が受けるノイズ対策だけでなく，高速インターフェース回路自身が発生するノイズ対策についても注意すべき項目が増えています．
また，昨今の高速インターフェース回路を内蔵した SoC は電源電圧の低電圧化が進み，またコンシューマ機器では多数のアナログ回路とデジタル回路が混在しており，基板上のデジタル回路の電源から高速インターフェース回路の電源への干渉に対しても，よりセンシティブになっています．さらに，基板コストの低減も必須であり，いかに安価かつ高品質を確保するかが重要なポイントになります．
そこで本章では，高速インターフェースのプリント基板設計の基本的な確認事項について説明します．

10-1 プリント基板設計における問題点● 集中定数回路と分布定数回路
伝送周波数が低い時代は，伝送線路の扱いを集中定数回路と見るか，分布定数回路と見るかをまず検討しました．集中定数回路と分布定数回路を図 10.1 に示します．集中定数回路では，ドライバの負荷は 1 つの容量で近似できます．信号の立ち上がり時間をとすると， は負荷容量と出力インピーダンスに比例して大きくなるため，ドライバのドライブ能力を上げればの積は小さくなっていきます．
一方，分布定数回路では，伝送線路上を伝わる信号は波として進行波として考えます．信号波形の電流と電圧は比例関係にあり，その係数は特性インピーダン
ス

0=/ として知られており，抵抗の単位を持ちます．

また，線路を往復する遅延時間をとすると， =になります．したがっ301

Appendix

A-1

アナログ・ディスプレイ・インターフェース
ディスプレイ・インターフェースの変遷

図 A.1 に，コンシューマ市場におけるテレビおよびパソコンのディスプレイ・インターフェースの変遷を示します．テレビ信号のインターフェースには，RF，コンポジット（Composite），S 端子（S Video），コンポーネント（Component），HDMI などがあります．この中でコンポジット，S 端子，コンポーネントはアナ
テレビ・インターフェース

HDMIComponent（D）
パソコン・インターフェース
Component（YPBPR / D）

S Video（Y/C）

DisplayPort

Composite（CVBS）

DVI

RF
VGA

図 A.1

ディスプレイ・インターフェースの変遷

317このPDFは，CQ出版社発売の「 速ビデオ・インターフェースHDMI&Display Portのすべて」の 部 本です．
内容・購
内容
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法

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