고화질 멀티미디어 전송용 광인터페이스 기술개발 동향

1. HDMI 기술개요

HDMI는 디지털 방식의 영상과 음향신호를 하나의 케이블로 동시에 전달하는 방식을 사용한다. 히타치, 파나소닉, 소니, 필립스, 톰슨 등의 AV 가전 업체들이 주축이 되어 공동 개발하였으며, 최초의 규격은 2002년 12월에 버전 1.0으로 발표되었다. HDMI 단자는 디지털 단자인 DVI 단자에 기반한 것이지만, DVI 단자가 영상신호만을 전송하는 것에 반해 HDMI 단자는 영상신호와 음성신호를 하나의 케이블로 전송할 수 있다.

(그림 1)

HDMI Device Growth

(그림 1)은 HDMI 포트가 탑재된 장치의 종류별 성장 경향을 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 다양한 멀티미디어 장치에서의 HDMI의 사용이 꾸준히 증가하고 있다는 것을 알 수 있다. 특히 평면 TV가 가장 많은 비중을 차지하고 있고, 노트북 PC의 비중이 그 뒤를 따르며 점차 증가하고 있는 것을 알 수 있다[4].

2. HDMI 기술 개발동향

<표 1>

HDMI 버전에 따른 성능 비교

HDMI 규격은 <표 1>에서 보듯이 2002년에 버전 1.0이 발표된 이후로, 2004년에 버전 1.1, 2005년에 버전 1.2, 2006년에 버전 1.3, 2009년에 버전 1.4, 그리고 2013년 9월에 버전 2.0까지 발표되었다[5][6].

HDMI는 세 레인의 데이터 전송채널을 사용한다. 버전 1.0부터 1.2까지의 레인당 최대 전송속도는 1.65 Gbps로써 총 4.95 Gbps 대역폭을 가지고 있으며, 버전 1.3 및 버전 1.4에서는 레인당 3.4Gbps, 총 10.2Gbps의 대역폭을 지원한다. 그리고 마지막으로 출시된 버전 2.0에서는 레인당 6Gbps의 최대전송속도, 총 18Gbps의 대역폭을 지원하여 4K Ultra High Definition(UHD) 영상전송이 가능하다[(그림 2) 참조].

(그림 2)

HDMI 버전에 따른 최대 전송속도

최근 출시된 HDMI 버전 2.0의 특징을 살펴보면 다음과 같다[4].

• 4K@50/60, (2160p) 지원 앞서 언급하였듯이, 총 18Gbps 대역폭을 지원함으로 HDMI 케이블을 통해 50 또는 60fps를 요구하는 4K UHD 영상의 해상도까지 지원할 수 있게 됨. 이는 1080p/60 비디오 해상도의 4배나 선명한 영상을 시청자들에게 제공이 가능하다는 것을 의미[(그림 3) 참조]

(그림 3)

해상도에 따른 화질 비교

• Dual Viewing 동일한 화면에서 동시에 두 개의 서로 다른 영상 재생이 가능. 즉, 하나의 화면을 공유하여 서로 다른 비디오 콘텐츠를 시청자에게 제공하거나, 두 개의 독립적인 영상을 통해 서로 다른 게임 콘텐츠를 즐길 수 있는 것. 이는 또한 3D 영상 콘텐츠 재생으로도 활용이 가능[(그림 4) 참조]

(그림 4)

Dual Viewing

• Multi-Stream Audio 최대 4명까지 다수의 시청자에게 서로 다른 오디오 스트림 제공 가능. 이는 다수의 시청자에게 서로 다른 언어로 들려주는 용도로도 사용할 수 있고, 앞서 언급한 dual viewing과 접목하여 서로 다른 영상을 시청하는 사용자에게 그에 맞는 오디오 또한 제공 가능하다는 것을 의미[(그림 5) 참조]

(그림 5)

Multi-Stream Audio

1. 기술개요

화질의 비약적인 발전으로 인해 영상신호 등 전송 데이터가 비약적으로 증가하여 기존 전기방식의 인터페이스가 한계에 다다르게 되었다. 따라서 가전기기 등에 탑재가 가능한 소형의 광 인터페이스에 대한 시장수요는 계속해서 증가하고 있다. 특히, 영상신호 및 제어신호전송 시 전자기파 간섭(Electro-Magnetic Interference: EMI)에 무관하여 신호에 왜곡이 없어 고화질 멀티미디어 신호뿐만 아니라 산업용 장비, 의료기를 비롯한 다수의 대용량 데이터 전송이 필요한 장비에 탑재 가능한 장점이 있다.

10G급 Serializer-Deserializer(Ser-Des)기반 광 HDMI 커넥터는 디지털 영상전송 인터페이스 규격인 HDMI의 데이터와 컨트롤 신호 등의 병렬신호를 하나의 출력으로 직렬화해주는 10G급 Ser-Des와 10G급 양방향 광송수신 모듈을 기반으로 제작하여 HDMI 버전 1.4 규격을 만족하는 성능을 보여주고 있다.

2. 10G급 Ser-Des기반 광 HDMI 커넥터 컨트롤 보드 개요

가. 하드웨어 개요

보드는 (그림 6)과 같이 SiFotonics 사의 SERDES chip 기반으로 구성되었으며, source board와 sink board로 나뉜다. SERDES chip과 Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser(VCSEL) driver with limiting amplifier chip 그리고 두 칩의 초기화 및 제어를 위한 Micro Controller Unit(MCU)로 구성되어있으며, 외부 연결용으로 HDMI Connector와 전원, Console 연결용 Universal Serial Bus(USB) Connector, Optic 연결용 Bi-directional Optical Sub-Assembly(BOSA) Module이 연결되어있으며, 내부 상태 표시용으로 4개의 SMDLED가 구성되어 있다.

(그림 6)

광 HDMI 커넥터 컨트롤 보드 블록도

나. PCB 제어보드 개요

JTAG Connector는 SiliconLabs 사의 USB Debug Adaptor 연결용이며, 커넥터 사이즈 변환을 위한 컨버터 보드가 필요하다. Console 및 전원 연결용 Connector는 Mini USB Cable을 사용하여 연결하며, Console 연결을 위해서는 SiliconLabs 사의 CP2103 Driver가 설치되어 있어야 한다[(그림 7) 참조]. LED 는 총 4가지로 Display 되며, PWR(Green), SERDES LOCK(Green), TX Fault(Red), RX Los(Red)가 표시되며, 정상 동작 시에는 PWR와 SERDES LOCK LED만 On 상태가 되어야 한다.

(그림 7)

광 HDMI 커넥터 컨트롤 보드 PCB 레이아웃

3. 10G급 Ser-Des기반 광 HDMI 커넥터

가. 10G급 Ser-Des기반 광 HDMI 커넥터 제작

10G급 Ser-Des기반 광 HDMI 커넥터는 하나의 광섬유를 통해 4K UHD 해상도의 영상을 100m 이상 장거리 전송 가능한 광 HDMI 커넥터로, (그림 8) 및 (그림 9)에 10G급 Ser-Des기반 광 HDMI 커넥터 사진을 도시하였다. 광 HDMI는 HDMI 버전 1.4를 지원하는 10G급 Ser-Des Integrated Circuit(IC)와 Laser Diode Driver(LDD)와 Limiting Amplifier(LA)가 원패키지화된 라인 드라이버 IC, 그리고 전술한 두 IC를 초기화하고 제어하기 위한 MCU로 구성되어 있으며, 영상 장치에 직접 연결할 수 있는 HDMI 커넥터로 제작되었다. 하나의 양방향 광송수신 모듈을 사용함으로써 멀티모드뿐만 아니라 싱글모드 양방향 송수신 서브모듈을 활용하여 단거리뿐만 아니라 수 km 이상의 장거리 전송용으로도 사용이 가능한 장점이 있다.

(그림 8)

광 HDMI 커넥터 제어 보드

(그림 9)

광 HDMI 커넥터

나. 10G급 Ser-Des기반 광 HDMI 커넥터 실험 결과

(그림 10)에 광 HDMI 커넥터 제작에 사용된 양방향 광송수신 모듈 송신부의 전송 특성 측정결과를 도시하였으며, 광 HDMI 커넥터에 사용된 라인드라이버를 이용한 평가보드를 이용하여 10Gbps 전송속도에서 깨끗한 아이 다이어그램을 얻었다.

(그림 10)

송신부 Eye Diagram(w/5Gbps Bessel Filter) 측정 결과

(그림 11)에 양방향 광송수신 모듈 수신부의 전송 특성 측정결과를 도시하였으며, 광 HDMI 커넥터에 사용된 라인드라이버를 이용한 평가보드를 이용하여 1.25 Gbps 전송속도에서 깨끗한 아이 다이어그램을 얻었다. 사용된 양방향 광송수신 모듈의 파장은 각각 850nm와 980nm이다.

(그림 11)

수신부 Eye Diagram 측정 결과

(그림 12)에 제작된 광 HDMI 커넥터를 이용 4K UHD 영상을 300m 다중모드 광섬유를 통하여 전송한 결과를 도시하였으며, 화질 열화 없이 전송되는 것을 확인할 수 있었다.

(그림 12)

3D 영상 300m 전송 결과

1. 기술개요

앞 장에서 기술한 10G급 Ser-Des기반 광 HDMI 커넥터는 하나의 광섬유를 통해 4K UHD 해상도의 영상을 100m 이상 장거리 전송 가능하다는 장점이 있으나, 광송수신 대역폭 및 신호처리 속도의 한계로 인해 HDMI 버전 1.4까지만 지원할 수 있고 그 이상은 지원이 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 본 장에서 설명하고자 하는 기술은 고속 Transition Minimized Differential Signaling(TMDS) 데이터 채널에 Ser-Des를 사용하지 않는 광 HDMI 기술에 대한 내용이다.

(그림 13)

HDMI 핀 구성

HDMI의 핀 구성을 살펴보면, (그림 13)과 같이 영상 및 음향 데이터 전송을 위한 TMDS 채널, 영상 소스기기와 표시기기 사이의 설정정보를 주고받아 최적의 화면을 표시하기 위한 Display Data Channel(DDC) 신호, 그리고 기기 제어를 위한 Consumer Electronics Control(CEC) 신호로 구성된다.

HDMI에서 영상 및 음성 데이터를 전송하기 위한 TMDS 채널은 단방향 통신으로 구성되기 때문에, 영상 소스기기에 전광 변환모듈, 그리고 영상 표시기기에 광전 변환모듈을 사용하여 비교적 간단히 구성할 수 있다. 하지만, 디스플레이의 해상도 등의 설정정보를 주고받음으로 최적의 영상을 표시하는 데 필요한 DDC 채널은 양방향 통신 지원이 요구되는 두 개의 신호선으로 이루어져 있기 때문에, 광으로 구성하기에는 시스템 복잡도 및 비용 증가 문제가 발생하게 된다.

(그림 14)

광 HDMI송신부 구성도

(그림 15)

광 HDMI수신부 구성도

이러한 문제점을 해결하기 위해 DDC 채널에서 사용되는 두 개의 신호선을 Ser-Des 신호처리 기술을 통해 단선으로 묶어 주고, 단일 모듈을 사용하여 광신호의 송신과 수신할 수 있는 저속통신용 광 송수신 채널을 구성하였다[(그림 14, 15) 참조].

2. DDC 채널의 Ser-Des 신호처리

DDC 채널은 Inter Integrated Circuit(I²C) 통신을 하므로, 데이터용 Serial Data(SDA)와 통신의 동기를 위한 클럭용 Serial Clock(SCL), 두 개의 신호선으로 구성된다[7]. 단일모듈을 사용한 광으로 전송하기 위해서는 두 개의 신호선을 한 개의 신호로 묶어줄 필요가 있다. 그러한 기능을 수행하기 위해 DDC 신호처리 보드를 개발하였다.

(그림 16)

DDC 신호처리용 보드

(그림 16)은 DDC 신호처리용 보드의 도면을 보여준다. 본 신호처리 보드는 CEC, I2C-CLK(SCL), I2C-DATA(SDA) 신호를 입력으로 받아서 하나의 신호로 묶은 후, DP 포트로 출력을 보내주는 역할(Serializer)을 한다. 또한, DM 포트로 입력되는 단일 신호를 CEC, I2C-CLK(SCL), I2C-DATA(SDA) 신호로 풀어서 HDMI 입력단에 보내주는 역할(Deserializer)을 하기도 한다. (그림 17)은 이처럼 구성한 DDC 신호처리용 보드의 송신부 및 수신부 사진을 보여준다.

3. DDC 채널용 양방향 광송수신

(그림 17)과 (그림 18)은 DDC 전송용 광채널의 양방향 송수신 실험 셋업 및 결과를 보여주고 있다. Function Generator를 통해 생성된 신호가 광 HDMI 송신단말로부터 광 HDMI 수신단말까지 DDC 전용 광 채널을 통해 전송되는 것을 확인하였으며[(그림 17) 참조], 그 반대의 경우(광 HDMI 수신단말에서 광 HDMI 송신단말)에도 이상 없이 신호가 전송됨을 알 수 있다[(그림 18) 참조].

(그림 17)

DDC 전송(광 송신단말 → 광 수신단말)

(그림 18)

DDC 전송(광 수신단말 → 광 송신단말)

(그림 19)와 (그림 20)은 DDC 전송용 광채널이 100Kbps 및 5Mbps 신호 송수신 결과를 보여주고 있다. DDC 채널의 경우에는 100Kbps 속도로 통신을 하므로, 저속 통신이 가능한 광채널을 구성하였으며, 차후 버전이 업데이트될 경우를 고려하여 5Mbps까지 전송이 가능하도록 통신채널을 구성하였다.

(그림 19)

DDC용 광채널의 100Kbps 전송결과

(그림 20)

DDC용 광채널의 5Mbps 전송결과

4. DDC 채널 지원 광 HDMI 개발

(그림 21)은 광 HDMI용 단말의 구성도를 보여준다. HDMI 소스 기기와 광 HDMI 송신 단말과 HDMI 케이블로 연결되어 HDMI 출력된 신호들은 송신 단말로 보내지고, 영상 및 음성 데이터 전송을 위한 TMDS 채널의 신호들은 광전송 모듈과 연결되어 광으로 변환 후 송신된다. 그리고 DDC 채널의 SDA와 SCL 신호는 DDC 신호처리용 보드로 보내져서 단일 신호선으로 출력된 후, BOSA를 통해 광으로 변환되어 송신이 된다. 광으로 보내진 신호들은 광 HDMI 수신단말을 통해 수신한다. 광 HDMI 수신 단말은 영상 표시 기기와 HDMI 케이블로 연결되어 있어 TMDS 신호들은 전기신호로 변환된 후, HDMI 케이블을 통해 바로 영상 표시 기기로 보내지고, DDC 채널 신호는 DDC 신호처리용 보드로 보내져서 SCL 및 SDA 원래의 두 개의 신호선으로 변환되어 영상 표시 기기로 보내져서 HDMI 채널을 구성하게 된다.

(그림 21)

광 HDMI용 단말 구성도

(그림 22)는 제작된 광 HDMI 단말 사진을 보여주고 있다. 광 HDMI 단말에는 5V adapter를 통해 전원이 공급되고, HDMI 소켓을 통해 HDMI 신호 입출력이 가능하며, 두 개의 Lucent Connector(LC) 커넥터를 통하여 TMDS 채널의 광신호가 두 개의 광섬유로 전달되고, 한 개의 BOSA를 통하여 DDC 채널의 광신호가 송수신 할 수 있음을 알 수 있다.

(그림 22)

광 HDMI 보드 사진

(그림 23)은 100m 다중모드 광섬유를 통해 전송 시, 광 HDMI 단말의 DDC 기능 지원 여부를 나타낸 것이다. 광 HDMI 송신 단말을 PC와 연결하고, 광 HDMI 수신 단말을 모니터에 연결하였을 때, 모니터가 정상적으로 출력되며, 해상도가 조절되는 것으로, DDC 기능 구현이 정상적으로 이루어졌음을 알 수 있다.

(그림 23)

100m 광섬유 전송 결과