Эволюция HDMI: Смена способа передачи данных или что такое TMDS и FRL

Когда говорят об эволюции HDMI, обычно вспоминают рост разрешений – от Full HD к 4K и 8K, появление HDR и игровых функций. Однако все эти возможности стали реальностью не из-за «магии версии», а благодаря фундаментальному изменению внутри стандарта. Речь идёт о переходе от TMDS к FRL – смене самого принципа передачи данных, без которой HDMI физически не смог бы развиваться дальше.

Что такое TMDS

TMDS, или Transition Minimized Differential Signaling, лежит в основе HDMI с момента его появления. Этот метод передачи сигнала создавался в эпоху, когда основными задачами были стабильная передача цифрового видео и совместимость с существующими дисплеями. Архитектура TMDS построена вокруг идеи синхронной передачи пикселей. Каждый пиксель изображения передаётся строго в такт с отдельным тактовым сигналом. Пока разрешения были невысокими, а частоты ограничивались 60 герцами, такой подход работал надёжно и эффективно.

TMDS лежал в основе HDMI версий 1.0-2.0.

Как работает TMDS

TMDS использует:

• 3 канала данных (RGB или YCbCr)
• 1 тактовый канал (Clock)
• дифференциальную передачу сигналов для снижения помех

Каждый пиксель передаётся синхронно с тактовым сигналом. Частота передачи жёстко привязана к:

• разрешению
• частоте обновления
• глубине цвета

Чем выше эти параметры – тем выше должна быть частота TMDS.

Пропускная способность TMDS

Максимальные возможности TMDS ограничены физически:

• HDMI 1.4 – до 10,2 Гбит/с
• HDMI 2.0 – до 18 Гбит/с

На практике это означает:

• 4K – максимум 60 Гц
• часто требуется YCbCr 4:2:0
• ограничения по глубине цвета (8 бит – норма, 10–12 бит – с компромиссами)

Проблемы начались тогда, когда требования к изображению стали расти. При увеличении разрешения и частоты обновления растёт пиксельная частота, а вместе с ней – и частота сигнала на линиях TMDS. Это приводит к усилению электромагнитных помех, росту ошибок и резкому повышению требований к качеству кабеля. HDMI 2.0, использующий TMDS, фактически довёл этот метод до предела – пропускная способность 18 Гбит/с стала практическим максимумом для массового рынка.

Ограничения TMDS

TMDS плохо масштабируется, что означает:

• каждый рост разрешения напрямую увеличивает частоту сигнала
• высокие частоты резко повышают требования к кабелю
• возникают проблемы с помехами и стабильностью

Именно поэтому возможности HDMI 2.0 выглядят противоречиво. Формально он поддерживает 4K при 60 Гц, но на практике это часто достигается за счёт компромиссов: используется цветовая субдискретизация 4:2:0, ограничивается глубина цвета, а режимы с полноценным RGB или 10-12 бит оказываются нестабильными или вовсе недоступными. Попытки выйти за рамки 4K/60 упираются не в «запрет стандарта», а в физические ограничения TMDS как технологии.

Как итог, 5K через HDMI 2.0 почти не используется, игровые функции нового поколения реализовать невозможны, а 4K/120 Гц физически недостижим. Т.е. HDMI 2.0 стал потолком для TMDS – дальше развивать этот метод стало нецелесообразно. Именно здесь появляется FRL – Fixed Rate Link, ключевая технология стандарта HDMI 2.1.

Что такое FRL

FRL (Fixed Rate Link) – это новый режим передачи данных, внедрённый в HDMI 2.1. Важно понимать, что FRL – это не улучшенный TMDS и не его ускоренная версия. Это принципиально иной подход к передаче данных, в котором HDMI перестаёт быть «пиксельно-синхронным» интерфейсом и начинает работать как высокоскоростной цифровой канал. Это, если так можно сказать, другая философия передачи сигнала. Технология, которая полностью отказывается от тактового канала и меняет саму логику работы интерфейса.

В отличие от TMDS, FRL не использует отдельный тактовый канал. Передача данных происходит пакетами на фиксированных скоростях по нескольким линиям. Изображение больше не диктует жёсткую частоту сигнала – видеопоток упаковывается в данные и передаётся с учётом доступной полосы пропускания. Такой подход делает систему гораздо более гибкой и масштабируемой.

Именно благодаря FRL HDMI 2.1 получил кратный рост пропускной способности – до 48 Гбит/с. Но важнее не сами цифры, а то, как они используются. FRL позволяет передавать 4K при 120 Гц, 8K при 60 Гц и промежуточные форматы вроде 5K без нестандартных таймингов и ухищрений. Цветовые форматы RGB и YCbCr 4:4:4, глубина 10 и 12 бит, расширенные HDR – всё это перестаёт быть «режимом на грани» и становится штатной возможностью интерфейса.

Принцип работы FRL

Вместо жёсткой привязки к пиксельной частоте FRL передаёт видеопоток как поток данных, адаптируя его под доступную полосу. Это похоже не на «видеосигнал», а на высокоскоростной цифровой канал, ближе по логике к DisplayPort или сетевым интерфейсам. FRL использует:

• от 3 до 4 линий передачи данных
• фиксированные скорости на каждой линии
• пакетную передачу данных

Кроме того, FRL стал основой для функций, которые сегодня считаются обязательными для игровых устройств. Переменная частота обновления, автоматический режим низкой задержки, быстрые переключения кадров – всё это требует гибкого управления потоком данных, невозможного в рамках TMDS. Старый способ передачи просто не предусматривал таких сценариев.

Отдельного внимания заслуживает связка FRL с Display Stream Compression. DSC позволяет дополнительно сжимать видеопоток без видимых потерь качества, что даёт HDMI 2.1 запас прочности для экстремальных режимов вроде 8K с высокой частотой или будущих форматов, которые ещё только появляются на рынке. Важно, что такое сжатие работает на уровне передачи данных и не ломает саму архитектуру интерфейса – ещё одно преимущество подхода FRL.

Пропускная способность FRL и две системы обозначения

И тут, как и ранее это бывало, у HDMI снова путаница. Начиная с HDMI 2.1 ввели один физический механизм передачи данных – FRL (Fixed Rate Link), но у него две параллельные схемы обозначений:

1. FRL3 / FRL4 / FRL5 / FRL6 – это официальные уровни FRL из спецификации HDMI. Такое обозначение описывает сколько линий для передачи данных используется. Однако, это наименование не дает понимания о пропускной способности, а ведь именно она играет главную роль.

• FRL3 → 3 линии по 6 Гбит/с
• FRL4 → 4 линии по 6 Гбит/с
• FRL5 → 4 линии по 8 Гбит/с
• FRL6 → 4 линии по 12 Гбит/с

Это инженерная классификация, которой оперируют производители чипов, кабелей и спецификации HDMI.

2. FRL 18G / 24G / 32G / 40G / 48G / 80G / 96G – а это уже агрегированная пропускная способность, и именно такое обозначение четко указывает, сколько данных проходит в сумме, в Гбит/с.

Таким образом:

• FRL3 = FRL 18G (3*6=18)
• FRL4 = FRL 24G (4*6=24)
• FRL5 = FRL 32G (4*8=32)
• FRL6 = FRL 48G (4*12=48)

Будем надеяться, что разработчики все же придут к какому-то единому стандарту. 

Ограничения частоты для стандартных разрешений

Чтобы понять в чем же конкретные преимущества перехода на FRL, обратимся таблице в которой показано, как возрастает максимальная частота обновления. Эта характеристика важна не меньше, чем разрешение, а может и больше. Дело в том, что производители оборудования и контента, по сути, уперлись в разрешение 8K. Для повседневного использование оно слишком избыточно, контента 8K очень мало, а техника с его поддержкой стоит слишком дорого. А вот рост частоты обновления, наоборот, выглядит крайне востребованным, особенно в гейминге и компьютерной среде. Именно оттуда к нам пришли видеокарты и мониторы с поддержкой 4K 120Hz, 144Hz и выше, и возрастающий спрос на них.   

  0–59 Hz

  60–119 Hz

  120–239 Hz

  240+ Hz

FRL 9G – это 1 линия × 9 Гбит/с и в реальных устройствах почти не используется, но возможен как расчетный режим.

FRL 40G – это не отдельный уровень HDMI FRL, а практический лимит некоторых реализаций:

• часть телевизоров и кабелей ограничены ~40 Гбит/с
• особенно ранние HDMI 2.1 (есть такие устройства и у нас: Dr.HD MA 228

FRL 80G и 96G – это расширенные теоретические режимы, которые используются в расчётах, и выходят за рамки массового HDMI 2.1. По всей видимости, это станет доступно с развитием стандарта HDMI 2.2 и далее.

Обратите внимание

Как мы с вами знаем (если не в курсе, читайте нашу статью Эволюция с препятствиями: технические и маркетинговые проблемы стандарта HDMI), с развитием стандарта HDMI возникало множество нюансов, которые вводили потребителей в заблуждение: путаница с версиями, проблема с сертификацией кабелей, проблемы совместимости и прочее. Так вот и здесь тоже возникает одна из ловушек современного рынка. Наличие порта HDMI 2.1 не гарантирует использование FRL. Производитель может реализовать интерфейс формально по спецификации, но ограничиться режимами TMDS с пропускной способностью 18 Гбит/с. В таком случае пользователь получает «HDMI 2.1 на бумаге», но без 4K/120, VRR и других ключевых возможностей. Это ещё раз подчёркивает, что решающим фактором является не номер версии, а конкретный режим передачи данных.

Заключение

Если попытаться подытожить, TMDS и FRL отражают две разные эпохи HDMI. TMDS – это технология, идеально подходившая для своего времени, но достигшая физического предела. FRL – это переход HDMI на уровень универсального высокоскоростного интерфейса, способного развиваться дальше без постоянных компромиссов. Именно эта смена сделала возможным всё то, что сегодня ассоциируется с HDMI, и именно она определяет, насколько «современным» на самом деле является конкретный порт или устройство.