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2010-12-24 00:49:23
自數位電視問世以來， HDMI 標準憑藉為大螢幕HD顯示器服務的本領，在該領域牢牢扎根。如今，藍光技術、電漿、 LCD 和 LED 電視，還有新推出的 3D 顯示再一次推動了多媒體消費技術的進展。
現在市場中大多數可攜設備還不能針對大螢幕處理和播放高解析內容。但超級智慧手機、搭載最新應用處理器的平板裝置(Tablet)和各種高解析多媒體應用等新型手持設備的推出，卻帶動了新的多媒體消費性產品模式。如今的終端用戶已經習慣在大螢幕上觀看高解析內容，故在可攜式設備中整合高解析處理功能，使消費者能夠享受在大螢幕上觀賞高解析內容成為‘必備’而不是‘可有可無’的一項功能。
但實現這一功能需要三個必要條件：支援高解析的可攜設備、播放高解析內容的應用程式，以及將可攜設備與大螢幕相連的選項。而在可攜設備中添加諸多新功能的過程複雜而且昂貴，就算在複雜的技術方面實現突破，新功能對手持設備的電能消耗會也成為很大問題。通常可攜設備的重量和其他因素會限制電池的體積，而更佳的觀看效果只能在犧牲電池續航時間的情況下實現。
什麼是CoolHD技術？
隨著新型消費性電子設備的不斷增多，我們對能源的需求也在日益增加。很多國家開始對設備能源消耗做出規定，而能源的回收和利用也成為一個現實而獨特的解決方案。 CoolHD是由Analogix半導體公司研發的一種技術，它能夠回收被浪費的電能，使其被重新利用來為晶片供電。這意味著 CoolHD 技術在將高解析多媒體內容顯示到數位電視時，不需要從可攜設備電池中攝取電能，即實現了零功耗。在這一過程中，這一獨特技術能夠延長可攜設備電池壽命，成長設備續航時間，減少充電次數，因此提高設備了使用效率，為終端用戶帶來更長時間和更好的使用效果。
要完全瞭解 CoolHD 技術與其優勢，我們需要先明白兩個音視訊設備之間的基本電子連接原理。除了無線設備，任何兩個音視訊設備之間的連接需要透過纜線來傳輸多媒體數據，這個纜線連接被稱為‘DC Couple’(直流耦合)或‘AC Couple’(交流耦合)。對多媒體連接來說，音視訊設備負責輸出數據的是‘源端’或‘發送端’，而接收數據設備則是‘終端’或‘接收端’。
圖 1 每 源端與終端之間的直流耦合連接
在直流耦合連接中(見圖1)，源端與終端音視訊設備的纜線連接中沒有被動元件阻擋DC電流。圖中的電晶體直流耦合連接未顯示半導體設備兩端其他的驅動電晶體。接收端的終端電阻提供兩端所需的上拉電壓。源端設備在連接中與終端設備溝通需要其自己的電源。同樣，終端設備接收源端設備出來的數據也需要其自己的電源。這樣，電流在纜線中直接流通使得兩個音視訊設備傳輸所需數據。最重要的是在直流耦合連接兩端的電晶體需要能夠承受並轉換到同樣的電壓。
圖 2 每 源端與終端之間的交流耦合連接
在交流耦合連接中(如圖2)，兩個音視訊設備之間使用的是電容器耦合。電容器阻擋直流電流通過兩個設備，只允許交流電流通過。這樣，設備一端的變動率傳到另外一端，同時阻礙電流直接通過。不像直流耦合連接，交流耦合連接兩端的電晶體不需要有同樣的電壓。
因此，交流耦合能夠使積體電路設備在不同電壓下工作，有助推進積體電路設備向深次微米技術發展的趨勢。另外，深次微米技術中為減少功耗而降低了積體電路設備電壓。電子設備業界為能夠提高功能的相容性和整合度同時降低成本，通常會研發SoC。所以，深次微米技術在提高整合度的同時也降低功耗。與此同時，積體電路設備是不同的製程生產的，因此，互相之間會有電壓差異。交流耦合連接能夠驅動數據在不同電壓的兩個積體電路設備中傳輸。兩端可以互相溝通其電壓變動率定義。但不管是直流耦合還是交流耦合，音視訊設備在互相溝通傳輸數據的過程中，終端和源端都在不停的消耗電能。
高解析互連互通的需求日益增大 HDMI主要是為能夠直接插到牆上電源上取電的消費性電子設備而設計。雖然晶片製造商們一直想提高SoC的功能整合度，而降低功耗對他們來說並不重要。在過去幾年裡可攜式多媒體設備和超智慧手機陸續問世，它們的處理能力接近普通電腦，但它們的小體積和小螢幕成為提供更好用戶體驗的路障。自高解析電視的推出，消費者已經非常適應在大螢幕上欣賞高解析內容。可攜式產品整合高解析內容處理能力帶動了將這些小型設備與大型高解析顯示器連接的需求。
Analogix開發了一種電能回收利用執行構架。HDMI技術在兩個音視訊設備的直流耦合連接這一原理上執行。也就是說，源端或發送器負責輸出高解析內容至終端或接收器。Analogix成功研發了一種創新的直流耦合連接執行方式，該技術能夠回收源端中浪費掉的電能，然後重新加以利用，使得源端無需外接電源。這一技術被稱為CoolHD技術。
CoolHD技術實現電能的回收和利用 往往複雜的技術實施方式可以用很簡單的語言來描述，而在下一代積體電路計設計模式中，這些簡單的描述方式可幫助我們改變其設計規格。為了不過於複雜化本文，我們無需完全瞭解HDMI技術，只需要探討一個系統中兩積體電路設備透過一條纜線連接的直流耦合連接。
CoolHD技術的實現過程如圖3所示，該技術正申請專利。在直流耦合連接中，源端(發送器)和終端(接收器)透過纜線連接，連接中到終端的電能大多變成熱量在終端和連接中散失，並最終透過連接到地被浪費掉。
圖 3 每 CoolHD?技術實施構架框圖
在圖3中，CoolHD發送器透過纜線與標準接收器以直流耦合方式連接。圖中紅線區域中顯示源驅動器到地連接中加入了CoolHD電路。這些CoolHD電路負責在發送器中回收和重新利用電能。啟動電路使用非常小的電流來產生偏壓(見圖3中的G1與G2)。低壓降電壓調節器負責提供不同電壓至源端或終端IC設備。因此只要纜線連接著接收器，這種電能的回收和重新利用就會繼續。
這一技術的創新之處在於源端無需上游供電來工作，源端設備與終端相連接就可以為自己供電。只要源端從上游得到內容就會傳輸給其下游的終端，這樣源端與終端之間的數據傳輸就總在繼續。當終端斷電時，也就是終端不需要從上游得到有效載荷，源端將還原到初始狀態。
CoolHD在可攜式設備的應用
在Analogix的實驗室中，工程師們測量了一款市場中熱賣的一流高解析可攜設備的功耗。這一款可攜設備中整合了應用處理器，能夠處理並輸出從VGA到Full-HD(1,080p)的解析度。我們在測試中將一個同樣的應用處理器中整合了普通HDMI發送器，並在另外一個相同的應用處理器中整合了Analogix的CoolHD HDMI發送器。
一個螢幕的顯示功能被定義為一定的垂直列和水平行數量在一定的刷新率刷新。例如，發送器在60Hz發送VGA解析度。VGA要求有640個直行和480個水準行。為達到60Hz的刷新率，每畫面每秒要刷新60次。640個垂直列和480個水平行縱橫在一起就成為640 x 480的矩陣，矩陣上每個組成元素就是一個螢幕上的畫素。每個畫素最基本的色深是紅、綠和藍色。每個畫素的基本色彩被一系列的數位位元驅動，呈現為螢幕上所顯現的畫素顏色。畫素時脈負責控制電晶體電路組的開和關，因而控制畫素在螢幕上的顯示。因此更高的解析度意味著更高的畫素。也就是說為達到更高的解析度有更多的畫素要被畫素時脈控制。
圖 4 每 手持設備應用處理器中普通HDMI和CoolHD? HDMI源端功耗對比
圖4中顯示了不同解析度的畫素時脈頻率，從VGA到Full-HD。工程師們測試了應用處理器本身的功耗，應用處理器整合普通HDMI發送器後的功耗，和應用處理器整合CoolHD HDMI發送器後的功耗。應用處理器自身功耗是在輸出最低解析度(如VGA)時記錄的，在測試中成為基礎數據。其他功耗數據除以基礎數據得到了最終圖中使用的‘功耗指數’。
從圖4中可見功耗與視訊畫素時脈頻率有直接關係。當顯示的解析度增加，畫素也自然需要增加來支援，同樣，在不斷顯示畫面時，畫素時脈頻率必須增加來處理一個時間段中更高的畫素。這樣提高解析度自然就增加了應用處理器的功耗。高解析多媒體內容需要透過HDMI連接來傳輸，而普通HDMI發送器會增加應用處理器的功耗。一般情況下，HDMI畫素時脈頻率是原始視訊畫素時脈頻率的10倍。我們的測試顯示應用處理器整合了HDMI後的功耗，是應用處理器單獨工作功耗的1.45倍。但整合了Analogix CoolHD HDMI發送器的應用處理器的功耗與應用處理器單獨工作功耗一致，並未添加更多的功耗。因此清楚可見CoolHD HDMI發送器在輸出高解析數據時沒有使用外接電源。
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