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MHL 1 - 3

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Abb. 1.01: Logo MHL
Abb. 1.01: Logo MHL [1]

MHL ist ein Standard zur kabelgebundenen Übertragung von unkomprimierten hochaufgelösten Video- und Audiosignalen von einem mobilen Gerät (Tablet, Mobiltelefon, ...) auf ein Display. Gleichzeitig kann das Mobilgerät mit hohem Strom betrieben bzw. geladen werden.
MHL-Verbindungen sind mechanisch und elektrisch auf die Verwendung von mobilen Geräten an stationären HD-Displays hin optimiert. Die Steckverbinder am mobilen Gerät ist klein und leicht und benötigen nur fünf Kontakte. Das Verbindungskabel ist dünn und flexibel. Da MHL auf HDMI aufbaut, ist es zu vielen HDMI-Eigenschaften voll kompatibel und lässt sich somit einfach in bestehende Konzepte implementieren.

2. Varianten

2.1 MHL-1 und MHL-2

Die erste Spezifikation von MHL erfolgte 2010 durch das MHL-Konsortium (damals bestehend aus Nokia, Samsung, Silicon Image, Sony und Toshiba). Erste Produkte (Mobiltelefone) erschienen 2011. MHL-1 erlaubte die Übertragung von HDCP-geschützten Videos bis 1080p (Full HD) und bis zu 8 Audiokanälen (z.B. 7.1 Surround Sound). Der maximale Ladestrom von ursprünglich 5V/500mA wurde mit der Spezifikation von MHL-2 auf 5V/900mA erhöht.
Eine integrierte Fernbedienungsfunktion erlaubt es, das Mobilgerät mit der Fernbedienung des TV-Gerätes zu bedienen.

2.2 MHL-3

Die 2013 veröffentlichte Spezifikation von MHL-3 erweiterte die AV-Fähigkeiten von MHL bis in den UHD-1 (Ultra High Definition-) Bereich von 3840 x 2160 Pixel bei 30 Hz. Der maximale Ladestrom wurde nochmals, auf 5V/2A, erhöht.
Die Fernbedienungsfunktion wurde mit zusätzlichen Befehlen erweitert. Ein HID- (Human Interface Device-) Interface erlaubt den Anschluss von Touchscreens, Mäusen oder Tastaturen.
Als Surround Sound-Verfahren kommen Dolby TrueHD und DTS-HD hinzu.

2.3 superMHL

Im Januar 2015 kündigte das MHL-Konsortium die Spezifikationen für die nächste Generation der MHL-Technologie an: superMHL. Dieses neue Übertragungmedium wird in einem separaten Artikel beschrieben werden.

Tabelle 1: Die MHL-Varianten im Vergleich
Tabelle 1: Die MHL-Varianten im Vergleich

MHD-3 ist rückkompatibel zu MHL-1 und MHL-2. Für MHL-1 bis MHL-3 sind keine Verbindungsstecker spezifiziert. Üblich waren bislang Micro-USB für das Mobilgerät und HDMI Typ A für das Display.
Zunehmend werden Mobilgeräte jedoch mit dem USB Type-C Verbinder ausgestattet. Über USB Type-C (Link auf Kapitel) können dann Geräte nach dem USB 3.1 Gen. 2 Standard angeschlossen werden. Mittels der Protokolle für Alternative USB-Verbindungen können dann auch die Vorteile der USB Power Delivery 2 (USB PD 2) genutzt werden.

3. Technische Beschreibung

Eine MHL-Verbindung besteht aus fünf Leitungen, bzw. fünf Kontakten. Zwei davon übertragen das Video-, Audio- und Clocksignal (bei MHL 1 und MHL 2). Eine Leitung (VBUS) dient zum Laden des mobilen Gerätes, der MHL-Quelle. Eine Leitung CBUS wird für die Kommunikation zwischen Quelle und Senke (Empfänger) verwendet. Die fünfte Verbindung ist Signalmasse, Referenz und Minusleiter des VBUS.

Abb. 3.01: Kontaktbelegung MHL-Verbinder

3.1 Übertragung des Video- Audio- und Clocksignals

Abb. 3.01: HDMI Typ A-Buchsen als MHL-Eingänge eines Smart-TVs
Abb. 3.01: HDMI Typ A-Buchsen (2 u. 4) als MHL-Eingänge eines Smart-TVs

Das MHL-Übertragungsverfahren basiert wie HDMI und DVI auf TMDS (Transition Minimized Differential Signaling), einem Standard, der in der Unterhaltungselektronik und in der IT weit verbreitet ist. TMDS zeichnet sich durch eine geringe Störstrahlung und hohe Übertragungsqualität aus. Die enge technologische Verwandtschaft mit HDMI ermöglicht eine direkte Umwandlung von MHL nach HDMI und umgekehrt mittels Adapter, innerhalb eines TV-Gerätes oder in einem Mobil-Gerät.

Grundprinzip

Das Übertragungsprinzip bei HDMI beruht auf der Übertragung des RGB-Farbsignals und des Audiosignals auf drei (bei Einberechnung des Clocksignals sogar vier) Leitungspaaren (= TMDS-Kanäle). Bei MHL steht jedoch nur ein TMDS-Kanal zur Verfügung. In der MHL-Quelle werden daher das RGB-Eingangssignal und das Audiosignal zunächst paketiert. Ein Multiplexer fügt die Datenpakete zu einem Zeitmultiplex-Stream (MHL 1-2: 2,225 GBit/s, MHL 3: 6 GBit/s) aneinander. Anschließend wird dem MHL 1-2-Stream ein 74 MHz-Clocksignal überlagert (bei MHL 3 wird das Clocksignal separat auf dem CBUS übertragen).
In der Senke (Empfänger/Display) wird der TMDS-Zeitmultiplex zunächst dekodiert. Dann wird das Clocksignal wiedergewonnen. Mit dem Clocksignal kann ein Demultiplexer den Zeitmultiplex in vier Einzelstreams zerlegen.

Abb. 3.02: Prinzip der Datenübertragung bei MHL 1 und MHL
Abb. 3.02: Prinzip der Datenübertragung bei MHL 1 und MHL 2
Übertragung über eine MHL/HDMI-Bridge

Eine typische MHL-Umgebung besteht aus vier Blöcken:
Im Mobilgerät befindet sich ein Signalprozessor, in Abb. 3.03 als AV Media Prozessor gekennzeichnet, dessen MPEG-Dekoder ein digitales Audiosignal (I2S) und ein unkomprimiertes, digitales Videosignal (RGB/YCbCr) liefert.

Im zweiten Block, dem MHL-Transmitter, werden beide Signale separat "gecaptured", d.h. in ein für die weitere Verarbeitung geeignetes Format paketiert. Anschließend wird das Videosignal gegebenenfalls in den RGB-Farbraum konvertiert. Um einen Kopierschutz nach HDCP 1.4 bzw. HDCP 2.2 zu gewährleisten, verfügt der MHL-Transmitterbaustein über einen geheimen HDCP-Schlüsselsatz (Keys). In entsprechenden logischen Schaltungen werden das Audio- und das Videosignal mit einem der Schlüssel verknüpft, um dann paketweise nacheinander zusammen mit einem Clocksignal im Zeitmultiplex vom MHL-Transmitterkern über einen TMDS-Kanal zur MHL-HDMI-Bridge im Display (oder auch in einem Adapter) übertragen zu werden.
Der physische TMDS-Kanal besteht aus einer einzelnen Twisted Pair-Verbindung auf der das Signal symmetrisch übertragen wird.

Abb. 3.03: Prinzipbild einer MHL-Verbindung über eine MHL/HDMI-Bridge
Abb. 3.03: Prinzipbild einer MHL-Verbindung über eine MHL/HDMI-Bridge

Wie es der Name MHL-HDMI-Bridge schon aussagt, hat der dritte Block in der MHL-Umgebung die Funktion einer Brücke: er ist eine Schnittstelle zwischen der MHL- und der HDMI-Welt. Das MHL-Zeitmultiplexsignal wird in ein vierkanaliges HDMI-Signal transkodiert, welches von jedem Standard-HDMI-Receiver in einem LCD-TV, Beamer oder Monitor weiterverarbeitet werden kann. Jeder dieser Kanäle ist ebenfalls ein physischer TMDS-Kanal. Drei Kanäle (Tx0±, Tx1±, Tx3±) übertragen jeder in einem Multiplex abwechselnd eine Grundfarbe des Videosignals und ein Paket Audiosignal. Kanal TxC± ist das Pixelclocksignal.

Der vierte Block ist einer von mehreren HDMI-Receivern, über die praktisch jedes neuere Display wie TV-Gerät, Beamer oder Monitor verfügen (das Gerät in Abb. 3.01 hat derer vier). Im HDMI-Receiver werden Bild und Ton voneinander getrennt und die HDCP-Verschlüsselung entfernt.

Durch die Verwendung der MHL-HDMI-Bridge erscheint die MHD-Quelle dem HDMI-Receiver wie eine HDMI-Quelle.
Eine MHL-HDMI-Bridge ist auch das Herzstück eines separaten MHL-HDMI-Adapters. Um zu einer vollwertigen MHL-Schnittstelle zu werden, benötigt so ein Adapter zusätzlich eine externe Stromquelle um den spezifizierten Ladestrom an die MHL-Quelle liefern zu können.

3.2 Der CBUS (Control Bus)

Der CBUS ist ein bidirektionaler Einleiter-Kontrollkanal mit einer Datenrate von 1 MBit/s bei MHL-1 und MHL-2. Bei MHL-3 können bis zu 75 Mbit/s übertragen werden, unter Verwendung differentieller Signalübertragung sogar 750 MBit/s.

Der MHL-CBUS erfüllt mit nur einem Leiter die Funktionen des HDMI-DDC-Bus, des HDMI-CEC-Bus, der HDMI-Hot-Plug-Verbindung und stellt mit dem MSC (MHL Sideband Channel) zahlreiche Benutzerfunktionen bereit. Bei der Übertragung von UHD-Video (nur MHL-3) wird über diesen Bus der Pixelclock übertragen, was die TMDS-Verbindung an Datenvolumen entlastet.

3.2.1 Emulation des DDC-Busses

Bevor eine Videoquelle per TMDS ein AV-Signal an einen HDMI-Empfänger senden kann, muss zuvor zwischen beiden über einen Kontrollbus eine Kommunikation stattfinden, in der bestimmte Parameter ausgetauscht werden. Zwischen zwei HDMI-Geräten übernimmt dies ein I2C-Bus mit zwei Leitungen (Data und Clock). In einer MHL-HDMI-Verbindung wird dieser Bus mit den CBUS praktisch emuliert.

Dadurch, dass sich beim Verbinden zweier Geräte die Impedanz auf den Bus ändert, kann die MHL-Quelle die Verbindung und den Typ des angeschlossenen MHL/HDMI-Empfängers detektieren und dann den Typ (Display, HDMI-Switch, Repeater usw.) identifizieren. Dieses entspricht der Funktion des DDC-Busses (Display Data Channel = DSDA und DSDC) einer HDMI-Verbindung.
Über den DDC-Bus kann eine MHL- oder HDMI-Quelle das EDID-ROM im HDMI-Empfänger auslesen. Das EDID-ROM ist meist ein (schreibgeschütztes) EEPROM direkt am HDMI-Eingang. In dem EEPROM sind u. a. alle Bildauflösungen und Refresh-Raten aufgelistet, die das Display darstellen kann. Gammawerte und Farbraumwerte lassen die HDMI-Quelle ihr Videoausgangssignal optimal an die Eigenschaften des Displays anpassen. Daneben sind im EDID-EEPROM auch Typenbezeichnung und Seriennummer der Displays gespeichert, die eine eindeutige Identifikation des Displays in Multidisplay-Systemen ermöglicht. Die Angabe der Latenzzeit zwischen Audio- und Videosignalverarbeitung erweitern die Angaben.
Ehe Videodaten über eine HDCP-geschützte Verbindung übertragen werden, initiiert der MHL-Transmitter über den CBUS und den DDC-Bus einen Authentifizierungsprozess. Durch einen Schlüsselaustausch mit dem HDMI-Receiver im Display/TV versichert sich der Transmitter, dass der angeschlossene MHL-Receiver die Videosignale empfangen darf. Hierzu hat, wie bereits zuvor beschrieben, jeder MHL-Transmitter und HDMI-Receiver eine Anzahl von einzigartigen, geheimen Schlüsseln (HDCP KEYS) in einem (EE)PROM gespeichert.

3.2.2 MHL Sideband Channel (MSC)

Der Sideband Channel, der Teil des VBUS-Protokolls ist, ermöglicht eine Reihe von Benutzerfunktionen, die die Nutzbarkeit des Mobilteils erweitern können.

Emulation des CEC-Busses

Der CEC- (Consumer Electronics Control-) soll die automatische Steuerung von Geräten in Systemen mit HDMI-Interface vereinfachen. Ziel ist es, dass die Geräte im System einander automatisch erkennen und miteinander kommunizieren können. Dadurch lassen sich dann auch alle Geräte im System über nur eine einzige Fernbedienung  oder ein Nahbedienfeld steuern. Neben den in den HDMI-Spezifikationen festgelegten Basis-Codes haben viele CE-Hersteller etliche zusätzliche Funktionen in ihre CEC-tauglichen Geräte eingebaut. Diese produktbezogenen Codes sind zwangsläufig proprietär und können zu Geräten anderer Hersteller inkompatibel sein.

Die Spezifikationen des MHL-CBUS geben über 80 festgelegte Fernbedienungscodes (RPC-Codes) vor, die jeder Hersteller von MHL-fähigen Geräten zu implementieren hat. Hierdurch werden MHL-taugliche Geräte garantiert interoperabel und somit ist es z.B. möglich mit einer Sony TV-Fernbedienung den Mediaplayer auf einem Samsung Smartphone zu bedienen.

UCP (Universal Computer Protocol)

MHL-2 und MHL-3 unterstützen einen Mechanismus mit dem über den MSC Kurztexte im UTF-8-Character Code vom Mobilteil zum Empfänger, z.B. einem TV, übertragen werden können. Der Empfänger blendet den Text auf dem Bildschirm ein.

HID (Human Interface Device)

Zu der Klasse der Human Interface Devices gehören neben den klassischen Eingabegeräten wie Mäuse, Tastaturen und Gamecontroller auch Touchscreens, z.B. in einer Autokonsole. So können beispielweise Smartphone-Funktionen wie Mediaplayer oder GPS mit verwendet werden.

3.3 Der VBUS (Voltage Bus)

Um den steigenden Energiebedarf moderner Smartphones und Tablets zu decken, sind in den Spezifikationen von MHL-2 (5V/900mA) und MHL-3 (5V/900mA - 2A) wesentlich höhere Ladestrome als bei MHL-1 bzw. USB (500mA) vorgesehen. Hierdurch können Mobilgeräte ständig betrieben werden und sogar den Akku während des Betriebes nachladen.

Übertragen wird der Ladestrom im MHL-Verbinder von zwei den Leitern VBUS und Masse (GND). Beide bilden zusammen den sog. Voltage Bus.

4. Betriebsmodi

4.1 Erkennung und Umschaltung zwischen USB- und MHL-Modus

Obwohl ein MHL-Anschluss ausschließlich für den MHL-Betrieb ausgelegt werden kann, erlaubt es der MHL-Standard den Anschluss auch mit anderen Schnittstellen zu belegen. Der typische Anschluss einer MHL-Quelle ist daher mit der MicroUSB-Buchse ausgestattet, die auch einen USB 2.0-Betrieb gestattet. Damit eine MHL-Quelle den Anschluss eines MHL-Empfängers von einem USB-Gerät voneinander unterscheiden kann, wird der Pin 4 (CBUS_ID) der MHL-Verbindung über eine Impedanz kodiert. Die Kodierwiderstände befinden sich in den anschließbaren Geräten. Je nach Geräteklasse (USB-Gerät, Ladegeräte, Kopfhörer, MHL-Empfänger, ...) haben die Kodierwiderstände unterschiedliche Werte.
Die CBUS_ID-Leitung wird in der MHL-Quelle mit einem Pull-up-Widerstand RP auf einen positiven Pegel gelegt.Wird ein Gerät an die MHL-Quelle angeschlossen, bildet der Kodierwiderstand RID mit RP einen Spannungsteiler. Proportional dem Teilerverhältnis verringert sich der Pegel von CBUS_ID. Mit einem 5-Bit Analog-Digitalwandler (ADC) wird CBUS_ID ausgewertet. Mit den Schaltspannungen SW_1 und SW_2 können nun entweder MHL+ und MHL- oder USB_D+ und USB_D- auf den Verbinder geschaltet werden.
Weitere Pull-up-Wiederstände auf den Datenleitungen können im USB-Betrieb die Höhe der Übertragungsgeschwindigkeit signalisieren (siehe Artikel "USB"). Die gesamte Kommunikation im USB-Modus wird von einem eigenen USB-Subsystem durchgeführt.

Abb. 4.01: Prinzipbild Erkennung und Umschaltung zwischen MHL- und USB-Betrieb einer MHL-Quelle. Hier in der Stellung MHL.
Abb. 4.01: Prinzipbild Erkennung und Umschaltung zwischen MHL- und USB-Betrieb einer MHL-Quelle. Hier in der Stellung MHL.

4.2 Ladebetrieb

Die Ladung der im Mobilgerät eingebauten Akkus und die Versorgung des Geräts durch den MHL-Empfänger kann parallel zur Übertragung des AV-Streams erfolgen, da der Lade- und Versorgungsstrom über den separaten Voltage Bus (VBUS und GND) fließt. Eine gegenseitige Beeinflussung von Signalübertragung und Betriebsstrom kann somit nicht auftreten.

Abhängig von den im Mobilgerät eingebauten Akkus sind spezialisierte Ladeverfahren notwendig. Diese sind wiederum abhängig vom Typ des Ladegerätes. Über den bereits erwähnten Kodierwiderstand auf der DBUS_ID-Leitung (MicroUSB Pin 4) ist daher auch eine Unterscheidung zwischen mehreren Typen von Ladegeräten/Stromquellen und deren Ladeverfahren möglich.

 

5. MHL-Verbindungen über USB Typ-C-Verbinder

MHL-Verbindungen können über mehrere Verbindertypen/Verbindungskabel hergestellt werden:

Aufgrund der unterschiedlichen Konstruktionen der Verbinder und der unterschiedlichen Anzahl und Ausführung der Leiter in den Kabeln sind nicht alle Verbindungen gleichwertig.
Alle Verbindungskabel müssen elektronisch markiert sein, damit der USB-C-Portprozessor in der Quelle den Kabeltyp und den USB-Port des anderen Gerätes identifizieren kann.  Nach der Identifikation wird der USB Type-C-Port konfiguriert und ggf. eine alternative USB-Verbindung aufgebaut. Als alternative USB-Modi werden Nicht-USB-Protokolle bezeichnet, die aber über eine USB Type-C-Verbindung übertragen werden können.

MHL-Quelle mit USB Type-C und MHL-Senke mit HDMI Type A-Verbinder
Abb. 5.01: Alternativer Modus MHL (Single Lane) über HDMI Type A-Verbinder

USB Typ-C / HDMI Type A-Kabel müssen elektronisch markiert sein. Beim Einstecken des Kabels in den Host/Quelle kann dieser so den Kabeltyp, den Verbindungstyp und die Orientierung des Steckers (wichtig, da das Kabel asymmetrisch ist) erkennen. Die Versorgung des Chips im Kabelstecker erfolgt über die VCONN aus der Quelle. Gleichzeitig können aber die Akkus in der Quelle aus der Senke über den VBUS geladen werden. Je nach Blickwinkel sind beide Geräte mal Quelle und mal Senke. Da MHD in Kombination mit HDMI Type A-Stecker mit nur einer TMDS-Lane ausgelegt ist, wird maximal eine MHD-3-Verbindung (Auflösung max. 3840x2160 Pixel / 30 Vollbilder/s (= UHD-1)) unterstützt.

Abb. 5.02: Pinbelegung MHL-Source mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 5.02: Pinbelegung MHL-Source mit USB Type-C-Verbinder
MHL-Quelle und MHL-Senke mit USB Type-C-Verbinder
Abb. 5.03: MHL-Quelle und MHL-Senke mit USB Type-C-Verbinder über ein USB Type-C-Kabel verbunden
Abb. 5.03: MHL-Quelle und MHL-Senke mit USB Type-C-Verbinder über ein USB Type-C-Kabel verbunden

Alternative Verbindungen über ein elektronisch markiertes USB Type-C/USB Type-C-Kabel (sog. Full Featured Cable) können bis zu vier TMDS-Lanes unterstützen. Da MHL aber nur über eine TMDS-Lane verfügt, wird maximal eine MHD-3-Verbindung (Auflösung max. 3840x2160 Pixel / 30 Vollbilder/s (= UHD-1)) unterstützt.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Das MHL Logo ist ein geschütztes Warenzeichen des MHL Consortiums
     Quelle: www.mhlconsortium.org/

 

Weblinks

1. MHL-3 White Papers (Registrierung notwendig)

2. MHL Kurzbeschreibung v. Silicon Image

3. Vorstellung (Interview) von MHL während einer Messe 2011 (englisch): https://www.youtube.com/watch?v=aSmbfcOq3o8

4. Datenblatt SiI 9290 (MHL Bridge) 

5. Datenblatt SiI 9222 (MHL Transmitter) 

 

 

Zuletzt bearbeitet am 11. Juli 2016

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