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모든 규격을 통합할 표준: HDMI를 추가한 USB 타입-C (1)

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글/폴 피커링(Paul Pickering), 프리랜서 테크니컬 라이터

C형 USB 커넥터는 미래의 많은 노트북과 스마트폰에서 유일한 데이터 포트가 될 만한 잠재력이 있지만 USB만 사용하는 이런 장치들은 미래에도 모니터, TV 등 USB를 사용하지 않는 장치들에 접속해야 할 것이다. 핀 기능 전환, ESD 등 외부에서 발생하는 과도 작동으로부터 보호, 신호 품질 유지 등 USB와 기타 고속 전송 형식 간 데이터를 커넥터 1개만으로 교환하도록 설계하는 일은 난제이다. C형 USB 표준은 AM(대체 모드) 작동 방식을 정의하여 이러한 문제를 해결한다. 핀 기능이 대폭 변경되어 비 USB 데이터 프로토콜을 사용할 수 있기 때문이다.
본 글에서는 C형 USB 커넥터가 HDMI 및 기타 비 USB 형식으로 스트리밍할 수 있도록 허용하는 다양한 표준을 살펴보고 HDMI의 AM 능력을 C형 USB 인터페이스에 추가하도록 설계하는 데 필요한 주요 고려 사항을 제시하겠다.
USB 사양의 개요
HDMI 포럼은 C형 USB가 대체 모드에서 구동하도록 표준을 제정한다. 포럼이 2016년에 발표한 최신 USB 표준은 다음과 같이 3개 부분으로 구성된다.

C형 USB 커넥터 사양

C형 USB 커넥터 사양은 우리에게 친근한 A형 및 B형 USB와 비교해서 큰 변화가 있다. 일반 사용자 입장에서는 다음 2가지 변화가 두드러진다.
• C형 USB는 크기가 8.3mm x 2.5mm로 A형과 B형보다 훨씬 작지만 4핀에 불과한 기존 제품보다 훨씬 많은 24핀 방식으로 설계되었다.
• C형 USB는 어떤 방향으로 삽입되더라도 작동한다. 이러한 특징을 구현하기 위해 커넥터 핀들은 대칭으로 배치되었다. 즉 어떠한 행의 핀들이 위로 향하더라도 모든 신호들의 상대적 위치는 동일하다.
C형 USB 사양은 D+/D- 및 VBUS/GND 핀을 통해 레거시 USB 2.0 시스템과 통신할 수 있다. 다른 2개 사양에서 정의하는 새로운 기능(대체 모드 포함)에 필요한 핀들도 포함되었다. 그림 1은 C형 커넥터의 표준 및 AM 매핑 방식을 설명한 것이다.
USB 3.1 사양
USB 3.1 사양에서는 USB의 전기적 성능이 향상되었으며 데이터 전송률도 최대 10Gbps로 향상되었다(SuperSpeed+). 이런 성능을 구현하려면 고속 데이터 전용의 차동 TX 및 RX 페어가 2개 필요하다. 기준 전력 전송 능력도 5V(150mA)로 향상되었다.

USB 전력 전송 사양

USB PD(USB 전력 전송 사양)는 대체 모드 작동을 정의하지만 전송할 수 있는 전력을 100W까지 향상시키며 선택할 수 있는 전력 전송 옵션의 범위가 대폭 확대되었다. USB PD에 능동 C형 USB 케이블을 함께 사용하면 두 소자 사이에서 양방향으로 전력 흐름이 증가한다. 그 결과 C형 구성 채널(CC) 핀으로 운반되는 통신 채널을 통해 전력 흐름의 방향이 실시간으로 반전될 수 있다.
3가지 사양을 구분해서 설명했지만 HDMI 규격을 포함하는 USB 시스템은 C형 USB와 USB PD 사양을 모두 지원해야 한다. 또한 리매핑한 개별 핀은 이에 상응하는 HDMI 1.4 기능에 필요한 데이터 전송률을 지원해야 한다.
HDMI 1.4 데이터 전송률
HDMI 1.4 버전은 다음처럼 4개 속도에서 작동하는 데이터 채널 6개를 포함한다.
• HDMI 이더넷 및 오디오 리턴 채널(HEAC): 고속 양방향 데이터 통신 채널. 100Base-TX(100Mbps) 이더넷 지원. HEAC는 IEC 60958-1을 준수하는 스트리밍 음성 요소를 포함한다.
• TMDS(변화 최소화 차분 신호): 영상 및 데이터를 고속으로 전송하는 3개 차동 채널. HDMI 1.4 버전의 최대 처리량은 10.2Gbps 또는 채널당 3.4Gb이다.
• DDC(디스플레이 데이터 채널): 업계 표준 I2C 프로토콜을 기초로 하는 표준 100kbps 속도의 통신 채널. 지원되는 음성/영상 형식을 소스 장치가 식별할 수 있다.
• CEC(소비자 가전 제어): 사용자가 호환 가능한 장치 최대 15개까지 제어할 수 있는 저속 채널. CENELEC EN 50157-1을 준수한다...(중략)