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HDMI接口简介
2017-08-02 17:41:07
       随着电视的分辨率逐步提升,高清电视越来越普及,HDMI接口主要就是用于传输高质量、无损耗的数字音视频信号到高清电视, 最高带宽达到5Gbps。

  HDMI:HDMI的英文全称是“High Definition Multimedia Interface”,中文的意思是高清晰度多媒体接口。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽,可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信 号。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换,可以保证最高质量的影音信号传送。HDMI在针脚上和DVI兼容,只是采用了不同的封装。与DVI相 比,HDMI可以传输数字音频信号,并增加了对HDCP的支持,同时提供了更好的DDC可选功能。HDMI支持5Gbps的数据传输率,最远可传输15 米,足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4GB/s,因此HDMI还有很大 余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器,接收器和PRR。此外HDMI支持EDID,DDC2B,因此具有HDMI的设备具有“即插即用”的 特点,信号源和显示设备之间会自动进行“协商”,自动选择最合适的视频/音频格式。应用HDMI的好处是:只需要一条HDMI线,便可以同时传送影音信 号,而不像现在需要多条线材来连接;同时,由于无线进行数/模或者模/数转换,能取得更高的音频和视频传输质量。对消费者而言,HDMI技术不仅能提供清 晰的画质,而且由于音频/视频采用同一电缆,大大简化了家庭影院系统的安装。

  2002年的4月,日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝共7家公司成立了HDMI组织开始制定新的专用于 数字视频/音频传输标准。2002年岁末,高清晰数字多媒体接口(High-definition Digital Multimedia Interface)HDMI 1.0标准颁布。HDMI在针脚上和DVI兼容,只是采用了不同的封装。与DVI相比,HDMI可以传输数字音频信号,并增加了对HDCP的支持,同时提 供了更好的DDC可选功能。HDMI支持5Gbps的数据传输率,最远可传输15米,足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一个 1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4GB/s,因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器,接收器和PRR。 此外HDMI支持EDID、DDC2B,因此具有HDMI的设备具有“即插即用”的特点,信号源和显示设备之间会自动进行“协商”,自动选择最合适的视频 /音频格式。 
  美国FCC 规定2005 年7 月1 日起,所有数字电视周边产品都必须内建HDMI或DVI。

       起源

  说起显示设备,很多人都会在第一时间想起电视机和电脑显示器这些在生活中随处可见的设备。的确,随着人类社会的不断 进步,各种显示设备已经在人类社会中发挥了巨大的作用,无论是在工业生产的第一线,还是在家庭休闲娱乐的时刻,人们都希望能看到清晰、流畅的影像。而对于 显示设备来说,要想显示出丰富多彩的高分辨率画面,除了高质量的信号源,还需要一个高性能的信号传输、接收装置,也就是我们常说的信号接口。打个比方,我 们可以把影像信号看成装满了货物的汽车,那么传输影像信号的装置就是让汽车行驶的公路(信号接口的带宽就如同公路的通行能力)。人们为了提高影像的清晰 度,不停的在增加公路上行驶的汽车数量(以装载更多的数据量),而要保证汽车不会发生拥堵,将公路升级改造为通行量更大、更宽的高速公路,就是一个必不可 少的手段。

  在过去的相当一段时间内,以CRT为代表的模拟显示设备占据了整个显示设备中的绝大多数。由于生产工艺的限 制,CRT显示设备的尺寸普遍较小,分辨率也不是特别高。同时从信号的数据量来看,也不是特别巨大,因此兼容性强、而成本低廉的各种模拟接口得到了广泛应 用,比如很多人都熟悉的AV接口、S端子、色差端子和VGA接口。

  进入21世纪后,随着液晶电视、等离子电视等大尺寸数字化平板显示设备的普及,以及高清电视格式 (720p/1080i/1080p)的确定,传统模拟接口的带宽已经已经不能满足海量数据流传输的需要,也不符合数字化的潮流。因此,传输速度更快的全 数字化接口势必会成为传统模拟接口的终结者。

  除了数据传输能力的限制,另一个影响到模拟接口继续使用的因素来自好莱坞的影视出版商们。由于模拟接口不具备任何防 盗版能力,因此盗版影片、电视剧的横行给他们造成了巨大的经济损失。根据美国影协的统计,仅2005年,因为盗版问题好莱坞的几个主要电影制片厂就损失了 近61亿美元。如果算上电视剧等方面,这个数字会更加惊人,因此,具有版权保护功能的数字接口也得到了好莱坞方面的热烈欢迎。

  当然,数字接口只是一个比较笼统的称谓,只要是传输“0”和“1”数字信号的接口,都可以看成是数字接口。比如常见 的USB接口,就是一种纯正的数字接口,但是很显然,现在并没有多少设备在用USB接口作为视频信号传输的方式。所以,打造出适合影像传输的专用型数字化 接口就显得非常重要。

  HDMI的全称是“High Definition Multimedia Interface高清多媒体接口”。2002年4月,来自电子电器行业的7家公司——日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝共同组建了HDMI高清多媒体接口接口组织HDMI Founders(HDMI论坛),开始着手制定一种符合高清时代标准的全新数字化视频/音频接口技术。经过半年多时间的准备工作,HDMI founders在2002年12月9日正式发布了HDMI 1.0版标准,标志着HDMI技术正式进入历史舞台。

  HDMI技术的推出,并不是这些厂家一时兴起的冲动行为,相反,在HDMI技术推出的背后,还有这更多的深层次原因。
 1999年4月份,为了满足数字化时代高质量图形影像的要求,DDWG(Digital Display Working Group)数字显示工作组以美国Silicon Image公司的专利技术为蓝本,推出了一种名为DVI(Digital Visual Interface)的接口,旨在统一新时代数字显示接口标准。这一技术并且得到了IT业内以Intel、DELL、HP、IBM、微软等个大企业的广泛 支持。经过3年多的推广,DVI技术在计算机显示输出领域得到了迅速运用,但是伴随着数字高清影音技术的发展,DVI接口也开始逐渐暴露出种种问题,甚至 在一定程度上成为数字影像技术进步的瓶颈。

  DVI接口

  DVI接口虽然是一种全数字化的传输技术,但是在开发之初,其最初目标就是要实现高清晰、无损压缩的数字信号传输。 由于没有考虑到IT产品和AV产品融合的趋势,DVI标准过分偏重于对计算机显示设备的支持而忽略了对数字平板电视等AV设备的支持。同时,对于一直关注 盗版问题的好莱坞出版商们,DVI接口也没有提供他们所关心的版权防盗功能。因此从最后的结果来看,DVI接口虽然成功的实现了无损高清传输这一目标,但 是过于专一的定位也在相当程度上造成了整体性能的落后。下面我们看看DVI接口存在的主要问题:

  * DVI接口考虑的对象是PC,对于平板电视的兼容能力一般。

  * DVI接口对影像版权保护缺乏支持。

  * DVI接口只支持计算机领域的RGB数字信号,而对数字化的色差信号无法支持。

  * DVI接口只支持8bit的RGB信号传输,不能让广色域的显示终端发挥最佳性能。

  * DVI接口出于兼容性考虑,预留了不少引脚以支持模拟设备,造成接口体积较大,效率很低。

  * DVI接口只能传输图像信号,对于数字音频信号的支持完全没有考虑。

  由于以上种种缺陷,DVI接口已经不能更好的满足整个行业的发展需要。因此,无论是IT厂商,平板电视制造商,还是好莱坞的众多出版商,都迫切需要一种更好的能满足未来高清视频行业发展的接口技术,也正是基于这些原因,才促使了HDMI标准的诞生。

       主要特性和优势

  在HDMI标准制定之初,并没有抛弃DVI标准中相对成熟且较易实现的部分技术标准。整个传输原理依然是基于Silicon Image公司的TMDS编码技术。而对于DVI接口存在的各种缺陷,HDMI进行了大幅提升,主要体现在以下方面:

  * 更好的抗干扰性能,能实现最长20米的无增益传输。

  * 针对大尺寸数字平板电视分辨率进行优化,兼容性好。

  * 支持EDID(注1)和DDC2B(注2)标准,设备之间可以智能选择最佳匹配的连接方式。

  * 拥有强大的版权保护机制(HDCP),有效防止盗版现象。

  * 支持24bit色深处理,(RGB、YCbCr4-4-4、YCbCr4-2-2)。

  * 接口体积小,各种设备都能轻松安装。

  * 一根线缆实现数字音频、视频信号同步传输,有效降低使用成本和繁杂程度。

  * 完全兼容DVI接口标准,用户不用担心新旧系统不匹配。

  * 支持热插拔技术。

  注1:EDID(Extended Display Identification DATA,即扩展显示识别数据),最初是为PC显示器设置的优化显示格式而设计的规范,存储在显示器中专用的容量为1Kb的EEROM存储器中。而 HDMI接口,则遵从并且扩展了此规范。HDMI接口在数字电视中的EDID数据结构,与PC显示器的最大区别是编程数据可以是128Byte的倍数,它 不仅规定数字电视显示的格式,也规定数字视频信号和数字音频信号。

  注2:DDC2B是主机与显示设备准双向通讯的协议标准,主要基于I2C 通讯协议。只有主机向显示设备发出需求信号,并得到显示器的响应后,显示设备才会像主机送出EDID 资料。

  上述仅仅罗列了HDMI技术相对于DVI技术的主要优势,而随着HDMI标准本身的发展,其从最初的1.0版本也进 化出了1.2版本和1.3等后续版本,不仅性能更加强大,兼容性也更加出色。因此,HDMI正在成为高清时代普及率最高、用途最广泛的数字接口。在现在任 何一台平板电视上,HDMI接口都成了标准化的配置。

       技术详解

  如同最顶级的发动机是F1赛车驰骋赛场的保障一样,HDMI标准之所以拥有强大的数据传输能力,和它的传输原理是分不开的,下面我们就看看HDMI标准的传输原理是什么。

  HDMI标准继续沿用了和DVI相同的,由Silicon Image公司发明的TMDS(Time Minimized Differential Signal)最小化传输差分信号传输技术。TMDS是一种微分信号机制,采用的是差分传动方式。这不仅是DVI技术的基础,也是HDMI技术的基础原 理。

  TMDS差分传动技术是一种利用2个引脚间电压差来传送信号的技术。传输数据的数值(“0”或者“1”)由两脚间电压正负极性和大小决定。

  每一个标准的HDMI连接,都包含了3个用于传输数据的TMDS传输通道,还有1个独立的TMDS时钟通道,以保证传输时所需的统一时序。在一个时钟周期内,每个TMDS通道都能传送10bit的数据流。而这10bit数据,可以由若干种不同的编码格式构成。

  一般来说,HDMI传输的编码格式中要包含视频数据(HDMI1.3版本前每个像素采用24bit)、控制数据和数 据包(数据包中包含音频数据和附加信息数据,例如纠错码等)。TMDS每个通道在传输时要包含一个2bit的控制数据、8bit的视频数据或者4bit的 数据包即可。在HDMI信息传输过程中,可以分为三个阶段:视频数据传输周期、控制传输周期和数据岛传输周期,分别对应上述的三种数据类型。

  HDMI带宽和TMDS的关系

  而在HDMI标准中所规定的带宽,在1.0版本就设定为最高4.96Gbps。那么这一数值是怎么的来的呢?和TMDS又有什么关系呢?

  这是一个适用于所有串口传输接口带宽计算的公式。在所有的数字电路中,都有一个负责提供基本频率的元器 件——晶振,它就像是一个精确的闹钟一样,电路中所有的元器件都按照它的节奏统一行动。比方说,某一运算电路的晶振频率是100Hz,就是说这一电路在一 秒钟内可以进行100次运算过程。由此可见,晶振的工作频率越高,每秒所能处理的运算次数就会越多,数据的处理能力也就会越强大。而HDMI标准中,这个 原理同样适用。

  HDMI电路中的时钟频率,在最初制定时范围从25MHz-165MHz之间,也就是说一个TMDS通道每秒最多能 传输165MHz×10bit=1.65Gbit的数据,3个TMDS通道一秒就可以传输1.65×3=4.95Gbit的数据,再加上控制数据,用标准 方法表示就是4.96Gbps的带宽。而如果用像素点来表示,那就是一秒可以传输显示1.65G个像素点(一个完整的像素点信息由R/G/B三原色信息构 成)所需要的数据量。

  在数字音频方面,HDMI灵活的支持符合IEC60985 L-PCM标准的32kHz、44.1kHz和48kHz、16bit量化的立体声数字音频信号和IEC 61937标准的采样率为192KHz,24bit量化的单路无压缩PCM数字音频信号,或者8路96kHz的声音数据流。此外,在家庭影院中常用的 DolbyDigital5.1和DTS数字音频格式也能通过HDMI直接传输。

       接口类型

  按照电气结构和物理形状的区别,HDMI接口可以分为Type A 、Type B、 Type C三种类型。每种类型的接口分别由用于设备端的插座和线材端的插头组成,使用5V低电压驱动,阻抗都是100欧姆。这三种插头都可以提供可靠的TMDS连 接,其中A型是标准的19针HDMI接口,普及率最高;B型接口尺寸稍大,但是有29个引脚,可以提供双TMDS传输通道,因此支持更高的数据传输率和 Dual-Link DVI连接。而C型接口和A型接口性能一致,但是体积较小,更加适合紧凑型便携设备使用。

  Type A的物理规格

  Type A型HDMI插座成扁平的“D”型,上宽下窄。接口外侧设有一圈厚度为0.5毫米的金属材质屏蔽层,防止来自外界的各种干扰信号。其中用于设备端的插座内 径最宽处14毫米,高4.55毫米。19跟引脚在中心位置分两层排列。每根引脚的宽度为0.45毫米,长度为4.1毫米。

  A型的插头外径是最宽处13.9毫米,高4.45毫米。内部的引脚呈环状排列。而HDMI标准规定这些尺寸的误差要控制在相当小的范围内(0.05毫米左右),以保证良好的接触性。

  B型HDMI接口的物理结构相比于A型接口,基本形状并没有太大变化,都是“D”型。但是其插座端最大宽度达到了21.3毫米,比A型的14毫米足足大了一圈。

  C型HDMI接口设计目的就是为了紧凑型便携设备,因此C型插座的尺寸只有10.5×2.5毫米,而插头也只有10.42×2.4毫米。非常的小巧。

  这三种HDMI接口之间并没有做到完全的兼容,也就是说A型头不能通过转接设备连接到B型头,B型头又不能转接成C型头,不过由于A型头和C型头仅仅是物理尺寸上不一样,他们之间是可以通过转换设备实现兼容的。

  由于和DVI采用了相同的TMDS传输机制,所以HDMI对DVI接口拥有非常强大的兼容性。目前市面上也有不少 HDMI-DVI的转接头产品,对于没有HDMI的老设备而言非常适用。而HDMI-DVI转接头在实质上就是两种接头间的物理转换工具,只涉及到接口的 形状、尺寸和引脚定义,在电路部分没有任何的变化。而HDMI标准中也考虑到了和DVI设备兼容的问题:只要HDMI设备检测到对方发送的信号中不包含 HDMI标准中规定的特殊控制数据(VSDB信号,专门用于两个设备之间互相确认对方身份),就会把对方认为DVI设备,并且把传输规格切换到DVI格 式,从而保证了良好的兼容性。

       HDMI音频功能解析

  1.HDMI音频功能浅析

      在HDMI没有出现之前,数字音频信号的传输的主要依靠两种途径:采用标准RCA接口的数字同轴电缆和SPDIF光纤传输。从传输的质量和特点上看,这两者各有千秋,但是都能比较好的完成传输数字音频信号的目标。
 同轴电缆都拥有比较完善的屏蔽层,中间的铜芯才是信号传输的通道
 利用75欧姆同轴电缆传输数字音频信号是一种非常成熟且高质量的方式。这种接口标准对设备端的硬件要求较低,但是在传输高频信号时,容易发生比较大的衰减,影响到最终音质。
  相比于同轴传输,光纤对设备接收、发射端的同步时许要求非常严格,在技术上比同轴要难于实现,但是光纤技术在长距离传输方面的优势非常明显,不会出现同轴电缆长距离衰减过大的问题,因此也得到了很多有距离限制以及新装修用户的青睐。
  此外,无论是采用光纤传输,还是同轴电缆传输,都需要购买一根单独的连线,对于用户来说,就意味着使用成本和复杂程度的增加。
 HDMI技术则综合了以上两者的优点:在物理层它没有采用对同步时序要求严格的光纤连接,而是采用了成熟的电缆连接。其次,HDMI理论上可以实现最高 20米的无损耗数字音频信号传播,那些对距离有要求的用户也能较好接受。最后,视频线缆和音频线缆的结合有效降低了用户的购买成本,也能让设备端实现瘦 身,同时降低厂商的生产成本。

       新一代AV功放中HDMI接口已经成了必配

  而从HDMI对音频格式支持的种类来看,其主要定位还是以家庭影院应用为主,PC领域用HDMI输出音频信 号还需要更多显卡和声卡厂商的配合,所以在AV领域最主流的数字音频格式将是HDMI紧盯的目标。在HDMI 1.0版本中,就加入了对Dolby Digital 5.1和DTS这两种应用最广泛的数字化多声道音频流的支持。同时随着数字电视的普及,数字伴音功能也将在HDMI上得到广泛应用。这也就意味着全球所有 的DVD、高清视频、数字电视用户都会是HDMI标准的潜在用户。