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HDMI接口簡介
2017-08-02 17:41:07

       隨著電視的分辨率逐步提升,高清電視越來越普及,HDMI接口主要就是用于傳輸高質量、無損耗的數字音視頻信號到高清電視, 最高帶寬達到5Gbps。

  HDMI:HDMI的英文全稱是“High Definition Multimedia Interface”,中文的意思是高清晰度多媒體接口。HDMI接口可以提供高達5Gbps的數據傳輸帶寬,可以傳送無壓縮的音頻信號及高分辨率視頻信 號。同時無需在信號傳送前進行數/模或者模/數轉換,可以保證最高質量的影音信號傳送。HDMI在針腳上和DVI兼容,只是采用了不同的封裝。與DVI相 比,HDMI可以傳輸數字音頻信號,并增加了對HDCP的支持,同時提供了更好的DDC可選功能。HDMI支持5Gbps的數據傳輸率,最遠可傳輸15 米,足以應付一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號。而因為一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號需求少于4GB/s,因此HDMI還有很大 余量。這允許它可以用一個電纜分別連接DVD播放器,接收器和PRR。此外HDMI支持EDID,DDC2B,因此具有HDMI的設備具有“即插即用”的 特點,信號源和顯示設備之間會自動進行“協商”,自動選擇最合適的視頻/音頻格式。應用HDMI的好處是:只需要一條HDMI線,便可以同時傳送影音信 號,而不像現在需要多條線材來連接;同時,由于無線進行數/模或者模/數轉換,能取得更高的音頻和視頻傳輸質量。對消費者而言,HDMI技術不僅能提供清 晰的畫質,而且由于音頻/視頻采用同一電纜,大大簡化了家庭影院系統的安裝。

  2002年的4月,日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜、東芝共7家公司成立了HDMI組織開始制定新的專用于 數字視頻/音頻傳輸標準。2002年歲末,高清晰數字多媒體接口(High-definition Digital Multimedia Interface)HDMI 1.0標準頒布。HDMI在針腳上和DVI兼容,只是采用了不同的封裝。與DVI相比,HDMI可以傳輸數字音頻信號,并增加了對HDCP的支持,同時提 供了更好的DDC可選功能。HDMI支持5Gbps的數據傳輸率,最遠可傳輸15米,足以應付一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號。而因為一個 1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號需求少于4GB/s,因此HDMI還有很大余量。這允許它可以用一個電纜分別連接DVD播放器,接收器和PRR。 此外HDMI支持EDID、DDC2B,因此具有HDMI的設備具有“即插即用”的特點,信號源和顯示設備之間會自動進行“協商”,自動選擇最合適的視頻 /音頻格式。 
  美國FCC 規定2005 年7 月1 日起,所有數字電視周邊產品都必須內建HDMI或DVI。

       起源

  說起顯示設備,很多人都會在第一時間想起電視機和電腦顯示器這些在生活中隨處可見的設備。的確,隨著人類社會的不斷 進步,各種顯示設備已經在人類社會中發揮了巨大的作用,無論是在工業生產的第一線,還是在家庭休閑娛樂的時刻,人們都希望能看到清晰、流暢的影像。而對于 顯示設備來說,要想顯示出豐富多彩的高分辨率畫面,除了高質量的信號源,還需要一個高性能的信號傳輸、接收裝置,也就是我們常說的信號接口。打個比方,我 們可以把影像信號看成裝滿了貨物的汽車,那么傳輸影像信號的裝置就是讓汽車行駛的公路(信號接口的帶寬就如同公路的通行能力)。人們為了提高影像的清晰 度,不停的在增加公路上行駛的汽車數量(以裝載更多的數據量),而要保證汽車不會發生擁堵,將公路升級改造為通行量更大、更寬的高速公路,就是一個必不可 少的手段。

  在過去的相當一段時間內,以CRT為代表的模擬顯示設備占據了整個顯示設備中的絕大多數。由于生產工藝的限 制,CRT顯示設備的尺寸普遍較小,分辨率也不是特別高。同時從信號的數據量來看,也不是特別巨大,因此兼容性強、而成本低廉的各種模擬接口得到了廣泛應 用,比如很多人都熟悉的AV接口、S端子、色差端子和VGA接口。

  進入21世紀后,隨著液晶電視、等離子電視等大尺寸數字化平板顯示設備的普及,以及高清電視格式 (720p/1080i/1080p)的確定,傳統模擬接口的帶寬已經已經不能滿足海量數據流傳輸的需要,也不符合數字化的潮流。因此,傳輸速度更快的全 數字化接口勢必會成為傳統模擬接口的終結者。

  除了數據傳輸能力的限制,另一個影響到模擬接口繼續使用的因素來自好萊塢的影視出版商們。由于模擬接口不具備任何防 盜版能力,因此盜版影片、電視劇的橫行給他們造成了巨大的經濟損失。根據美國影協的統計,僅2005年,因為盜版問題好萊塢的幾個主要電影制片廠就損失了 近61億美元。如果算上電視劇等方面,這個數字會更加驚人,因此,具有版權保護功能的數字接口也得到了好萊塢方面的熱烈歡迎。

  當然,數字接口只是一個比較籠統的稱謂,只要是傳輸“0”和“1”數字信號的接口,都可以看成是數字接口。比如常見 的USB接口,就是一種純正的數字接口,但是很顯然,現在并沒有多少設備在用USB接口作為視頻信號傳輸的方式。所以,打造出適合影像傳輸的專用型數字化 接口就顯得非常重要。

  HDMI的全稱是“High Definition Multimedia Interface高清多媒體接口”。2002年4月,來自電子電器行業的7家公司——日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜、東芝共同組建了HDMI高清多媒體接口接口組織HDMI Founders(HDMI論壇),開始著手制定一種符合高清時代標準的全新數字化視頻/音頻接口技術。經過半年多時間的準備工作,HDMI founders在2002年12月9日正式發布了HDMI 1.0版標準,標志著HDMI技術正式進入歷史舞臺。

  HDMI技術的推出,并不是這些廠家一時興起的沖動行為,相反,在HDMI技術推出的背后,還有這更多的深層次原因。
 1999年4月份,為了滿足數字化時代高質量圖形影像的要求,DDWG(Digital Display Working Group)數字顯示工作組以美國Silicon Image公司的專利技術為藍本,推出了一種名為DVI(Digital Visual Interface)的接口,旨在統一新時代數字顯示接口標準。這一技術并且得到了IT業內以Intel、DELL、HP、IBM、微軟等個大企業的廣泛 支持。經過3年多的推廣,DVI技術在計算機顯示輸出領域得到了迅速運用,但是伴隨著數字高清影音技術的發展,DVI接口也開始逐漸暴露出種種問題,甚至 在一定程度上成為數字影像技術進步的瓶頸。

  DVI接口

  DVI接口雖然是一種全數字化的傳輸技術,但是在開發之初,其最初目標就是要實現高清晰、無損壓縮的數字信號傳輸。 由于沒有考慮到IT產品和AV產品融合的趨勢,DVI標準過分偏重于對計算機顯示設備的支持而忽略了對數字平板電視等AV設備的支持。同時,對于一直關注 盜版問題的好萊塢出版商們,DVI接口也沒有提供他們所關心的版權防盜功能。因此從最后的結果來看,DVI接口雖然成功的實現了無損高清傳輸這一目標,但 是過于專一的定位也在相當程度上造成了整體性能的落后。下面我們看看DVI接口存在的主要問題:

  * DVI接口考慮的對象是PC,對于平板電視的兼容能力一般。

  * DVI接口對影像版權保護缺乏支持。

  * DVI接口只支持計算機領域的RGB數字信號,而對數字化的色差信號無法支持。

  * DVI接口只支持8bit的RGB信號傳輸,不能讓廣色域的顯示終端發揮最佳性能。

  * DVI接口出于兼容性考慮,預留了不少引腳以支持模擬設備,造成接口體積較大,效率很低。

  * DVI接口只能傳輸圖像信號,對于數字音頻信號的支持完全沒有考慮。

  由于以上種種缺陷,DVI接口已經不能更好的滿足整個行業的發展需要。因此,無論是IT廠商,平板電視制造商,還是好萊塢的眾多出版商,都迫切需要一種更好的能滿足未來高清視頻行業發展的接口技術,也正是基于這些原因,才促使了HDMI標準的誕生。

       主要特性和優勢

  在HDMI標準制定之初,并沒有拋棄DVI標準中相對成熟且較易實現的部分技術標準。整個傳輸原理依然是基于Silicon Image公司的TMDS編碼技術。而對于DVI接口存在的各種缺陷,HDMI進行了大幅提升,主要體現在以下方面:

  * 更好的抗干擾性能,能實現最長20米的無增益傳輸。

  * 針對大尺寸數字平板電視分辨率進行優化,兼容性好。

  * 支持EDID(注1)和DDC2B(注2)標準,設備之間可以智能選擇最佳匹配的連接方式。

  * 擁有強大的版權保護機制(HDCP),有效防止盜版現象。

  * 支持24bit色深處理,(RGB、YCbCr4-4-4、YCbCr4-2-2)。

  * 接口體積小,各種設備都能輕松安裝。

  * 一根線纜實現數字音頻、視頻信號同步傳輸,有效降低使用成本和繁雜程度。

  * 完全兼容DVI接口標準,用戶不用擔心新舊系統不匹配。

  * 支持熱插拔技術。

  注1:EDID(Extended Display Identification DATA,即擴展顯示識別數據),最初是為PC顯示器設置的優化顯示格式而設計的規范,存儲在顯示器中專用的容量為1Kb的EEROM存儲器中。而 HDMI接口,則遵從并且擴展了此規范。HDMI接口在數字電視中的EDID數據結構,與PC顯示器的最大區別是編程數據可以是128Byte的倍數,它 不僅規定數字電視顯示的格式,也規定數字視頻信號和數字音頻信號。

  注2:DDC2B是主機與顯示設備準雙向通訊的協議標準,主要基于I2C 通訊協議。只有主機向顯示設備發出需求信號,并得到顯示器的響應后,顯示設備才會像主機送出EDID 資料。

  上述僅僅羅列了HDMI技術相對于DVI技術的主要優勢,而隨著HDMI標準本身的發展,其從最初的1.0版本也進 化出了1.2版本和1.3等后續版本,不僅性能更加強大,兼容性也更加出色。因此,HDMI正在成為高清時代普及率最高、用途最廣泛的數字接口。在現在任 何一臺平板電視上,HDMI接口都成了標準化的配置。

       技術詳解

  如同發動機是F1賽車馳騁賽場的保障一樣,HDMI標準之所以擁有強大的數據傳輸能力,和它的傳輸原理是分不開的,下面我們就看看HDMI標準的傳輸原理是什么。

  HDMI標準繼續沿用了和DVI相同的,由Silicon Image公司發明的TMDS(Time Minimized Differential Signal)最小化傳輸差分信號傳輸技術。TMDS是一種微分信號機制,采用的是差分傳動方式。這不僅是DVI技術的基礎,也是HDMI技術的基礎原 理。

  TMDS差分傳動技術是一種利用2個引腳間電壓差來傳送信號的技術。傳輸數據的數值(“0”或者“1”)由兩腳間電壓正負極性和大小決定。

  每一個標準的HDMI連接,都包含了3個用于傳輸數據的TMDS傳輸通道,還有1個獨立的TMDS時鐘通道,以保證傳輸時所需的統一時序。在一個時鐘周期內,每個TMDS通道都能傳送10bit的數據流。而這10bit數據,可以由若干種不同的編碼格式構成。

  一般來說,HDMI傳輸的編碼格式中要包含視頻數據(HDMI1.3版本前每個像素采用24bit)、控制數據和數 據包(數據包中包含音頻數據和附加信息數據,例如糾錯碼等)。TMDS每個通道在傳輸時要包含一個2bit的控制數據、8bit的視頻數據或者4bit的 數據包即可。在HDMI信息傳輸過程中,可以分為三個階段:視頻數據傳輸周期、控制傳輸周期和數據島傳輸周期,分別對應上述的三種數據類型。

  HDMI帶寬和TMDS的關系

  而在HDMI標準中所規定的帶寬,在1.0版本就設定為最高4.96Gbps。那么這一數值是怎么的來的呢?和TMDS又有什么關系呢?

  這是一個適用于所有串口傳輸接口帶寬計算的公式。在所有的數字電路中,都有一個負責提供基本頻率的元器 件——晶振,它就像是一個精確的鬧鐘一樣,電路中所有的元器件都按照它的節奏統一行動。比方說,某一運算電路的晶振頻率是100Hz,就是說這一電路在一 秒鐘內可以進行100次運算過程。由此可見,晶振的工作頻率越高,每秒所能處理的運算次數就會越多,數據的處理能力也就會越強大。而HDMI標準中,這個 原理同樣適用。

  HDMI電路中的時鐘頻率,在最初制定時范圍從25MHz-165MHz之間,也就是說一個TMDS通道每秒最多能 傳輸165MHz×10bit=1.65Gbit的數據,3個TMDS通道一秒就可以傳輸1.65×3=4.95Gbit的數據,再加上控制數據,用標準 方法表示就是4.96Gbps的帶寬。而如果用像素點來表示,那就是一秒可以傳輸顯示1.65G個像素點(一個完整的像素點信息由R/G/B三原色信息構 成)所需要的數據量。

  在數字音頻方面,HDMI靈活的支持符合IEC60985 L-PCM標準的32kHz、44.1kHz和48kHz、16bit量化的立體聲數字音頻信號和IEC 61937標準的采樣率為192KHz,24bit量化的單路無壓縮PCM數字音頻信號,或者8路96kHz的聲音數據流。此外,在家庭影院中常用的 DolbyDigital5.1和DTS數字音頻格式也能通過HDMI直接傳輸。

       接口類型

  按照電氣結構和物理形狀的區別,HDMI接口可以分為Type A 、Type B、 Type C三種類型。每種類型的接口分別由用于設備端的插座和線材端的插頭組成,使用5V低電壓驅動,阻抗都是100歐姆。這三種插頭都可以提供可靠的TMDS連 接,其中A型是標準的19針HDMI接口,普及率最高;B型接口尺寸稍大,但是有29個引腳,可以提供雙TMDS傳輸通道,因此支持更高的數據傳輸率和 Dual-Link DVI連接。而C型接口和A型接口性能一致,但是體積較小,更加適合緊湊型便攜設備使用。

  Type A的物理規格

  Type A型HDMI插座成扁平的“D”型,上寬下窄。接口外側設有一圈厚度為0.5毫米的金屬材質屏蔽層,防止來自外界的各種干擾信號。其中用于設備端的插座內 徑最寬處14毫米,高4.55毫米。19跟引腳在中心位置分兩層排列。每根引腳的寬度為0.45毫米,長度為4.1毫米。

  A型的插頭外徑是最寬處13.9毫米,高4.45毫米。內部的引腳呈環狀排列。而HDMI標準規定這些尺寸的誤差要控制在相當小的范圍內(0.05毫米左右),以保證良好的接觸性。

  B型HDMI接口的物理結構相比于A型接口,基本形狀并沒有太大變化,都是“D”型。但是其插座端最大寬度達到了21.3毫米,比A型的14毫米足足大了一圈。

  C型HDMI接口設計目的就是為了緊湊型便攜設備,因此C型插座的尺寸只有10.5×2.5毫米,而插頭也只有10.42×2.4毫米。非常的小巧。

  這三種HDMI接口之間并沒有做到完全的兼容,也就是說A型頭不能通過轉接設備連接到B型頭,B型頭又不能轉接成C型頭,不過由于A型頭和C型頭僅僅是物理尺寸上不一樣,他們之間是可以通過轉換設備實現兼容的。

  由于和DVI采用了相同的TMDS傳輸機制,所以HDMI對DVI接口擁有非常強大的兼容性。目前市面上也有不少 HDMI-DVI的轉接頭產品,對于沒有HDMI的老設備而言非常適用。而HDMI-DVI轉接頭在實質上就是兩種接頭間的物理轉換工具,只涉及到接口的 形狀、尺寸和引腳定義,在電路部分沒有任何的變化。而HDMI標準中也考慮到了和DVI設備兼容的問題:只要HDMI設備檢測到對方發送的信號中不包含 HDMI標準中規定的特殊控制數據(VSDB信號,專門用于兩個設備之間互相確認對方身份),就會把對方認為DVI設備,并且把傳輸規格切換到DVI格 式,從而保證了良好的兼容性。

       HDMI音頻功能解析

  1.HDMI音頻功能淺析

      在HDMI沒有出現之前,數字音頻信號的傳輸的主要依靠兩種途徑:采用標準RCA接口的數字同軸電纜和SPDIF光纖傳輸。從傳輸的質量和特點上看,這兩者各有千秋,但是都能比較好的完成傳輸數字音頻信號的目標。
 同軸電纜都擁有比較完善的屏蔽層,中間的銅芯才是信號傳輸的通道
 利用75歐姆同軸電纜傳輸數字音頻信號是一種非常成熟且高質量的方式。這種接口標準對設備端的硬件要求較低,但是在傳輸高頻信號時,容易發生比較大的衰減,影響到最終音質。
  相比于同軸傳輸,光纖對設備接收、發射端的同步時許要求非常嚴格,在技術上比同軸要難于實現,但是光纖技術在長距離傳輸方面的優勢非常明顯,不會出現同軸電纜長距離衰減過大的問題,因此也得到了很多有距離限制以及新裝修用戶的青睞。
  此外,無論是采用光纖傳輸,還是同軸電纜傳輸,都需要購買一根單獨的連線,對于用戶來說,就意味著使用成本和復雜程度的增加。
 HDMI技術則綜合了以上兩者的優點:在物理層它沒有采用對同步時序要求嚴格的光纖連接,而是采用了成熟的電纜連接。其次,HDMI理論上可以實現最高 20米的無損耗數字音頻信號傳播,那些對距離有要求的用戶也能較好接受。最后,視頻線纜和音頻線纜的結合有效降低了用戶的購買成本,也能讓設備端實現瘦 身,同時降低廠商的生產成本。

       新一代AV功放中HDMI接口已經成了必配

  而從HDMI對音頻格式支持的種類來看,其主要定位還是以家庭影院應用為主,PC領域用HDMI輸出音頻信 號還需要更多顯卡和聲卡廠商的配合,所以在AV領域主流的數字音頻格式將是HDMI緊盯的目標。在HDMI 1.0版本中,就加入了對Dolby Digital 5.1和DTS這兩種應用最廣泛的數字化多聲道音頻流的支持。同時隨著數字電視的普及,數字伴音功能也將在HDMI上得到廣泛應用。這也就意味著全球所有 的DVD、高清視頻、數字電視用戶都會是HDMI標準的潛在用戶。

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