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作者 主题: 30--深入了解HDMI接口 <2012-1-27>  (阅读 2467 次)

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gogochen

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30--深入了解HDMI接口 <2012-1-27>
« 于: 八月 18, 2014, 09:40:32 上午 »

深入了解HDMI接口

dongfang-M 发表于 2012-1-27

一、HDMI接口的工作原理

这张图是HDMI接口的架构示意图。从左边的信号源中你可以看到,HDMI接口的信源可以是任何支持HDMI输出的设备,而接入端也可以是任何带有HDMI输 入接口的设备。无论他们是音频设备、视频设备还是控制设备,HDMI接口都可以应用其中。

在HDMI接口中的数据信号采用的是TMDS最小化传输差分信号协议。这种数据传输协议曾经在DVI接口上得到广泛的应用。而HDMI接口上的数据信号也沿用了这种协议。这种协议会将标准8bit数据转换为10bit信号,并且在转换过程中使用微分传送。微分传送这种技术也曾经被广泛的应用于千兆以太网的数据传输中。



在HDMI接口中音频、视频数据的传输时可以使用三条TMDS数据通道。视频信息在传送时被转换城连续的24bit像素数据,每个时钟周期可以传送10bit的数据。像素时钟周期传输比率大约在25MHz至165MHz之间。一般来说标准的NTSC 480i隔行信号的像素时钟传输比率大约为13.5MHz。若传输信号的比率小于25MHz,HDMI会采用自动循环技术填补码率,将信号的码率提升到25MHz的水平。而HDMI接口最高每秒可以传输165M像素的数据量,这个数据吞吐能力是相当惊人的。在未来一段时间内足以应付高码率,高数据流家用电器的信号传输任务。

HDTV最高的标准是1080p,它每屏的分辨率为1920X1080,若每秒传输60帧图像(1080p@60),那么最终的像素时钟传输比率为124.4MHz。由此看来HDMI接口完全可以从容应付当今的消费电子产品的各项应用。当然HDMI也支持双接口并联模式,那样可以提供惊人的330MHz传输比率。但是目前这种双并联HDMI接口不会用于一般消费阶层。

在HDMI中所采用的视频信号的编码方式为RGB格式,如YCbCr 4:4:4 或YCbCr 4:2:2格式,他们每个像素都是24bit。YCbCr是一种数字视频信号的格式,它与YPbPr格式相类似。(目前DVD播放机的分量输出都是使用YCbCr/YPbPr格式)这种视频信号标准也就是我们经常所说的“YUY”。Y的意思是亮度,它并不带有图像颜色的信息。只是负责记录图像中黑色与白色信息。Cb是图像中蓝色与亮度的差异值(B-Y),而Cr是红色与亮度之间的差异值(R-Y)。    那么Y、Cb、Cr这三个值就定义了视频编码时的采样率。而上文中的“4”代表使用NTSC或PAL制式时的采样率,即13.5MHz。那么我们看到的4:4:4,意思就是Y、Cb、Cr的编码采样率各是13.5MHz。而我们看到的4:2:2格式中Cb、Cr的采样率各是6.75MHz。那么现在你就能很明显的区分出上面两个YCbCr格式中哪个视频质量更好了。

在HDMI接口中,音频信号能够使用2至8声道,每个声道的采样率为192KHz。另外HDMI接口也提供了DDC显示数据通道,它会向视频接收装置发送配置信息和数据格式信息。接收装置可以读取这些E-EDID增强扩展显示识别数据的信息。最后HDMI接口也提供了CEC消费电子控制通道,通过这条通道可以控制视听设备的工作。

二、HDMI接口连接器

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。

Type A型接口


A型是标准的19针HDMI接口,普及率最高。
A型的插座成扁平的“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。
A型接口每个时钟周期可以传输165MHz的像素的信息。

Type B型接口


B型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。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。
B型接口每个时钟周期可以传送高达330MHz的像素信息。

Type C型接口


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。
C型接口每个时钟周期可以传输165MHz的像素的信息。

由于TMDS标准中指出,线缆的长度不得超过15米。因此使用TMDS标准的HDMI接口线缆长度也被限制在15米以内。这个长度对于一般的家用和办公领域来说已经足够了。

带有A型HDMI接口的信号发射装置可以连接到使用B型接口的接收装置上,此时需要一个B到A型的转换接口即可顺利连接。但是需要注意的是,一个带有B型接口的信号发射装置是不可能连接一个带有A类接口的信号接收装置。目前HDMI接口已经可以向下兼容DVI接口,他们之间只需使用专用的转接线缆即可相互转换。

专利许可费

不幸的是,HDMI接口并不是一个开放的标准。制造商必须向HDMI标准制定协会支付版税,来换取一个生产许可证。不过这个版税可不便宜,每年要交纳15000美元的许可费,并且更黑的是每生产一个HDMI接口就要支付0.15美元的许可费。只有这样制造商才能在自己的产品和使用手册中标识支持HDMI的logo。如果制造商已经是HDCP高清数字内容保护协议的会员那么每个带有HDMI接口的产品只需交纳0.04美元的许可费。如果制造商在其产品中使用HDCP高清数字内容保护机制,那么就必须要交纳15000美元的年费,在加上每个产品0.005美元的购买密匙费。

三、针脚定义

为了方便大家查阅资料,以及各位DIY玩家对HDMI接口作进一步了解以A型HDMI接口为例介绍各个针脚的定义。


1.数据通道(TMDS通道)
HDMI的数据通道和DVI的数据通道都采用TMDS信号(最小化传输差分信号)。通过TMDS信号传送音频,视频,以及各种辅助数据 。

信号编码方式:遵循DVI 1.0规格。A型HDMI接口是单链接,B型HDMI接口是双链接(带宽增加一倍)。

视频像素带宽:从25 MHz到340 MHz (A型, HDMI 1.3) 或至 680 MHz (B型)。带宽低于25MHz的视频信号如NTSC 480i将以倍频方式输出。每个像素的容许数据量从24位至48位。支持每秒120张画面,1080p分辨率画面传送以及WQSXGA分辨率。

像素编码方式:RGB 4:4:4,YCbCr 4:4:4 (8-16 bits per component);YCbCr 4:2:2 (12 bits per component) 。

音频采样率:32 kHz, 44.1 kHz, 48 kHz, 88.2 kHz, 96 kHz, 176.4 kHz, 192 kHz。

音频声道数量:最大8声道。

音频流规格:IEC61937兼容流,包括高流量无损信号如Dolby TrueHD, DTS-HD Master Audio。

2.CEC通道(必须预留线路但可以不必实现)
CEC全文为Consumer Electronics Control,用来传送工业规格的AV Link协议信号,以便支持单一遥控器操作多台AV机器。为单芯线双向串行总线。

3.DDC通道
DDC全文为Display Data Channel,传送端与接收端可利用DDC通道得知彼此的传送与接收能力,但HDMI仅需单向获知接收端(显示器)的能力。使用100kHz时钟频率的I2C信号。传送数据结构为VESA Enhanced EDID (V1.3)。

4. SCL和SDA
SCL的全文是Serial Clock,SDA的全文是Serial Data。
这两支脚位是用来让source(DVD) 和 display (TV)作沟通,在电视内部都有一个记忆体,存放有这台电视所支持的分辨率,例如:720P 或1080P,如果source(DVD)不知道目前所连接的电视所支持的电视分辨率是多少时,source(DVD) 就不知道要放送出什么分辨率的讯号。因此在一开始source(DVD)会透过这两支脚位去读取电视所支持的分辨率,当source(DVD) 知道后source(DVD) 才放送出符合电视分辨率的影像画面。其中SCL是时钟(CLOCK)脚位,SDA是资料脚位。

5.DVI转HDMI
由于HDMI和DVI采用相同的TMDS信号,所以很容易互相转换。


但是DVI没有规定传送音频信号,所以DVI转HDMI,或者HDMI转DVI都只有视频信号,没有音频信号。

AMD的APU是一种特例,APU平台的DVI信号来自HDMI,所以DVI接口用DVI转接HDMI也有音频信号。

四、HDMI 1.4新增功能

HDMI最新的版本是1.4版,1.4版新增功能简介如下。

1.HDMI以太网通道(HDMI Ethernet Channel,HEC)

HDMI 1.4版数据线将增加一条数据通道,支持高速双向通讯。支持该功能的互连设备能够通过百兆以太网发送和接收数据,可满足任何基于IP的应用。

HDMI以太网通道将允许基于互联网的HDMI设备和其它HDMI设备共享互联网接入,无需另接一条以太网线。新功能还将提供一个连接平台,允许HDMI设备之间共享内容。

HDMI以太网络通道技术在单一HDMI缆线中集成视频、音频与数据流,兼具HDMI连接的一流信号品质与便利性,与家用娱乐网络的强大与弹性功能。HDMI以太网络通道在HDMI连接中加入专用的数据通道,提供高达100 Mb/sec的双向高速网络功能。

2.音频回授通道(Audio Return Channel,ARC)

带有内置调谐器与HDMI接口的电视,无须使用其他音频缆线,即可"上传"音频数据至环绕声系统。在高清电视直接接收音频和视频内容的情况下,这个新通道能让高清电视通过HDMI线把音频直接传送到A/V功放接收机上,无需另外一条线缆。


3.HDMI 3D功能

新规范将为HDMI设备定义通用3D格式和分辨率,实现家庭3D系统输入输出部分的标准化,最高支持两条1080p分辨率的视频流。
3D技术发展迅猛,同时间有数项竞争技术齐头并进,因此HDMI 1.4规格为常见的3D显示技术定义了相关协议,包括:图帧、图线、图场可选方法,并排方法(全景与半景),2D加深度方法。


4.支持更高分辨率

HDMI设备支持的高清分辨率将达到4K×2K,四倍于目前的1080p,能够和众多数字家庭影院以同样的分辨率传输内容。

具体格式:3840×2160 24Hz/25Hz/30Hz;4096×2160 24Hz 。

5.拓展支持色彩空间

HDMI技术将支持专为数码相机设计的色彩空间,包括sYCC601、Adobe RGB、AdobeYCC601,可在连接数码相机的时候显示更精确的逼真色彩。

6.Micro HDMI迷你接口

新的Micro HDMI接口将比现在19针MINI HDMI版接口小50%左右,可为相机、手机等便携设备带来最高1080p的分辨率支持及最快5GB的传输速度。


7.汽车连接系统(Automotive Connection System,ACS)

一种为车载高清内容传输设计的线缆规范,可避免发热、震动、噪音等汽车内部常见环境的影响,也为汽车制造商在车内传送高清内容提供了一套切实可行的解决方案。
汽车用连接版本为HDMI E TYPE


8.五种HDMI1.4新标识

如今,HDMI似乎是与高清标准画上了等号。无论是在液晶电视、蓝光播放器,还是HTPC、投影机上,这个小小的接口都是必不可少的,有了它就意味着这个设备进入了次时代影音播放器的行列。而就在大多数人还在争论是否更先进的Display Port将会取代HDMI的时候,HDMI1.4版悄然登场。不过,尽管HDMI新版本增添了不少功能,但并不是每项技术都是必备的,所以为了让消费者能够明确功能,不至于花冤枉钱,近日,HDMI标准授权机构对1.4版本发布了新规范。
根据HDMI标准授权机构的指示精神,从即日起,对于那些HDMI线缆的制造商在销售和宣传新版本的时候,禁止再使用笼统的版本号标识,而旧版本则应该在一年内去除所有版本号标识的标签、说明、包装等。



HDMI的音频信号是纯数字的信号,这个信号来自南桥里面的HD Audio总线。
所以支持HDMI音频的设备,比如功放、音箱、电视机等,必须有HDMI音频解码器。
HDMI支持的DTS等音频技术是通过解码器实现的。电视机、显示器的HDMI音频解码器一般是2声道的。
HDMI功放一般是5.1或7.1声道的。

支持HDMI 1.4的主板和显卡
主板
Z68A-GD65 (G3)
Z68A-GD65 (B3)
Z68A-GD80 (B3)
Z68MA-ED55 (B3)

H67MA-E45 (B3)
H67MA-E35 (B3)

H61MU-E35 (B3)
H61M-E33 (B3)

AMD的APU主板

补充说明:
DVI和HDMI都是TMDS的信号协议。
HDMI的TMDS信号包括视频和HD音频,DVI只有视频。这是它们的区别。

这就出现2中可能:

一种是:
集成显卡设计时,如果DVI和HDMI分别设计,这样的DVI的TMDS信号是没有HD音频的,
只有HDMI的TMDS信号是有HD音频的。这样的DVI接口通过DVI-HDMI转接成HDMI是没有HD音频信号的。
Intel的集成显卡,AMD的785、880集成显卡,以及AMD和NV的独立显卡都是这样设计的。

另一种是:
集成显卡按HDMI设计,TMDS信号包含视频和HD音频,
DVI是从HDMI转接过来的,
这样的DVI接口通过DVI-HDMI转接成HDMI就含有HD音频信号的。
AMD的APU就是这样设计的。
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