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全面解密HDMI接口技术

我爱方案网| HDMI| 2010-10-22
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中心议题:
    *  HDMI的基本传输原理
    *  视频和音频信号传输
    *  HDMI的高音视频带宽


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音视频接口发展

提起数码产品的接口,大家都能列举出一大片,什么S端子、AV端子、色差分量接口、VGA接口、DVI接口……而说到HDMI数字信号接口,消费者更 不会陌生,作为最新一代的数字接口,HDMI已经广泛应用于各种数码产品上,不管是平板电视、DVD碟机、高清播放机,还是投影仪、数码摄像机、液晶显示 器,以及蓝光DVD和HD DVD,都少不了HDMI数字信号接口的身影。


消费者对HDMI接口的优点都非常了解,这里笔者也不准备再多介绍,提起为何HDMI接口有这些优点可能大家就不清楚了,HDMI接口在数据的保密技术上的优势获得了众多企业的推崇,那么到底其又有何特点,下面将给大家一一解开谜底。

伴随着全球电视电影由普清向高清转变的浪潮,与之关联的一系列的设备技术也跟随着转变换代,这其中就有音视频接口由模拟向数字的转变。

在我国,最简单、最原始、使用最广泛的视频接口是红白黄的复合视频信号(CVBS、A/V)接口,就是通常所称的RCA接口,黄色的为视频信号,白色的为 左声道音频信号,红色的为右声道音频信号。由于复合视频信号是将亮度信号和色度信号采用频谱间置方法复合在一起,导致亮色串扰、清晰度降低等问题。伴随着 S-VHS摄录像机、VCD等激光视盘产品,出现了将亮度信号Y和色度信号C分离的S端子(Y/C、S-Video)接口,确保亮度信号不会受到色度信号 的干扰。伴随着DVD、卫星数字电视机顶盒(IRD)出现了模拟分量视频信号(Y、U、V或Y、R-Y、B-Y)接口,也叫色差输入接口;而在PC通信领 域,出现了通用接口D-SUB(9芯)端口,也就是通常所说的VGA端子,并且长时间占领这一领域;而随着液晶显示器的普及,显示设备由模拟显示设备向数 字显示设备转变,开始出现了一种新的接口-DVI接口,这也标志着PC领域唯一存在多年的模拟信号区域向数字信号的转变;在家电领域,随着液晶电视、等离 子电视的普及,一种集成音频和视频的数字接口HDMI开始取

代原来的RCA和S端子,并且随着家电和PC的融合,这种接口开始向家庭娱乐多媒体PC渗透。

 

 



HDMI的基本传输原理

HDMI(High-Definition Multimedia Interface)又被称为高清晰度多媒体接口,是首个支持在单线缆上传输,不经过压缩的全数字高清晰度、多声道音频和智能格式与控制命令数据的数字接口。HDMI接口由Silicon Image美国晶像公司倡导,联合索尼、日立、松下、飞利浦、汤姆逊、东芝等八家著名的消费类电子制造商联合成立的工作组共同开发的。HDMI最早的接口规范HDMI1.0于2002年12月公布,目前的最高版本是于今年6月发布的HDMI1.3规范。

HDMI源于DVI接口技术,它们主要是以美国晶像公司的TMDS信号传输技术为核心,这也就是为何HDMI接口和DVI接口能够通过转接头相互转换的 原因。美国晶像公司是HDMI八个发起者中唯一的集成电路设计制造公司,是高速串行数据传输技术领域的领导厂商,因为下面要提到的TMDS信号传输技术就 是它们开发出来的,所以这里稍微提及一下。

TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)也被称为最小化传输差分信号,是指通过异或及异或非等逻辑算法将原始信号数据转换成10位,前8为数据由原始信号经运算后获得,第9 位指示运算的方式,第10位用来对应直流平衡(DC-balanced,就是指在编码过程中保证信道中直流偏移为零,电平转化实现不同逻辑接口间的匹 配),转换后的数据以差分传动方式传送。这种算法使得被传输信号过渡过程的上冲和下冲减小,传输的数据趋于直流平衡,使信号对传输线的电磁干扰减少,提高 信号传输的速度和可靠性。

一般情况下,HDMI连接由一对信号源和接受器组成,有时候一个系统中也可以包含多个HDMI输入或者输出 设备。每个HDMI信号输入接口都可以依据标准接收连接器的信息,同样信号输出接口也会携带所有的信号信息。HDMI数据线和接收器包括三个不同的 TMDS数据信息通道和一个时钟通道,这些通道支持视频、音频数据和附加信息,视频、音频数据和附加信息通过三个通道传送到接收器上,而视频的像素时钟则 通过TMDS时钟通道传送,接收器接受这个频率参数之后,再还原另外三个数据信息通道传递过来的信息。

视频和音频信号传输

HDMI输入的源编码格式包括视频像素数据、控制数据和数据包。其中数据包中包含有音频数据和辅助信息数据,同时HDMI为了获得声音数据和控制数据的 高可靠性,数据包中还包括一个BCH错误纠正码。HDMI的数据信息的处理可以有多种不同的方式,但最终都是在每一个TMDS通道中包含2位的控制数据、 8位的视频数据和4位的数据包。HDMI的数据传输过程可以分成三个部分:视频数据传输期、岛屿数据传输期和控制数据传输期。

HDMI数据传输示意图,HDMI有三个TMDS数据信息通道

视频数据传输期,HDMI数据线上传送视频像素信号,视频信号经过编码,生成3路(即3个TMDS数据信息通道,每路8位)共24位的视频数据流,输入 到HDMI发射器中。24位像素的视频信号通过TMDS通道传输,将每通道8位的信号编码转换为10位,在每个10位像素时钟周期传送一个最小化的信号序 列,视频信号被调制为TMDS数据信号传送出去,最后到接受器中接收。

岛屿数据传输期,TMDS通道上将出现音频数据和辅助数据,这些数据每4位被一组,构成一个上面提到的4位数据包,数据包和视频数据一样,被调制为10位一组的的TMDS信号后发出。视频数据传输期和岛屿数据传输期均开始于一个Guard Band保护频带,Guard Band由2个特殊的字符组成,这样设计的目的在于在明确限定控制数据传输期之后的跳转是视频数据传输期。

HDMI的数据传输周期示意图:左到右分别为控制数据传输期、岛屿数据传输期、视频数据传输期

 
 


控制数据传输期,在上面任意两个数据传输周期之间,每一个TMDS通道包含2位的控制数据,这一共6位的控制数据分别为HSYNC(行同步)、 VSYNC(场同步)、CTL0、CTL1、CTL2和CTL3。每个TMDS通道包含2位的控制数据,采用从2位到10位的的编码方法,在每个控制周期 最后的阶段,CTL0、CTL1、CTL2和CTL3组成的文件头,说明下一个周期是视频数据传输期还是岛屿数据传输期。

岛屿数据和控制数据的传输是在视频数据传输的消隐期,这意味着在传输音频数据和其他辅助数据的时候,并不会占据视频数据传输的带宽,并且也不要一个单独的通道来传输音频数据和其他辅助数据,这也就是为什么一根HDMI数据线可以同时传输视频信号和音频信号的原因。

HDMI的高音视频带宽

HDMI的数据信息的处理可以有多种不同的方式,也就是说HMDI支持多种方式的视频编码,通过对3个TMDS数据信息通道的合理分配,既可以传输 RGB数字色度分量的4:4:4信号,也可以传输YCbCr数字色差分量的4:2:2信号,最高可满足24位视频信号的传输需要。

HDMI每个TMDS通道视频像素流的速率一般在25MHz~165MHz之间,HDMI1.3规范已经将这一上限提升到了225MHz,当视频格式的速 率低于25MHz时,将使用像素重复法来传输,即视频流中的像素被重复使用。以每个TMDS通道最高165MHz的频率计算,3个TMDS通道传输R/G /B或者Y/Cb/Cr格式编码的24位像素视频数据,最高带宽可以达到4.95Gbps,实际视频信号传输带宽接近4Gbps,而现在最高规格的高清视 频格式1080p所需的带宽仅仅为2.2Gbps,因此HDMI拥有的充足带宽不仅可以满足现在高清视频的需要,在今后相当长一段时间内都可以提供对更高 清晰度视频格式的支持。

除了高的视频信号带宽之外,HDMI还在协议中加入了对音频信号传输的支持,形成了业界首个单线缆多媒体接口 协议。HDMI的音频信号不占用额外的通道,而是采用和其他辅助信息一起组成数据包,利用3个TMDS通道在视频信号传输的消隐期,以岛屿数据的形式传 送。即使在传输1080p(60Hz)的视频信号的时候,还可以提供最高8路,每路采样频率192kHz的高质量音频信号,相比之下,CD音频制式 44.1kHz的两声道信号,以及最新的DVD-Audio音频格式96kHz的6声道信号,就相形见绌了。

HDMI是发展的必然趋势

数字视频接口是随着数字视频显示设备发展而出现的,模拟显示设备是一些显像管型的监视器、电视机、投影机等,模拟显示设备是一个“宏观”控制,数字显示设备则是“点对点”精确控制。所以在显示高清晰度图片的时候,模拟信号的边缘就是“宏观”的、“模糊”的,因此往往都需要在信号处理的时候增加边缘过渡改善(DLTI)或在扫描的时候增加扫描速度调制(SVM)来改善图像。而数字显示设备则是先寻址到这个“发光点”,然后“告诉”它发多强的光,发光点和相邻的上、下、左、右4个点之间是“一清二楚”的,各发各的光。但是如果用模拟信号来传输信号,数字显示设备就很吃亏、很浪费,显示效果反而不如同档次的模拟显示设备。这是因为所有的模拟信号在数字显示设备中进行的第一个处理就是再次数字化而导致图像细节损失,显示的图像比模拟显示设备由于多了一次模数转换处理而毫无优势。比如计算机内部传输的是二进制的数字信号,使用VGA接口连接液晶显示器的话就需要先把信号通过显卡中的D/A(数字/模拟)转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号,这些信号通过模拟信号线传输到液晶内部还需要相应的A/D(模拟/数字)转换器将模拟信号再一次转变成数字信号才能在液晶上显示出图像来。在上述的D/A、A/D转换和信号传输过程中不可避免会出现信号的损失和受到干扰,导致图像出现失真甚至显示错误,

而数字接口无需进行这些转换,避免了信号的损失,使图像的清晰度和细节表现力都得到了大大提高。

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。

随着HDMI超越核心家庭影院产品向PC、游戏控制台、数码相机与便携式媒体播放机等方向扩展,HDMI将继续统领市场,也将成为未来接口的领跑者。

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