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HDMI和DisplayPort两种接口技术分析

我爱方案网| HDMI,DisplayPort| 2010-11-22
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当前主要的显示接口技术

  在嵌入式系统中,例如笔记本电脑或电视的液晶显示器,基本上是利用低压差分信号(LVDS)来连接显示驱动器。而目前在个人电脑外接监视器方面,则使用传统的VGA接口与PC连接。有些高级监视器也配备数字视频接口(DVI),以便连接高端PC。对于连接摄像机或录像机,电视机使用模拟复合视频信号;而对于来自DVD播放器的标清逐行扫描内容则采用模拟分量视频信号。同时,高清电视也逐渐转为高清多媒体接口(HDMI),以便增加音频传输以及内容保护的功能。

VGA与LVDS接口

  VGA接口的能力有限,无法支持高分辨率、色度、更缺乏用户要求的对高清内容进行保护的功能。LVDS技术只能用于短距离,且有时间限制,并需要增加针脚把排线加宽才可以支持高分辨率与色度的传送。最新的笔记本电脑有内建的音频与多媒体功能,通过面板的连接线,足以与LVDS的功能相比。

DVI接口

  DVI(Digital Visual Interface)接口的传输速度高达8Gbps,最初是应用在计算机显示系统,再发展成适用于传输无压缩、高清晰度的视频信号,近年推出的投影机、等离子及LCD显示屏均设有这个视频输出系统。它的缺点是连线长度不能超过8米,否则就会越影响画质。DVI的技术也有限制,DVI 1.0的规格基本上已经不再研发,不容易更新以支持更快的时钟速度、色度、连接类型,以及更新的功能。DVI与VGA让平面显示器更为复杂,因为信号必须在内部转换成LVDS,从而就增加了监视器的线路与成本。除此之外,DVI目前采用的3.3V工作电压,也妨碍了下一代PC中低电压芯片的开发应用。

HDMI接口

  


 

  图1 HDMI接口及连接电缆

  HDMI(High Definition Multimedia Interface,高清晰度多媒体接口)是首个也是业界唯一支持的不压缩全数字的音频/视频接口。HDMI通过在单线缆中传输高清晰、全数字的音频和视频内容,极大简化了布线,为消费者提供最高质量的家庭影院体验。

HDMI接口的优点:

  HDMI规格的接口在保持高品质的情况下能够以数码的形式传输未经压缩的高分辨率视频和多声道音频的数据。 其卓越性能超越了以往所有的产品。HDMI规格的连接器采用单线连接,并且没有长度限制,取代了产品背后的复杂的线缆。HDMI规格可搭配宽带数字内容保护(HDCP),以防止具有著作权的影音内容遭到未经授权的复制。

HDMI接口的发展历史

  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。Digital Content Protection, LLC (Intel的子公司)为HDMI提供高带宽数字内容保护(HDCP)。 另外, 主要的动态图像制造商比如Fox, Universal, Warner Bros., 和Disney, 系统运营商DirecTV和EchoStar (Dish Network)以及CableLabs和Samsung等都支持HDMI.
  2002年底,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(一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4GB/s)并有很大余量。这允许它可以用一根电缆分别连接DVD播放器,接收器和PVR。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。
  在HDMI LLC公布的HDMI的1.2版能更好地兼容PC系统,它增加了若干条非常重要的改进,以方便PC连接和数字音频流(SACD等)的传输。
    于2006年6月公布的HDMI 1.3标准包括以下的新功能:
  更快的速度: HDMI 1.3 将其单链接带宽由165MHz(4.95Gbps)提高到340MHz(10.2 Gbps)以支持未来高清晰显示设备的需要,例如更高的分辨率、深色和高帧率。
  深色: HDMI 1.3 支持 30 位、36 位和 48 位(RGB 或 YCbCr)的色深,之前 HDMI 版本的色深最高为 24 位。
  色空间更宽: HDMI 1.3 去除了所有色彩选择的限制:下一代"xvYCC"色空间是现有 HDTV信号色彩的1.8倍;让HDTV显示色彩更加精确;使显示器达到电影质量的自然、逼真的色彩。
  新型迷你接口: 随着小型便携式设备,例如HD摄录一体机和数码相机需要HDTV的无缝连通性,HDMI 1.3提供新型、更小的波形因数接口选项。
  唇型同步: 因为消费性电子设备正在使用不断提高复杂性的数字信号处理技术,以增强画面内容的清晰度及细致度,要使用户设备中的影音内容同步成了一大挑战,潜在地需要复杂的终端用户调节。HDMI 1.3 加入了自动视频/音频同步的功能,使设备能完全精确且自动地执行同步。
  新型无损音频格式: 除 HDMI 支持高带宽的未压缩数字音频和所有现有的压缩格式(例如 Dolby Digital 和 DTS)的现有性能外,HDMI 1.3 还新增了对新型、无损压缩数字音频格式 Dolby TrueHD 和 DTS-HD Master Audio的支持。

HDMI技术细节

  HDMI视频格式: HDMI支持RGB信号、4:4:4采样的YcbCr信号及4:2:2采样的YCbCr.传输速率最高的24位/像素。对于640x480清晰度, R′G′B′通常的采用后数据范围为0-255. 对于YcbCr及所有其它RGB清晰度,采样后的数值范围为16-235。
  HDMI音频数据格式:基于DVD音频标准,HDMI支持1"8组非压缩音频传输,音频支持48,96 or 192kHz等多种采样率。根据视频格式,HDMI可以传输不同数量的采样率在192KHZ的压缩音频。支持最大8个音频通道。

  HDMI接口的特性:
  完全的数字信号接口,无压缩,从信号源直接输出的直接数字图象及音频。
  一根线缆满足传输视音频信号的需要,所有的HD信号及音频信号在同一根线缆内传输,包括5个视频分量及多通道音频。
  HDMI接口还支持传输智能信息如宽高比及信号格式、控制信息等,为设备间的智能化控制提供可能。
  支持HDTV 1080P及更高清晰度信号的传输及显示,适应HDTV的应用。

HDMI连接器

  标准的Type A HDMI连接器有19个针脚,较高分辨率的版本称为Type B,已经被定义,虽然还没有被广泛采用。Type B有29个针脚,允许它去携带一个扩展的视频通道以支持高分辨率的显示。Type-B被设计支持高过1080p的分辨率。
  Type A HDMI向后兼容用在目前的计算机监视器和图像卡的单一连接的数字视频接口(DVI). 这意味着一个DVI源通过一个合适的接口卡或电缆可以驱动一个HDMI监视器,反之亦然,但是HDMI的音频信号和遥控特性就不能得到支持了. 另外,不支持HDCP, 视频质量以及分辨率可能由信号源处被人为地降低以阻止最终用户观看尤其是复制被法律保护的内容。Type B HDMI同样地向后兼容双连接的DVI.。

HDMI的应用

  2004年,消费电子行业开始在DVD播放器、有线电视/卫星电视机顶盒上添加HDMI接口,此外,HDMI接口还开始逐渐出现在数字电视及LCD/等离子显示器上,2004年底,HDMI被广泛采用在电视和显示器上。
  根据提供HDMI技术授权的HDMI Licensing公司的数据,截至2006年6月,全球超过 400 家消费电子和 PC 产品制造商已采用 HDMI接口。市场调查机构In-Stat 预计2006年会有6000万采用HDMI的设备上市,包括机顶盒、DVD播放机和A/V接收器等。从全球来看,DVD拷贝控制协会已经将具有防拷贝功能的HDMI指定用作CSS保护内容的授权数字输出接口。
  尽管HDMI标准不断获得业界认可,但目前只是将其作为一项产业标准,还没有计划将其向ITU或ISO等国际组织提交使其成为国际标准。 采用HDMI接口的新型设备不断增多。除了DVD播放器、机顶盒、A/V接收器及音频/视频监视器,HDMI接口还将应用于个人电脑、蓝光驱动器、游戏控制器和便携电子设备等。
  中国采用HDMI接口的消费电子厂商越来越多,康佳、长虹、创维、TTE、厦华和海信等家电大厂都已经采用HDMI作为接口。
  于2005年11月21日在深圳HDMI授权测试中心和PanelLink Cinema测试中心,将为中国消费电子厂商提供本土化的测试服务,极大地简化并加速中国消费电子厂商HDMI产品投入市场的进程。深圳HDMI测试中心是全球第四家HDMI授权测试认证中心,其他三处分别位日本大阪(隶属于日本松下)、法国Caen(隶属于飞利浦)和美国加州(隶属于Silicon Image)。此外,Silicon Image将于2006年年中以前在上海新成立一家HDMI测试中心。

UDI接口

  UDI是用于台式和笔记本电脑、工作站、PC显示器的显示接口标准。这一标准的推出主要是为了取代VGA模拟接口。UDI不但与DVI标准兼容,也计划与HDMI标准兼容。
  UDI和HDMI/DVI一样,使用了高带宽数字内容保护(High-bandwidth Digital Content Protection,HDCP)技术。HDCP是目前针对播放优质高清内容进行内容保护而广泛采用的技术。它使得兼容UDI的台式和笔记本PC及工作站能够播放最新的数字影像。
  对用户而言,UDI将为主机和显示设备间提供一个通用的视频连接,包括台式和笔记本PC显示器、HDTV和投影仪等。对于PC和显示器生产商来说,UDI能方便地集成分立和集成的图像控制,使生产主机平台和LCD的OEM厂商能够以更低的成本提供更方便的应用和更高的带宽。
  推动UDI标准的SIG(Special Interest Group)组织的主要成员包括Apple、Intel、LG Electronics、National Semiconductor、Samsung Electronics和Silicon Image。图形处理芯片制造商NVIDIA、半导体制造商THine Electronics以及线缆和连接器生产商FCI、Foxconn Electronics和JAE Electronics等也支持这一标准。

DisplayPort接口

  

 

  图2 DisplayPort接头
    视频电子标准协会(VESA)发布了DisplayPort显示接口标准的最终版本:DisplayPort 1.0。作为DVI的继任者,DisplayPort将在传输视频信号的同时加入对高清音频信号传输的支持,同时支持更高的分辨率和刷新率。这种接口可以为PC、监视器、显示面板、投影仪、以及高分辨率内容应用提供多种不同的连接解决方案。为减少各种设备的复杂度,DisplayPort整合了内外连接方式,并为交叉领域的应用提供了关键的性能支持。此外,还为强化下一代显示器的特性,如颜色深度、刷新率、分辨率以及其他先进应用提供了性能上的升级。
  DisplayPort 1.0规格支持单通道、单向、四线路连接,数据传输率10.8Gbps,足以传送未经压缩的视频和相关音频,同时还支持1Mbps的双向辅助通道,供设备控制之用,此外还支持8位和10位颜色。在数据传输上,DisplayPort使用了“micro-packetised”格式。
  与消费电子领域内的HDCP类似,DisplayPort也可以通过128位AES加密实现对HD视频数据的拷贝保护。

DisplayPort的技术优势

  以功能来说,DisplayPort 所提供的是前瞻性的驱动信道,可扩充为1"4条连接线路,并使用微型封装架构,支持各种色度、刷新率、以及显示分辨率。其所定义的双向回路,能够让微型封装架构具有灵活的传输控制与状况信息显示。这种微型封装架构,对增加内容种类与相关应用具有良好的扩展能力,而不会受限于使用光栅扫描的数据。DisplayPort的配置当中,也含有机械规格,用来规范一种简单易用的微型外接器,上面附有可选择的卡锁插头,与超长线缆连接更为牢固。这种连接器共有四条前向通道,以最佳方式连接超薄型笔记本电脑,图形卡上最多可以带有4个连接器。此外,在机械规格部分,还定义了标准的面板连接器,作为内部连接。

  DisplayPort其它重要技术特色包括:

  提供高带宽前向传输连接通道,以及双向辅助通道能力(可达1 Mbps,最大缓冲为200ms)。
  提供应用支持功能,最高可达10Gbps单向连接通道处理能力,从而可满足计算机产业的长期需求,支持大于QXGA 分辨率以及超过24位的颜色深度。
  支持不同色度的传输(分别为6、8、10、12、16 位)。
  现有VESA以及CEA标准均可适用。
  连接DisplayPort器件时,可兼容以前的传输系统(如 DVI、 VGA、以及 LVDS)。
  支持热插拔、插头拔出显示以及连接状态失败监测功能。
  通过3米的线缆,以直接驱动方式支持全带宽信息传输。通过15米的线缆,以直接驱动方式支持压缩带宽传输。DisplayPort 通过15米长的线缆,在4通道24bpp和50/60 Hz下,可支持1080p的最低分辨率。

  DisplayPort与现有设备的互通性:

  DisplayPort 可与现有接口共存,进而实现彼此互通:
  提供数字音频与显示数据同时播放的可选功能。
  支持音视频数据同步显示,时差约为±1ms。
  为选择内容保护功能提供架构支持。
  支持CEA-861-B高质量无压缩音视频内容,以及CEA-931-B对接收设备和源设备之间的遥控传输要求。
  支持各类音频格式、音频编码、采样频率、采样精度、以及音频通道组合等。可支持最多达八个通道、192 kHz,24位采样精度的LPCM编码音频。
  根据不同显示比例与分辨率、支持各种影像格式,同时根据VESADMT和CVT时序标准支持各种更新组合(refresh combinations)。
  只要接通电源,即使只有微弱的直流电流,也能支持EDID的显示。
  如果监视器带有显示控制器,则可支持DDC/CI 以及MCCS 的传输指令。
  支持RGB、YCbCr. 4:2:2和YCbCr 4:4:4等针对消费电子的业界标准规范。

DisplayPort的应用优势

  DisplayPort 通过定义电子协议规格,可轻易应用于面板时序控制器、图形处理器、媒体处理器、以及显示控制器等,满足多种领域的不同关键需求。其优势主要包括:
  不论内外显示连接,都可以使用共同的信号方式,从而简化了设备的复杂度并可促进量产。大量减少了数字显示设备当中的内外部连接线。
  通过提供可扩充架构,支持选择性内容保护功能,符合内容提供商的保护需求,为形成经济效益提供了可能。
  提升了选择性高质量数字音频内容的传送能力。
  加强了高级芯片的整合与创新设计,使显示设备化繁为简,并使数字接口作为计算机架构向低耗电转型的器件得以量产。这种DisplayPort的功能整合,包括了图形或显示卡传输设备的功能整合、以及面板时序控制器的接收功能整合。
  针对现有技术的性能考虑,使用更少的电线提供了更高的频宽。
  提供了性能扩充,以支持各类不同的线路和工作频率的升级。
    适用于嵌入式时钟架构,以减少EMI和物理连线数量。  
    提供小型外接连接器,并允许把四个连接器插入标准的PCI卡插槽。

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