HDMI技術(shù)詳解

HDMI(high-definition multimedia interface)詳解
提起數(shù)碼產(chǎn)品的接口，大家都能列舉出一大片，什么S端子、AV端子、色差分量接口、VGA接口、DVI接口……而說(shuō)到HDMI數(shù)字信號(hào)接口，消費(fèi)者更不會(huì)陌生，作為最新一代的數(shù)字接口，HDMI已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種數(shù)碼產(chǎn)品上，不管是平板電視、DVD碟機(jī)、高清播放機(jī)，還是投影儀、數(shù)碼攝像機(jī)、液晶顯示器，以及藍(lán)光DVD和HD DVD，都少不了HDMI數(shù)字信號(hào)接口的身影。

　　消費(fèi)者對(duì)HDMI接口的優(yōu)點(diǎn)都非常了解，這里筆者也不準(zhǔn)備再多介紹，提起為何HDMI接口有這些優(yōu)點(diǎn)可能大家就不清楚了，HDMI接口在數(shù)據(jù)的保密技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)獲得了眾多企業(yè)的推崇，那么到底其又有何特點(diǎn)，下面將給大家一一解開謎底。

HDMI的基本傳輸原理

　　HDMI（High－Definition Multimedia Interface）又被稱為高清晰度多媒體接口，是首個(gè)支持在單線纜上傳輸，不經(jīng)過壓縮的全數(shù)字高清晰度、多聲道音頻和智能格式與控制命令數(shù)據(jù)的數(shù)字接口。HDMI接口由Silicon Image美國(guó)晶像公司倡導(dǎo)，聯(lián)合索尼、日立、松下、飛利浦、湯姆遜、東芝等八家著名的消費(fèi)類電子制造商聯(lián)合成立的工作組共同開發(fā)的。HDMI最早的接口規(guī)范HDMI1.0于2002年12月公布，目前的最高版本是于今年6月發(fā)布的HDMI1.3規(guī)范。

　　HDMI源于DVI接口技術(shù)，它們主要是以美國(guó)晶像公司的TMDS信號(hào)傳輸技術(shù)為核心，這也就是為何HDMI接口和DVI接口能夠通過轉(zhuǎn)接頭相互轉(zhuǎn)換的原因。美國(guó)晶像公司是HDMI八個(gè)發(fā)起者中唯一的集成電路設(shè)計(jì)制造公司，是高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商，因?yàn)橄旅嬉岬降腡MDS信號(hào)傳輸技術(shù)就是它們開發(fā)出來(lái)的，所以這里稍微提及一下。

　　TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）也被稱為最小化傳輸差分信號(hào)，是指通過異或及異或非等邏輯算法將原始信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10位，前8為數(shù)據(jù)由原始信號(hào)經(jīng)運(yùn)算后獲得，第9位指示運(yùn)算的方式，第10位用來(lái)對(duì)應(yīng)直流平衡（DC-balanced，就是指在編碼過程中保證信道中直流偏移為零，電平轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)不同邏輯接口間的匹配），轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以差分傳動(dòng)方式傳送。這種算法使得被傳輸信號(hào)過渡過程的上沖和下沖減小，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)趨于直流平衡，使信號(hào)對(duì)傳輸線的電磁干擾減少，提高信號(hào)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃浴?/p>

　　一般情況下，HDMI連接由一對(duì)信號(hào)源和接受器組成，有時(shí)候一個(gè)系統(tǒng)中也可以包含多個(gè)HDMI輸入或者輸出設(shè)備。每個(gè)HDMI信號(hào)輸入接口都可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接收連接器的信息，同樣信號(hào)輸出接口也會(huì)攜帶所有的信號(hào)信息。HDMI數(shù)據(jù)線和接收器包括三個(gè)不同的TMDS數(shù)據(jù)信息通道和一個(gè)時(shí)鐘通道，這些通道支持視頻、音頻數(shù)據(jù)和附加信息，視頻、音頻數(shù)據(jù)和附加信息通過三個(gè)通道傳送到接收器上，而視頻的像素時(shí)鐘則通過TMDS時(shí)鐘通道傳送，接收器接受這個(gè)頻率參數(shù)之后，再還原另外三個(gè)數(shù)據(jù)信息通道傳遞過來(lái)的信息。

視頻和音頻信號(hào)傳輸

　　HDMI輸入的源編碼格式包括視頻像素?cái)?shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包。其中數(shù)據(jù)包中包含有音頻數(shù)據(jù)和輔助信息數(shù)據(jù)，同時(shí)HDMI為了獲得聲音數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的高可靠性，數(shù)據(jù)包中還包括一個(gè)BCH錯(cuò)誤糾正碼。HDMI的數(shù)據(jù)信息的處理可以有多種不同的方式，但最終都是在每一個(gè)TMDS通道中包含2位的控制數(shù)據(jù)、8位的視頻數(shù)據(jù)和4位的數(shù)據(jù)包。HDMI的數(shù)據(jù)傳輸過程可以分成三個(gè)部分：視頻數(shù)據(jù)傳輸期、島嶼數(shù)據(jù)傳輸期和控制數(shù)據(jù)傳輸期。

HDMI數(shù)據(jù)傳輸示意圖，HDMI有三個(gè)TMDS數(shù)據(jù)信息通道

　　視頻數(shù)據(jù)傳輸期，HDMI數(shù)據(jù)線上傳送視頻像素信號(hào)，視頻信號(hào)經(jīng)過編碼，生成3路（即3個(gè)TMDS數(shù)據(jù)信息通道，每路8位）共24位的視頻數(shù)據(jù)流，輸入到HDMI發(fā)射器中。24位像素的視頻信號(hào)通過TMDS通道傳輸，將每通道8位的信號(hào)編碼轉(zhuǎn)換為10位，在每個(gè)10位像素時(shí)鐘周期傳送一個(gè)最小化的信號(hào)序列，視頻信號(hào)被調(diào)制為TMDS數(shù)據(jù)信號(hào)傳送出去，最后到接受器中接收。

　　島嶼數(shù)據(jù)傳輸期，TMDS通道上將出現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)每4位被一組，構(gòu)成一個(gè)上面提到的4位數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包和視頻數(shù)據(jù)一樣，被調(diào)制為10位一組的的TMDS信號(hào)后發(fā)出。視頻數(shù)據(jù)傳輸期和島嶼數(shù)據(jù)傳輸期均開始于一個(gè)Guard Band保護(hù)頻帶，Guard Band由2個(gè)特殊的字符組成，這樣設(shè)計(jì)的目的在于在明確限定控制數(shù)據(jù)傳輸期之后的跳轉(zhuǎn)是視頻數(shù)據(jù)傳輸期。

HDMI的數(shù)據(jù)傳輸周期示意圖：左到右分別為控制數(shù)據(jù)傳輸期、島嶼數(shù)據(jù)傳輸期、視頻數(shù)據(jù)傳輸期

　　控制數(shù)據(jù)傳輸期，在上面任意兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期之間，每一個(gè)TMDS通道包含2位的控制數(shù)據(jù)，這一共6位的控制數(shù)據(jù)分別為HSYNC（行同步）、VSYNC（場(chǎng)同步）、CTL0、CTL1、CTL2和CTL3。每個(gè)TMDS通道包含2位的控制數(shù)據(jù)，采用從2位到10位的的編碼方法，在每個(gè)控制周期最后的階段，CTL0、CTL1、CTL2和CTL3組成的文件頭，說(shuō)明下一個(gè)周期是視頻數(shù)據(jù)傳輸期還是島嶼數(shù)據(jù)傳輸期。

　　島嶼數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的傳輸是在視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)南[期，這意味著在傳輸音頻數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)的時(shí)候，并不會(huì)占據(jù)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘⑶乙膊灰粋€(gè)單獨(dú)的通道來(lái)傳輸音頻數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)，這也就是為什么一根HDMI數(shù)據(jù)線可以同時(shí)傳輸視頻信號(hào)和音頻信號(hào)的原因。

HDMI的高音視頻帶寬

　　HDMI的數(shù)據(jù)信息的處理可以有多種不同的方式，也就是說(shuō)HMDI支持多種方式的視頻編碼，通過對(duì)3個(gè)TMDS數(shù)據(jù)信息通道的合理分配，既可以傳輸RGB數(shù)字色度分量的4：4：4信號(hào)，也可以傳輸YCbCr數(shù)字色差分量的4：2：2信號(hào)，最高可滿足24位視頻信號(hào)的傳輸需要。

　　HDMI每個(gè)TMDS通道視頻像素流的速率一般在25MHz～165MHz之間，HDMI1.3規(guī)范已經(jīng)將這一上限提升到了225MHz，當(dāng)視頻格式的速率低于25MHz時(shí)，將使用像素重復(fù)法來(lái)傳輸，即視頻流中的像素被重復(fù)使用。以每個(gè)TMDS通道最高165MHz的頻率計(jì)算，3個(gè)TMDS通道傳輸R/G/B或者Y/Cb/Cr格式編碼的24位像素視頻數(shù)據(jù)，最高帶寬可以達(dá)到4.95Gbps，實(shí)際視頻信號(hào)傳輸帶寬接近4Gbps，而現(xiàn)在最高規(guī)格的高清視頻格式1080p所需的帶寬僅僅為2.2Gbps，因此HDMI擁有的充足帶寬不僅可以滿足現(xiàn)在高清視頻的需要，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都可以提供對(duì)更高清晰度視頻格式的支持。

　　除了高的視頻信號(hào)帶寬之外，HDMI還在協(xié)議中加入了對(duì)音頻信號(hào)傳輸?shù)闹С?，形成了業(yè)界首個(gè)單線纜多媒體接口協(xié)議。HDMI的音頻信號(hào)不占用額外的通道，而是采用和其他輔助信息一起組成數(shù)據(jù)包，利用3個(gè)TMDS通道在視頻信號(hào)傳輸?shù)南[期，以島嶼數(shù)據(jù)的形式傳送。即使在傳輸1080p（60Hz）的視頻信號(hào)的時(shí)候，還可以提供最高8路，每路采樣頻率192kHz的高質(zhì)量音頻信號(hào)，相比之下，CD音頻制式44.1kHz的兩聲道信號(hào)，以及最新的DVD－Audio音頻格式96kHz的6聲道信號(hào)，就相形見絀了。