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浅谈HDMI数据线的传输原理

作者:东莞忠佑电子有限公司来源:www.hisetec.com 日期:2018年1月30日 21:57
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摘要:

HDMI(High-DefinitionMultimediaInterface)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SiliconImage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。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(TransitionMinimizedDifferentialSignaling)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

  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。
  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。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。 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。

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