HDMI简单介绍
一.什么是HDMI?
HDMI(High-Definition Multimedia Interface)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 SiliconImage 美國晶像公司倡導(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)。
HDMI 總線采用 TMDS(Time Minimized Differential Signal)最小化傳輸差分信號(hào)的傳輸技術(shù),TMDS是一種微分信號(hào)機(jī)制,采用的是高速差分傳輸方式。每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 HDMI 通道包含了3對(duì)用于傳輸數(shù)據(jù)的TMDS 信號(hào)線和1 對(duì)獨(dú)立的TMDS 時(shí)鐘傳輸線,以保證傳輸時(shí)所需的時(shí)序統(tǒng)一。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),每對(duì) TMDS 通道都能傳送 10bit 的數(shù)據(jù)流,而這 10bit 數(shù)據(jù),可以由若干種不同的編碼格式構(gòu)成。通常情況下,時(shí)鐘線上的時(shí)鐘頻率為數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)傳輸速率的1/10,如現(xiàn)在數(shù)據(jù)的輸出速率為3.4Gb/s,那么時(shí)鐘信號(hào)的頻率就為 340MHz。當(dāng)然,HDMI總線上不僅只有數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào),還有很多其他比較重要的信號(hào),如熱插拔信號(hào)線HPD線、顯示數(shù)據(jù)的通道信號(hào)線DDC(Display Data Channel)、電源和地線等。如圖所示為 HDMI 總線協(xié)議中定義的各種信號(hào)連接示意圖。
HDMI出現(xiàn)在很多需要顯示的產(chǎn)品設(shè)備上,根據(jù) HDMI 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的定義,HDMI 設(shè)備分為源設(shè)備(Source)、接收設(shè)備(Sink)和線纜(Cable)。源設(shè)備是產(chǎn)生HDMI信號(hào)的設(shè)備。主要有機(jī)頂盒、計(jì)算機(jī)、高清視頻播放器等;接收設(shè)備就是接收 HDMI信號(hào)的設(shè)備,主要有顯示器、投影機(jī)等;線纜是傳輸 HDMI信號(hào)的電纜,用于連接源設(shè)備和接收設(shè)備,電纜又分為有源電纜和無源電纜。
不管是源設(shè)備,還是接收設(shè)備,或是電纜,都會(huì)涉及信號(hào)完整性方面的問題。對(duì)于源設(shè)備就需要保證發(fā)送的HDMI號(hào)滿足信號(hào)完整性,主要關(guān)注的就是TMDS 的發(fā)送信號(hào)質(zhì)量;對(duì)于接收設(shè)備,就需要保證完整的接收到HDMI信號(hào)并顯示出來,關(guān)注的就是接收的TMDS信號(hào)的質(zhì)量。所以對(duì)產(chǎn)品的原理圖或PCB進(jìn)行信號(hào)完整性仿真也主要關(guān)注HDMI的TMDS信號(hào)。
二.HDMI的電氣規(guī)范
HDMI接口類型:
A類(Type A)HDMI A Type是使用最廣泛的HDMI線纜,HDMI A接口共有19pin,寬度為13.9毫米,厚度為4.45毫米。一般平板電視或視頻設(shè)備,都提供了這種尺寸的接口,Type A有19針,寬度為13.9毫米、厚度為4.45毫米,現(xiàn)在日常生活使用中的影音設(shè)備99%都配有這種尺寸的接口。比如:藍(lán)光播放器、小米盒子、筆記本電腦、液晶電視、投影機(jī)等等。
B類(Type B)HDMI B Type生活中比較少見。HDMI B接口采用29pin,寬度21毫米。HDMI B Type的數(shù)據(jù)傳輸能力比HDMI A type快近兩倍,相當(dāng)于DVI Dual-Link。由于多數(shù)影音設(shè)備工作頻率均在165MHz以下,而HDMI B Type的工作頻率在270MHZ以上,在家庭應(yīng)用中完全是過于“強(qiáng)悍”,現(xiàn)在只應(yīng)用于一些專業(yè)場合,如WQXGA 2560×1600以上的分辨率。
C類(Type C)HDMI C Type常稱為Mini HDMI,它主要是為小型設(shè)備設(shè)計(jì)的。HDMI C Type同樣采用19pin,其尺寸為10.42×2.4毫米比Type A小了將近1/3,應(yīng)用范圍很小,主要應(yīng)用在便攜式設(shè)備上,比如數(shù)碼相機(jī)、便攜式播放機(jī)等設(shè)備。
D類(Type D)HDMI D Type俗稱Micro HDMI。HDMI D Type是最新的接口類型,尺寸進(jìn)一步縮小。采用了雙排針腳設(shè)計(jì),同樣為19pin,寬度只有6.4毫米,厚度2.8毫米,很像Mini USB接口。主要應(yīng)用于小型的移動(dòng)設(shè)備上面,更適用于便攜和車載設(shè)備。比如:手機(jī)、平板電腦等。
E類(Type E) HDMI E Type主要用于車載娛樂系統(tǒng)的音視頻傳輸。由于車內(nèi)環(huán)境的不穩(wěn)定性,HDMI E Type在設(shè)計(jì)上具備抗震性、防潮、耐高強(qiáng)度、溫差承受范圍大等特性。在物理結(jié)構(gòu)上,采用機(jī)械式鎖定設(shè)計(jì),能保證接觸可靠性。
啟動(dòng)HDMI主要的TMDS都是3.3V電平的差分?jǐn)?shù)據(jù)線。一般按照要求直連既可。主要在PCB設(shè)計(jì)時(shí)注意阻抗和EMI問題。下面主要分析其它通信線的電氣特性。
1.+5V電源
對(duì)于+5V的供電電壓應(yīng)該滿足4.7V~5.3V的電壓范圍,源端的供電電流應(yīng)該大于等于55mA,應(yīng)該有0.5A的過流保護(hù)能力;對(duì)于接收端消耗電流能力應(yīng)該小于50mA。
2.DDC信號(hào)
從下面連個(gè)圖可以看出DDC總線的電容不要超過700pF,發(fā)送端的上拉電阻應(yīng)該在1.5K~2K之間;接收端上拉電阻應(yīng)該在47K(±10%),并且總線電平應(yīng)該是5V;
3.HPD信號(hào)
HPD信號(hào)主要用于檢測HDMI是否有插入,源端與接收端的高低電平閾值如下圖所示。值得注意接收端的輸出電阻是1K,電平是5V。
4.CEC信號(hào)
CEC信號(hào)主要是消費(fèi)電子控制通道,主要用于簡單控制家庭設(shè)備使用,既可用于發(fā)送也可以接收數(shù)據(jù)。電平是3.3V的,通常在發(fā)送端通過上拉一個(gè)27K電阻到3.3V的電源。
差分模式和共摸模式
三.HDMI芯片
1 信源端
PS5和XSX,在GPU中都沒有整合HDMI的控制芯片,而是單獨(dú)一塊SOC負(fù)責(zé)HDMI:
PS5用的是松下半導(dǎo)體的MN8639,索尼游戲的老朋友,PS4和PS4 Pro分別用了松下的MN86471A和864729。
目前MN8639支持FRL模式下每通道8Gb帶寬,4個(gè)通道32Gb帶寬。
XSX用的是NB7NQ621M,來自安森美半導(dǎo)體。最大支持40Gb帶寬和DSC影像壓縮 。微軟在XSX上換了新的芯片供應(yīng)商,天蝎座(Xbox one X)上用的還是德州儀器的TDP 158 HDMI控制芯片。
圖像信號(hào)通過游戲主機(jī)GPU處理完后,首先通過HDMI芯片編碼,然后再將高頻率電信號(hào)以固定的速率,通過HDMI線傳輸至電視機(jī)或者功放系統(tǒng);
2 顯示端
在電視和顯示器上,HDMI 控制芯片一般整合在CPU SOC中。
華碩PG32UQ顯示器采用的是聯(lián)詠科技(聯(lián)發(fā)科子公司)NT68552UPG,集成HDMI 2.1和DP 1.4控制。
索尼X9500G上,聯(lián)發(fā)科MT5998 處理芯片中整合了HDMI控制器。
當(dāng)圖像信號(hào)通過HDMI接口傳輸過來后,主控芯片的HDMI控制器經(jīng)過解碼后,再交給GPU或者其他圖像芯片處理。
索尼中高端電視機(jī)圖像處理都交由專門的X1或者XR畫質(zhì)芯片處理。
在MTKS900芯片內(nèi)部,整合了48Gb帶寬的HDMI 2.1控制芯片,但是因?yàn)樾酒懔Σ粔?#xff0c;如果電視機(jī)沒有額外的畫質(zhì)處理芯片,電視機(jī)工作在4K 120hz時(shí),垂直分辨率會(huì)從2160P減到1080P,這也是部分電視機(jī)4K 120hz模糊的根本原因。
所以信源設(shè)備能夠和顯示設(shè)備最終能不能使用48Gb帶寬,可不可以VRR,主要取決于信源端和顯示端兩塊HDMI控制芯片的協(xié)商,這個(gè)協(xié)商過程是通過EDID來進(jìn)行的。
另外,有些顯示器的HDMI 2.1芯片只支持單通道FRL 6Gb帶寬,也就是HDMI 2.1最大帶寬24Gb,4K 120Hz 444 10bit只能通過DSC實(shí)現(xiàn)。
如果連接不支持DSC的PS5,那么PS5的4K 120hz模式,只能以420色度二次采樣實(shí)現(xiàn)。
先水到這里,借鑒了很多網(wǎng)上的資料,寫這個(gè)是因?yàn)楹竺嬉獙?duì)HDMI進(jìn)行仿真。
總結(jié)
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