HDMI详解
HDMI详解
摘要
本文详细介绍了HDMI接口的定义、不同类型的接口、HDMI脚位功能、版本间的区别，重点探讨了电路设计，包括电源、HPD检测、I2C通信、数据时钟、ARC/eARC音频回传以及CEC消费电子控制等内容，为HDMI产品设计者提供了实用指南。
HDMI的定义
HDMI是高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface)的简称。HDMI是一种全数字化视频和声音发送或接收接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。主要用于机顶盒、电视、电脑和一些音箱等产品。
HDMI是一种用于传输高清视频和多声道音频的接口标准。它能够通过单一线缆传输未压缩的高清视频和音频数据，同时支持多种高级功能，如高动态范围（HDR）、4K分辨率、3D视频以及音频回传通道等。
HDMI接口类型
HDMI接口有三种，分别是HDMI标准接口、HDMI迷你接口、HDMI微型接口。
1、HDMI标准接口，又称为A型接口。其接口宽度为13.9mm，厚度为4.45mm，主要用于机顶盒、电视、电脑和一些音箱等产品；
2、HDMI迷你接口，又称为C型接口。其接口宽度为10.42mm，厚度为2.4mm，主要用于MP4、平板电脑、相机等设备；
3、HDMI微型接口，又称为D型接口。其接口宽度为6.4mm，厚度为2.8mm，，主要用于智能手机、平板电脑等设备
当然还有29pin的B型接口，以及汽车用的E型接口，由于他们在我们生活中或者设计应用是用的不多，所以这里不作介绍。
下面我们也只针对HDMI标准接口做讲解
HDMI的物理结构
HDMI接口有多种类型，如Type A、B、C、D和E，其中Type A是最常用的。HDMI线缆由三组差分信号传输TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）数据，一组差分信号传输时钟信号，此外还有一个DDC（Display Data Channel）通道连接到接收设备的EDID（Extended Display Identification Data）。
HDMI接口对应原理图
卧式 SMT HDMI接口 黑色 基材耐高温塑胶 (19pin、0.5mm脚距、铁壳、编带盘装) RoHS+REACH
描述是19pin的HDMI接口，但实际原理图中是23pin的HDMI接口，其中20-23引脚为接地固定作用的引脚，去掉这4个引脚就是对应的19pin的HDMI接口
HDMI传输原理
HDMI基于TMDS协议进行数据传输。TMDS是一种差分信号传输技术，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，其中8位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。这种算法使得被传输信号的过渡过程的上冲和下冲减小，提高信号传输的速度和可靠性。
HDCP协议
HDCP（High-bandwidth Digital Content Protection）是一种由Intel和其他公司共同开发的版权保护技术，用于防止高清内容在传输过程中被非法复制。HDCP通过在传输端和接收端之间进行认证和加密来保护内容。
HDMI的高级功能
- 动态HDR：确保视频的每一幕、甚至每一帧都显示出最佳的色彩和细节。
- eARC（Enhanced Audio Return Channel）：简化连接，支持先进的音频格式和高音频质量。
- 超高速HDMI线缆：支持48Gbps带宽，适用于8K和10K分辨率的视频传输。
HDMI不同版本区别
HDMI 2.1b规范
HDMI 2.1b是最新的HDMI规范，支持更高的视频分辨率和刷新率，如8K 60Hz和4K 120Hz，以及高达10K的分辨率。它还支持动态HDR格式，带宽能力增加到48Gbps。此外，HDMI 2.1b还包括基于源的色调映射（SBTM）功能，允许源设备执行部分HDR映射，以优化HDR信号。
HDMI的数据传输流程
HDMI的数据传输包括视频数据传输期、岛屿数据传输期和控制数据传输期。视频数据传输期传输像素信号，岛屿数据传输期传输音频数据和辅助数据，而控制数据传输期传输控制信息。这些数据通过TMDS通道以10位的编码形式传输，接收端接收后进行解码以恢复原始数据。
HDCP的认证流程
HDCP的认证流程包括发送密钥、接收响应、计算共享密钥、验证和周期性重新认证等步骤。这个过程确保了只有授权的设备能够接收和显示受保护的内容。
HDMI接口因其高带宽、多功能性和对版权保护的支持，已经成为现代家庭影院和高清视频设备的标准配置。随着技术的发展，HDMI规范也在不断更新，以支持更高的分辨率和更先进的视频技术。
HDMI电路设计和详解
上图是HDMI的TX电路，RX电路会有些区别。
电源电路设计
电源部分，HDMI是采用5V电源设计，+5V电源由发送器(SOURCE)TX输出给接收器(SINK)RX。
发送器(SOURCE)TX设计：TX端电流不低于55mA，这个+5V电源前段可以是DC/DC提供，但是要求有0.5A的限流功能，电压范围4.8V-5.3V；
接收器(SINK)RX设计：RX端电流消耗不超过50mA，上电完成后不超过10mA，电压范围4.7V-5.3V。
我们这里搭配的配电开关是帝奥微的DIO7003。
HPD检测电路设计
HPD（HotPlug Detect）热插拔检测。
Sink（RX）设备的HPD信号定义高电平为2.4V-5.3V，低电平为0-0.4V，输出电阻为1kohm±20%；
Source（TX）定义HPD电压检测到介于2.0V-5.3V时为高电平,0-0.8V为低电平。
我们先看看检测机制：
一般Sink设备的HPD有1Kohm到5V的上拉电阻，因此Source设备的HPD需要有一个下拉电阻Rpd以判别悬空和高电平状态。
Rpd=Vhpd/(Vtp1-Vhpd)。以TP1测到19脚电压等于5V为例，下拉不小于667ohm。
HPD工作过程1
Source设备上电后会检测HPD是否被上拉到2V以上；
Source设备通过DDC读取EDID的信息以确定Sink能支持的分辨率；
Source设备检测TMDS是否被上拉到3.3V，有部分设备会检测所有的TMDS信号被上拉才输出TMDS信号，部分设备必须要检测到CLOCK上拉才输出信号，部分设备只要检测到某对TMDS被上拉即输出该上拉的TMDS。
Source设备输出目前的分辨率信号到Sink端。
HPD工作过程2
HPD信号不指示Sink是否上电正常、视频数据是否选中或有效，但是Source端发送的TMDS/HEAC/DDC等信号都依赖于HPD信号是否有效。
任意时刻，Sink设备在EDID不可访问时，HPD都应处于低电平；EDID准备好且检测到Source的5V电源信号后置高电平。
如果Sink的EDID内容发生改变，或者需要切换HDMI通道需要Source重新读取EDID，那么HPD需要发出一个不短于100ms时间的低电平信号，低电平再次变为高电平时，Source将重新读取EDID。
用一个示意图就可以说明了
需要提醒一下，我们HPD要有效，肯定是+5V电源的配电开关要使能。
I2C电路设计
HDMI的I2C采用的是5V电平标准，板端芯片的I2C电平一般采用的是3.3V或者1.8V，在使用的时候，注意增加电平转换电路，下图是采用两颗高速NMOS搭建的电平转换电路。
D2是为了防止电压反灌。
数据和时钟电路设计
磁珠和ESD
ESD管是做静电防护，共模电感是为了提高信号的质量。
匹配电阻和AC电容
四组差分信号，AC电容为0.1uF,匹配电阻采用6.2Ω；
标准设计
MOS管和499ohm电阻是标准设计，有些设计也有把MOS管直接省掉的，直接用GPIO来控制。
ARC或者eARC电路设计
HDMI的Pin14和Pin19用作交流耦合eARC差分输入/输出。
ARC和eARC的一下区别：
ARC是指音频回传信道( Audio ReturnChannel)，如果电视与功放两方均搭载HDMI1.4版本以上的端口，就可以从电视将声音回传给功放，让环绕音响系统取代电视喇叭发声。ARC功能的出现，可以减化线材的连接，只需要用一条HDMI线。在不支持ARC功能时，我们如果想把电视的音频传给音响，那还要多增加一条音频线。
eARC全名是增强版音频回传信道（Enhanced AudioReturn Channel），和先前的ARC技术相比，eARC提升很多， 在音频传输能力方面，eARC的最大码流可以达到37Mbps左右( ARC仅有1~3Mbps)，eARC不仅能传送无压缩的5.1或7.1多声道音频(Dolby True HD和DTS HD-MA)，而且还能传送Dolby Atmos和DTS:X音轨。而旧有的ARC只支持Dolby Digital、DTS、PCM 2.0...这类上一代的声音格式。eARC的诞生，也促使Netflix在提供网络影片时增加Dolby Atmos音效的比例。
以下是eARC所支持的音频格式详情：
Dolby音频格式：AC-4、DolbyDigital Plus、Dolby TrueHD、DolbyAtmos。
DTS音频格式：DTS、DTS-HDMaster Audio、DTS:X。
无压缩音频格式：Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio。
CEC电路设计
CEC是消费电子控制通道（Consumer Electronics Control）。通过这条通道可以控制CEC网络上的设备。用户能够使用一个遥控器控制多个支持CEC的智能设备，从而无需使用多个遥控器来控制设备，例如：电视机(TV)、机顶盒产品和影音播放器等。CEC还可以控制音频采样率。一般来说一台HDMI输出设备的CEC可以和多台HDMI输入设备的CEC连接，不允许和另一台HDMI输出设备连接。一台设备断电不能影响其他设备的CEC通信。对连接线缆组件的要求：两端连接器之间的阻值不大于5ohm。
CEC3.1实现：一键播放；系统待机；一键录制；时钟设置；菜单控制；遥控传递等功能。
CEC电气特性在断电状态（如断电）期间，漏电流不超过1.8uA。
HDMI接收RX电路设计
