HDMI技术

第一节：HDMI标准横空出世

    HDMI的全称是“High Definition Multimedia Interface高清多媒体接口”。2002年4月，来自电子电器行业的7家公司——日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝共同组建了HDMI高清多媒体接口接口组织HDMI Founders（HDMI论坛），开始着手制定一种符合高清时代标准的全新数字化视频/音频接口技术。经过半年多时间的准备工作，HDMI founders在2002年12月9日正式发布了HDMI 1.0版标准，标志着HDMI技术正式进入历史舞台。

    HDMI技术的推出，并不是这些厂家一时兴起的冲动行为，相反，在HDMI技术推出的背后，还有这更多的深层次原因。

    1999年4月份，为了满足数字化时代高质量图形影像的要求，DDWG(Digital Display Working Group)数字显示工作组以美国Silicon Image公司的专利技术为蓝本，推出了一种名为DVI(Digital Visual Interface)的接口，旨在统一新时代数字显示接口标准。这一技术并且得到了IT业内以Intel、DELL、HP、IBM、微软等个大企业的广泛支持。经过3年多的推广，DVI技术在计算机显示输出领域得到了迅速运用，但是伴随着数字高清影音技术的发展，DVI接口也开始逐渐暴露出种种问题，甚至在一定程度上成为数字影像技术进步的瓶颈。

DVI接口

    DVI接口虽然是一种全数字化的传输技术，但是在开发之初，其最初目标就是要实现高清晰、无损压缩的数字信号传输。由于没有考虑到IT产品和AV产品融合的趋势，DVI标准过分偏重于对计算机显示设备的支持而忽略了对数字平板电视等AV设备的支持。同时，对于一直关注盗版问题的好莱坞出版商们，DVI接口也没有提供他们所关心的版权防盗功能。因此从最后的结果来看，DVI接口虽然成功的实现了无损高清传输这一目标，但是过于专一的定位也在相当程度上造成了整体性能的落后。下面我们看看DVI接口存在的主要问题：

    * DVI接口考虑的对象是PC，对于平板电视的兼容能力一般。
   
    * DVI接口对影像版权保护缺乏支持。

    * DVI接口只支持计算机领域的RGB数字信号，而对数字化的色差信号
      无 法支持。

    * DVI接口只支持8bit的RGB信号传输，不能让广色域的显示终端发挥出
      最佳性能。

    * DVI接口出于兼容性考虑，预留了不少引脚以支持模拟设备，造成接
      口体积较大，效率很低。

    * DVI接口只能传输图像信号，对于数字音频信号的支持完全没有考
      虑。

    由于以上种种缺陷，DVI接口已经不能更好的满足整个行业的发展需要。因此，无论是IT厂商，平板电视制造商，还是好莱坞的众多出版商，都迫切需要一种更好的能满足未来高清视频行业发展的接口技术，也正是基于这些原因，才促使了HDMI标准的诞生。

第二节：HDMI标准的主要特性和优势

    在HDMI标准制定之初，并没有抛弃DVI标准中相对成熟且较易实现的部分技术标准。整个传输原理依然是基于Silicon Image公司的TMDS编码技术。而对于DVI接口存在的各种缺陷，HDMI进行了大幅提升，主要体现在以下方面：

    * 更好的抗干扰性能，能实现最长20米的无增益传输。

    * 针对大尺寸数字平板电视分辨率进行优化，兼容性好。

    * 支持EDID（注1）和DDC2B（注2）标准，设备之间可以智能选择最佳匹配的连接方式。

    * 拥有强大的版权保护机制（HDCP），有效防止盗版现象。

    * 支持24bit色深处理，（RGB、YCbCr4-4-4、YCbCr4-2-2）。

    * 接口体积小，各种设备都能轻松安装。

    * 一根线缆实现数字音频、视频信号同步传输，有效降低使用成本和繁杂程度。

    * 完全兼容DVI接口标准，用户不用担心新旧系统不匹配。

    * 支持热插拔技术。

   注1：EDID（Extended Display Identification DATA，即扩展显示识别数据），最初是为PC显示器设置的优化显示格式而设计的规范，存储在显示器中专用的容量为1Kb的EEROM存储器中。而HDMI接口，则遵从并且扩展了此规范。HDMI接口在数字电视中的EDID数据结构，与PC显示器的最大区别是编程数据可以是128Byte的倍数，它不仅规定数字电视显示的格式，也规定数字视频信号和数字音频信号。

   注2：DDC2B是主机与显示设备准双向通讯的协议标准，主要基于I2C 通讯协议。只有主机向显示设备发出需求信号，并得到显示器的响应后，显示设备才会像主机送出EDID 资料。  

    上述仅仅罗列了HDMI技术相对于DVI技术的主要优势，而随着HDMI标准本身的发展，其从最初的1.0版本也进化出了1.2版本和1.3等后续版本，不仅性能更加强大，兼容性也更加出色。因此，HDMI正在成为高清时代普及率最高、用途最广泛的数字接口。在现在任何一台平板电视上，HDMI接口都成了标准化的配置。

第三节：HDMI传输原理解析

    如同最顶级的发动机是F1赛车驰骋赛场的保障一样，HDMI标准之所以拥有强大的数据传输能力，和它的传输原理是分不开的，下面我们就看看HDMI标准的传输原理是什么。

    HDMI标准继续沿用了和DVI相同的，由Silicon Image公司发明的TMDS(Time Minimized Differential Signal)最小化传输差分信号传输技术。TMDS是一种微分信号机制，采用的是差分传动方式。这不仅是DVI技术的基础，也是HDMI技术的基础原理。
 
    TMDS差分传动技术是一种利用2个引脚间电压差来传送信号的技术。传输数据的数值（“0”或者“1”）由两脚间电压正负极性和大小决定。

    每一个标准的HDMI连接，都包含了3个用于传输数据的TMDS传输通道，还有1个独立的TMDS时钟通道，以保证传输时所需的统一时序。在一个时钟周期内，每个TMDS通道都能传送10bit的数据流。而这10bit数据，可以由若干种不同的编码格式构成。

    一般来说，HDMI传输的编码格式中要包含视频数据（HDMI1.3版本前每个像素采用24bit）、控制数据和数据包（数据包中包含音频数据和附加信息数据，例如纠错码等）。TMDS每个通道在传输时要包含一个2bit的控制数据、8bit的视频数据或者4bit的数据包即可。在HDMI信息传输过程中，可以分为三个阶段：视频数据传输周期、控制传输周期和数据岛传输周期，分别对应上述的三种数据类型。

HDMI带宽和TMDS的关系

    而在HDMI标准中所规定的带宽，在1.0版本就设定为最高4.96Gbps。那么这一数值是怎么的来的呢？和TMDS又有什么关系呢？我们看下面的公式：

 

    这是一个适用于所有串口传输接口带宽计算的公式。在所有的数字电路中，都有一个负责提供基本频率的元器件——晶振，它就像是一个精确的闹钟一样，电路中所有的元器件都按照它的节奏统一行动。比方说，某一运算电路的晶振频率是100Hz,就是说这一电路在一秒钟内可以进行100次运算过程。由此可见，晶振的工作频率越高，每秒所能处理的运算次数就会越多，数据的处理能力也就会越强大。而HDMI标准中，这个原理同样适用。

    HDMI电路中的时钟频率，在最初制定时范围从25MHz-165MHz之间，也就是说一个TMDS通道每秒最多能传输165MHz×10bit=1.65Gbit的数据，3个TMDS通道一秒就可以传输1.65×3=4.95Gbit的数据，再加上控制数据，用标准方法表示就是4.96Gbps的带宽。而如果用像素点来表示，那就是一秒可以传输显示1.65G个像素点（一个完整的像素点信息由R/G/B三原色信息构成）所需要的数据量。

    在数字音频方面，HDMI灵活的支持符合IEC60985 L-PCM标准的32kHz、44.1kHz和48kHz、16bit量化的立体声数字音频信号和IEC 61937标准的采样率为192KHz，24bit量化的单路无压缩PCM数字音频信号，或者8路96kHz的声音数据流。此外，在家庭影院中常用的DolbyDigital5.1和DTS数字音频格式也能通过HDMI直接传输

第四节：HDMI接口类型
   
    按照电气结构和物理形状的区别，HDMI接口可以分为Type A 、Type B、 Type C三种类型。每种类型的接口分别由用于设备端的插座和线材端的插头组成，使用5V低电压驱动，阻抗都是100欧姆。这三种插头都可以提供可靠的TMDS连接，其中A型是标准的19针HDMI接口，普及率最高；B型接口尺寸稍大，但是有29个引脚，可以提供双TMDS传输通道，因此支持更高的数据传输率和Dual-Link DVI连接。而C型接口和A型接口性能一致，但是体积较小，更加适合紧凑型便携设备使用。

    Type A型HDMI插座成扁平的“D”型，上宽下窄。接口外侧设有一圈厚度为0.5毫米的金属材质屏蔽层，防止来自外界的各种干扰信号。其中用于设备端的插座内径最宽处14毫米，高4.55毫米。19跟引脚在中心位置分两层排列。每根引脚的宽度为0.45毫米，长度为4.1毫米。 

    A型的插头外径是最宽处13.9毫米，高4.45毫米。内部的引脚呈环状排列。而HDMI标准规定这些尺寸的误差要控制在相当小的范围内（0.05毫米左右），以保证良好的接触性。   

    B型HDMI接口的物理结构相比于A型接口，基本形状并没有太大变化，都是“D”型。但是其插座端最大宽度达到了21.3毫米，比A型的14毫米足足大了一圈。 

    C型HDMI接口设计目的就是为了紧凑型便携设备，因此C型插座的尺寸只有10.5×2.5毫米，而插头也只有10.42×2.4毫米。非常的小巧。

    这三种HDMI接口之间并没有做到完全的兼容，也就是说A型头不能通过转接设备连接到B型头，B型头又不能转接成C型头，不过由于A型头和C型头仅仅是物理尺寸上不一样，他们之间是可以通过转换设备实现兼容的。 

    由于和DVI采用了相同的TMDS传输机制，所以HDMI对DVI接口拥有非常强大的兼容性。目前市面上也有不少HDMI-DVI的转接头产品，对于没有HDMI的老设备而言非常适用。而HDMI-DVI转接头在实质上就是两种接头间的物理转换工具，只涉及到接口的形状、尺寸和引脚定义，在电路部分没有任何的变化。而HDMI标准中也考虑到了和DVI设备兼容的问题：只要HDMI设备检测到对方发送的信号中不包含HDMI标准中规定的特殊控制数据（VSDB信号，专门用于两个设备之间互相确认对方身份），就会把对方认为DVI设备，并且把传输规格切换到DVI格式，从而保证了良好的兼容性。

第五节：HDMI支持的显示格式

    HDMI的带宽我们在上文已经做过解析。在HDMI第一版规格中，就已经拥有了最大4.95Gbps的传输速率，这种传输速率能支持多大规格的显示格式呢？我们不妨先算一算HDTV中最高的1080p格式的码率是多少。
 
    那么HDMI最初标准中的4.95G的带宽够不够时下最流行的HDTV全高清规格使用呢？我们不妨再算一算。HDTV中分别规定了720p/1080i/1080p三种分辨率规格。以最高规格的1080p/60Hz格式为例，其需要显示的总像素个数是1920×1080=2，073，600（2.073M）个。每秒刷新60次，所需要显示的总像素数量也就1.24G个，总数据量是1.24×3=3.72Gbps，因此用HDMI的4.95Gbps带宽用起来也是绰绰有余。

    在PC显示领域，HDMI接口支持SXGA:1280×1024@85Hz和UXGA:1600×1200@60Hz规格。而在广播电视行业使用的TV格式中，则支持标清格式下的480i、480p（含16:9格式）、576i、576p规格以及高清HDTV中的720p、1080i、1080p规格。

第六节：HDCP版权保护技术解析

1.HDCP版权保护机制的功能

    HDMI技术另一大特点，就是具备完善的版权保护机制，因此受到了以好莱坞为代表的影视娱乐产业的广泛欢迎。例如美国的节目内容分销商DIRECTV、EchoStar，有线电视业者协会CableLabs，都明确表示要使用HDCP技术来保护他们的数字影音节目在传播过程中不会被非法组织翻拍。因此，HDMI加入了HDCP版权保护机制后，从节目源方面就会有更加充分的保障。

    HDCP全名为(High-bandwidth Digital Content Protection)，中文名称是“高带宽数字内容保护”。HDCP就是在使用数字格式进行传输的信号的基础上，再加入一层版权认证保护的技术。这项技术是由好莱坞内容商与Intel公司合作发开，并在2000年2月份的时候被正式推出。HDCP技术可以被应用到各种数字化视频设备上，例如电脑的显示卡、DVD播放机，显示器、电视机、投影机等等。

　　这个技术的开发目的就是为了解决21世纪数字化影像技术和电视技术高度发展后所带来的盗版问题。在各种视频节目、有线电视节目、电影节目都实现数字化传播后，没有保护的数字信号在传播、复制的过程中变得非常容易，并且不会像模拟信号，经过多次复制后会出现明显的画质下降问题。因此会对整个影视行业产生极大的危害。这也是HDCP在21世纪之初就迅速诞生的原因。

　　相比于传统的加密技术，HDCP在内容保护机制上走了一条完全不同传统的道路，并且收到了良好效果。传统的加密技术是通过复杂的密码设置，让全部数字信号都无法录制或播放，但HDCP是将数字讯号进行加密后，让非法的录制等手段，无法达到原有的高分辨率画质。也就是说，如果你的设备不支持HDCP协议，录制或播放的时候效果会大打折扣，或者根本播放不出来。

    此外，HDCP还是一种双向的内容保护机制。也就是说，HDCP的要求是播放的数字内容以及硬件本身都必须遵照一套完整的协议才能实现，其中一方面出现问题都可能导致播放失败。打个比方，如果用户买的液晶电视有HDCP功能，但是DVD播放机却不带HDCP功能，那么在看有HDCP版权保护的正版DVD时，是不能实现播放的。

2.HDCP实现机制

    每个支持HDCP的设备都必须拥有一个独一无二的HDCP密钥(Secret Device Keys)，密钥由40组56bit的数组密码组成。这个部分HDCP密钥可以放在单独的芯片中，也可以放在其它芯片的内部，例如ATI和Nvdia（世界两大著名显卡主芯片供应商）完全可以将它们放入显示芯片中。每一个有HDCP芯片的设备会拥有一组私钥(Device Private Key)，一组私钥将会组成KSV(Key Selection Vector)。KSV相当于这台拥有HDCP芯片设备的ID号。 

　　HDCP传输器在发送讯号前，将会检查传输和接受数据的双方是否是HDCP设备，它利用HDCP密钥(Secret Device Keys)，让传输器与接收端交换，这时双方将会获得一组KSV并且开始进行运算，其运算的结果会让两方进行对照，若运算出来的数值相符，该传输器就可以确认该接收端为合法的一方。 

　　传输器确定了接收端符合要求，传输器便会开始进行传输讯号，不过这时传输器会在讯号上加入了一组密码，接收端必须实时进行解密才能够正确的显示影像。换句话说，这HDCP并不是确认双方合法后就不管了，这家伙还在传输中加入了密码，以防止在传输过程中偷换设备。具体的实现方法是HDCP系统会每2秒进行确认，同时每128帧画面进行一次发送端和接受端计算一次RI值，比较两个RI值来确认连接是否同步。

　　密码和算法泄密是厂家最头疼的事，为了应对这个问题，HDCP特别建立了“撤销密钥”机制。每个设备的密钥集KSV值都是唯一的，HDCP系统会在收到KSV值后在撤销列表中进行比较和查找，出现在列表中的KSV将被认做非法，导致认证过程的失败。这里的撤销密钥列表将包含在HDCP对应的多媒体数据中并将自动更新。简单的说，KSV是针对每一个设备制定了唯一的序号，比较自然的可用号码是每个设备的SN号。这样一来，即便是某个设备被破解了，也不会影响到整体的加密效果。

    总的来说,HDCP的规范相当严谨，除了内容本身加密外，传输过程也考虑的相当精细，双方设备都要内置HDCP才能实现播放。但是最后需要指出的是，HDCP和HDMI或者DVI接口之间并没有必然的联系，只是HDMI标准在制定之初就已经详细的考虑到了对HDCP的支持，并且在主控芯片中内置了HDCP编码引擎，因此在版权保护方面，要大大领先于DVI技术。

第七节：HDMI音频功能解析

1.HDMI音频功能浅析

    在HDMI没有出现之前，数字音频信号的传输的主要依靠两种途径：采用标准RCA接口的数字同轴电缆和SPDIF光纤传输。从传输的质量和特点上看，这两者各有千秋，但是都能比较好的完成传输数字音频信号的目标。

    利用75欧姆同轴电缆传输数字音频信号是一种非常成熟且高质量的方式。这种接口标准对设备端的硬件要求较低，但是在传输高频信号时，容易发生比较大的衰减，影响到最终音质。 

    相比于同轴传输，光纤对设备接收、发射端的同步时许要求非常严格，在技术上比同轴要难于实现，但是光纤技术在长距离传输方面的优势非常明显，不会出现同轴电缆长距离衰减过大的问题，因此也得到了很多有距离限制以及新装修用户的青睐。

    此外，无论是采用光纤传输，还是同轴电缆传输，都需要购买一根单独的连线，对于用户来说，就意味着使用成本和复杂程度的增加。 

    HDMI技术则综合了以上两者的优点：在物理层它没有采用对同步时序要求严格的光纤连接，而是采用了成熟的电缆连接。其次，HDMI理论上可以实现最高20米的无损耗数字音频信号传播，那些对距离有要求的用户也能较好接受。最后，视频线缆和音频线缆的结合有效降低了用户的购买成本，也能让设备端实现瘦身，同时降低厂商的生产成本。

    而从HDMI对音频格式支持的种类来看，其主要定位还是以家庭影院应用为主，PC领域用HDMI输出音频信号还需要更多显卡和声卡厂商的配合，所以在AV领域最主流的数字音频格式将是HDMI紧盯的目标。在HDMI 1.0版本中，就加入了对Dolby Digital 5.1和DTS这两种应用最广泛的数字化多声道音频流的支持。同时随着数字电视的普及，数字伴音功能也将在HDMI上得到广泛应用。这也就意味着全球所有的DVD、高清视频、数字电视用户都会是HDMI标准的潜在用户。

2.HDMI对音频格式支持的变迁

    HDMI 1.0 规范在开始的时候，就定义了支持 Dolby Digita 5.1（包括 Dolby Digital EX）和 DTS（包括 DTS-ES）。
    HDMI 1.1 增加了支持DVD-Audio 的功能，
    HDMI 1.2 增加了 SACD 功能。HDMI 1.3 增加了对新的无损数字环绕音频格式 Dolby TrueHD 和 DTS-HD Master Audio的支持。

    此外，HDMI（除 1.0 版外）都能够传输 8 声道 192kHz、24 比特的无压缩音频，其效果优于其它所有消费音频格式。因此，如果播放器能够将音频格式解码为多声道 PCM，那么就能够以解码 PCM 流的形式传输上述任何一种音频格式。通过这种方式，许多能够支持通过 HDMI 输入接口传输多声道 PCM 音频的老式A/V接收器仍然能用来播放更新的 Dolby TrueHD 和 DTS-HD Master Audio 格式。HDMI 为制造商和用户提供了以编码音频格式（使用 A/V 接收器或前置放大器的解码器）或无压缩的PCM（使用播放设备的解码器）传输音频的灵活功能。

第八节： HDMI 1.3标准详解

    2006年5月，针对日益发展的数字影像技术对高分辨率、高传输速率、高色深图像的要求，HDMI Founders正式推出了HDMI1.3版本。HDMI 1.3标准在规格上，和之间的规格发生了巨大变化：

   * 传输带宽：HDMI1.3规格中，TMDS连接带宽从原来最高165MHz提升到340MHz，数据传输率也从4.96Gbps提升到了10.2Gbps，可以支持支持更高数据量的高清数字流量，如果采用Type B型双路TMDS连接，则可以在此基础上再提升一倍系统带宽。HDMI 1.3可以支持更高的帧刷新率：1080p@120Hz格式、720p@240Hz和1080i@240Hz，以及更高的分辨率(1440p)。

   * 支持高色深：在HDMI 1.3标准之前，只支持24bit色深（R/G/B每种8bit色深），而HDMI 1.3则可以支持24bit/30bit/36bit/48bit的（RGB或者YCbCr）色深。可以传输色阶更加精确的图像。

   * 支持扩展色域：在新一代平板电视中采用的“xvYCC”(又名“x.v.Color”)广色域标准也得到了HDMI 1.3版本的支持。xvYCC是国际照明协会IEC最新的广色域标准，支持xvYCC的显示设备可以显示出更加生动、自然的色彩，特别是红色和绿色表现力非常出色。

   * 支持无损压缩数字音频流：1.3版本之前的HDMI标准只支持最高192KHz、24bit的压缩数字音频，对于最新的多声道无损压缩技术以及非失真压缩音源缺乏支持（如Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio，它们已经在新一代家庭影院和数字光盘中开始使用）。因此HDMI 1.3标准中加入对它们的支持。

   * 提供更加精准的音/视频同步功能。

   * 向下完全兼容，同时也兼容DVI标准。

    HDMI 1.3标准中高色深系统的引入，是近年来显示技术领域除分辨率提升以外最有价值的一个技术。在HDMI以前的标准中，每种原色的8bit色深只能让每个像素点显示出2的8次方×2的8次方×2的8次方=16.7M种颜色，如果使用1.3标准中的10bit色深，那么可以显示的色彩总量就会提升到2的10次方×2的10次方×2的10次方=10.7亿色,已经接近人眼能分辨的色彩极限。

    导入色深功能并不直接影响到HDMI传输原理中8bit到10bit转化的TMDS的编码层。为了传送超过8位的额外像素数据，HDMI接口的频率速率也跟着增加，可以在同样的时间周期内，传输多出来的像素数据。以12bit色彩深度（也就是比8位色彩深度每影片格中的像素数据量，要多上1.5倍）为例，由于TMDS的时钟频率加快1.5倍，就相当于在同样的时间内，原本发送2个数据包的频率提升到了3个数据包包，因此就实现了更大数据量的传输。

    HDMI 1.3的色深系统支持10bit、12bit和16bit的色彩深度（RGB或YCbCr），因此可以消除目前高对比显示设备普遍面临的色阶现象，使得影像色彩更加鲜活，过度更加顺滑，并为消费者提供更为逼真、具感染力的电视影像体验。色深技术借着在纯黑与纯白间增加许多倍的灰阶，传送更多层次的色彩，让屏幕上的色彩能够流畅地转换，改善逐渐增加对比的显示器质量。

    全新的HDMI规格同时也支持“xvYCC”色彩标准，大幅扩展那目前HDTV标准的色域空间，让色彩更精确的重现，呈现出肉眼可以辨识的任何色彩。下一代高清光盘播放机的HD-DVD与蓝光播放器等最新的高分辨率设备，都将内建这些先进的色彩功能。而在另外一个方面，次世代电视游戏主机，PS3亦内建了10bit色深deep color支持功能，将可为用户创造出更具感染力的游戏体验。

    当然，对于HDMI 1.3支持最高48bit（RGB各16bit）高色深是否有实际意义，在业内还是个一直在争论的问题。首先，目前绝大多数的液晶电视都采用的是8bit色深标准，而等离子电视也在10bit色深的水平，因此就算HDMI 1.3拥有高于10bit的色深处理能力，也会因为显示设备的原因不能发挥全部实力。第二，目前无论是电影电视的前期拍摄，还是后期的制作，仍旧在采用8bit色深标准，高色深的普及在很大程度上要依赖于这些内容提供商的转变速度。最后，10bit色深能显示的色彩数已经达到10.7亿色，接近人类辨认色彩的生理极限，用12bit、16bit的象征意义要远大于实际意义。

    虽然这种争论伴随着HDMI 1.3的诞生就没有停止过，但是支持高色深仍然是一股不可阻挡的潮流。而且对于设备端来说，引入高色深系统除要有更宽的数据带宽之外，高清显示设备系统本身的框架并不需要太大改变，充其量只是一些对既有电路系统来说相对简单功能加强。因此，对硬件厂商来说，仅会增加非常轻微的成本，甚至完全不会增加成本。尤其是现阶段，许多HD显示器系统都能够处理比HDMI 1.2更丰富的色彩时（如索尼07年的BRAVIA中高端液晶电视就支持10bit面板驱动技术），HDMI 1.3中加入对高色深的支持就成了一个不能逆转的决定。

    总的来说，HDMI 1.3版本的推出在很大程度上弥补了HDMI接口在传输速率上的不足，并且为今后数字影音产业的技术变革预留了充足空间，也代表了整个数字影音接口技术的发展方向和最高水平。