HDMI笔记1-定义&原理
定义
HDMI：高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface）是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。HDMI可以同时发送音频和视频信号，由于音频和视频信号采用同一条线材，大大简化系统线路的安装难度。
TMDS ：最小化传输差分信号（Transition Minimized Differential Signaling，简称TMDS）是美国Silicon Image公司开发的一项高速传输数据技术，可用于DVI与HDMI的视频传输接口。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。
原理
TMDS差分传动技术是一种 利用2个引脚间电压差分来传送信号的技术。传输数据的数值（“0” 或 “1”）由 两脚间电压正负极性和大小决定。即，采用2根线来传输信号，一根线上传输原来的信号，另一根线上传输与原来信号相反的信号。这样接收端就可以通过让一根线上的信号减去另一根线上的信号方式来屏蔽电磁干扰，从而得到正确的信号。
传输原理
TMDS的工作原理如下图所示，其源端由一个10mA的恒流源驱动一对差分信号，接收端需要将差分信号分别通过RT(50Ω)上拉到3.3V,由于接收端为高阻抗输入，所以几乎所有的驱动电流（10mA）通过3.3V—>RT—>发送端。即在电阻RT上产生500mV（10mA×50Ω=500mV）的电压，由下边电路可知，一条线开关导通，相对于地的电压为2.8V（3.3V-500mV=2.8V）,另一条电路处于断开状态，即对地电压为3.3V。当源端驱动状态反转变化时，流经匹配电阻的电流方向改变，于是在接收端产生高低逻辑状态的变化。即TMDS在接收端产生差分摆幅为-500mV—+500mV，而产生的直流偏置为2.8V。
1.TMDS信号发送器：内部由10mA的恒流源驱动，将非平衡传输的TTL 信号转换成平衡传输的TMDS 信号。
2.TMDS信号互联器：PCB 走线或者传输电缆，为了保证信号传输的质量差分互联器一般要求100Ω的传输阻抗（若阻抗不匹配可能会引起信号的反射等，影响信号传输质量）。
3.TMDS信号接收器：高阻抗输入，需要在接收端上拉50Ω电阻到3.3V，为驱动端的恒流源提供电流和回路。使之产生直流偏置为2.8V，差分电压摆幅为±500mV的TMDS信号。
TMDS信号标称电压变化为500mV，而TMDS差分信号电压摆幅可在150mV—1200mV之间变化，而偏置电压由Sink端提供。
物理层
如下图所示，HDMI电缆和连接器带有四个差分对，构成TMDS数据和时钟通道。这些信道用于传送视频、音频和辅助数据。此外，HDMI带有一个VESA DDC通道，可以访问到接收端的EDID ROM。可选的CEC协议在用户环境中的所有各种视听产品之间提供高级控制功能。HPD（Hot Plug Detect）热拔插检测信号线。
TMDS传输
4对差分信号线，
Channel 0：传输蓝色分量和HS，VS；
Channel 1：传输绿色分量和CTL0，CTL1；
Channel 2：传输红色分量和CTL2，CTL3；
Clock Channel：传输像素时钟。
TMDS编码
HDMI发送的第一步：将数据进行TMDS编码。每个数据通道都通过编码算法（异或、异或非等），将8位数据转换成10位数据，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。通过这种算法，会使得数据的传输和恢复更加可靠。
HDMI发送的第二步，将TMDS编码进行串行发送。每个HDMI时钟，在每个通道上要发送10个bit的TMDS编码数据。一个时钟周期需内，每条数据通道上发10bit数据
传输速率
从上表可以看出，理论传输带宽和实际最大传输数据速率是有差别的，实际效率是理论值的80%，比如1.0~1.2a版本的4.95*0.8 = 3.96Gbps
HDMI带宽和TMDS的关系
公式：串行接口带宽 = 系统时钟频率 x 数据量
比如1.0~1.2a中，TMSD 最大时钟是165MHz , 也就是说一个TMS通道，每秒最多传输165MHz * 10bit = 1.65Gbit的数据，三个TMDS通道一秒就可以传输1.65 *3 = 4.95Gbit的数据。如果用像素点来表示，那就是一秒可以传输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）所需的数据量。
HDMI与分辨率
PCLK：像素时钟
以1920x1080p/60hz为例：1920*1080*60=124.4MHz
以1280x720p/60hz为例：1280*720*60=55.3MHz
带宽：1S内传输的数据量(bit)
4K频率需要的带宽：选最常用的3840x2160分辨率，色深的话常用的是8位，RGB三色就是24bit，我们的目标是60Hz刷新率(60fps): 3840*2160*24bit*60fps=11.94Gbps
HDMI1.4像素时钟高达340MHz，即最大带宽是：340MHz*10bit（10bit编码）*3（3个数据通道）=10.2Gbps , 实际效率是理论值的80%，即8.16Gbps
TMDS信号PCB设计
1.信号阻抗：差分传输线的特性阻抗为100Ω，防止信号的反射等问题。
2.器件放置：ESD器件靠近HDMI放置，共模电感靠近ESD器件，匹配电阻并排放置，匹配电阻起防ESD作用和微调阻抗用途，通常靠近插座放置。
3.信号线宽：差分对组内控制在5mil以内，组与组之间间距至少20mil以上；使用立体包地处理(组与组之间包地&组内差分线包地)，需要有完整的参考平面；
4.信号回路：信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路，邻近GND层走线，空间足够的情况下进行包地处理，包地线离差分线间距满足差分线宽的3倍（中心到中心），铺铜离差分线20mil。
5.信号走线：差分阻抗控制为100欧姆（+/-10%），单端走线控制50欧姆；尽可能使用尺寸最小的信号线过孔和HDMI连接器焊盘，因为其对 100 差动阻抗产生的影响较小(推荐使用过孔8mil/16mil)；尽可能使HDMI连接器和器件之间的电气长度保持最短，从而使衰减最小化。
总结
HDMI接口协议在物理层均使用TMDS标准进行音视频数据的传送。而TMDS的差分摆幅为±500mV（TMDS差分电压可以再150mV—1200mV之间变化），直流偏置为2.8V（而直流偏置电压由Sink端提供），TMDS的Sink端需要接50Ω的上拉电阻到3.3V，而Soure端的恒流源为10mA，电流方向是由Sink端到Soure端。H
硬件参考设计
MUC 或CPU 到HDMI接口，一般需要一个电平驱动器，如TI的 SN75DP159，详细资料查看手册，HDMI/DVI 应当加上ESD防护器件
