HDMI接口基礎(chǔ)知識(shí)與使用手冊指南

總結(jié)這篇文章的初衷是看到HDMI新版本2.1，支持FRL（Fix Rate Link）固定速率鏈路的縮寫，支持一系列更高的視頻分辨率和刷新率，包括8K@60Hz 和 4K@120Hz，分辨率高達(dá)10K。

需要注意的是：

HDMI2.1的版本推出之后，HDMI2.0將融入到HDMI2.1版本之中，但HDMI1.4還是存在的，因?yàn)镠DMI1.4是“7C” founder制定的。所以HDMI1.4仍然存在，名稱仍然是HDMI1.4，HDMI2.0納入HDMI2.1后稱之為HDMI2.1 TMDS，而HDMI2.1稱之為HDMI2.1 FRL，同時(shí)測試HDMI2.1同時(shí)需要向下兼容測試HDMI1.4。是不是覺得有點(diǎn)USB 3.1 GEN1&USB 3.1 GEN2的味道。

高清晰度多媒體接口HDMI（High-definition multimedia interface）是消費(fèi)產(chǎn)品常用接口，也已經(jīng)成為行業(yè)的連接標(biāo)準(zhǔn)。HDMI是一個(gè)可在單一接口結(jié)合無壓縮高清視頻，多聲道環(huán)繞音頻，和智能命令數(shù)據(jù)的數(shù)字接口。HDMI連接高清設(shè)備極為簡單，同時(shí)對(duì)最新的產(chǎn)品功能提供一致和高性能效的傳輸。

本文分五大部分：

基礎(chǔ)知識(shí)

接口信號(hào)

設(shè)計(jì)部分

測試部分

仿真部分

1、基礎(chǔ)知識(shí)

HDMI標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史：日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜、東芝七家公司共同組建了HDMI高清多媒體接口組織，著手制定一種符合高清時(shí)代標(biāo)準(zhǔn)的全新數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)。在 2002年12月9日，HDMI1.0版正式發(fā)布，HDMI技術(shù)產(chǎn)生。從最早的1.0到現(xiàn)在的2.1，從1080p，到現(xiàn)在的8K。

HDMI接口有四種類型接口：

Type A采用19pin，寬度為13.9毫米、厚度為4.45毫米，這種尺寸最常用。

Type B采用29pin，寬度21毫米。Type B的數(shù)據(jù)傳輸能力比Type A快近兩倍，相當(dāng)于DVI Dual-Link。Type B的工作頻率在270MHZ以上，而一般在影音設(shè)備頻率均在165MHz以下，應(yīng)用于一些專業(yè)場合。

Type C采用19pin，常稱為Mini HDMI，它主要是為小型設(shè)備設(shè)計(jì)的。寬度為10.5毫米、厚度為2.5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。

Type D采用19pin，俗稱Micro HDMI。采用了雙排針腳設(shè)計(jì)，寬度只有6.4毫米，厚度2.8毫米，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。

這里面會(huì)有資料說到VESA。VESA Video Electronics Standards Association, 是計(jì)算機(jī)和小型工作站視頻設(shè)備的顯示標(biāo)準(zhǔn)。

VESA總線是一個(gè)32位標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)局部總線，是針對(duì)多媒體PC要求高速傳送活動(dòng)圖象的大量數(shù)據(jù)應(yīng)運(yùn)而生的。它的數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)132Mbytes/s。它的許多引線引自CPU，因而負(fù)載能力相對(duì)較差，VESA總線產(chǎn)品將面臨被淘汰的趨勢。

2、接口信號(hào)

常見的HDMI接口是下圖的A類(19腳)：

1~9 （6 pin）:TMDS數(shù)據(jù)通道，分0~2三組，這些通道傳輸音頻和視頻和輔助數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通道之間有屏蔽線，三組TMDS 數(shù)據(jù)通道，每一個(gè)都通過一對(duì)屏蔽雙絞線承載在電纜中，用于最小化串?dāng)_和 EMI 輻射的屏蔽層在電纜的兩端接地。

·Preamble（控制信息），主要用于控制接下來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是Data Island或者Video Data。

·Data Island（數(shù)據(jù)包），各種類型的包信息，包括音頻數(shù)據(jù)包，圖像信息包等。

·Video Data （視頻信息），視頻像素?cái)?shù)據(jù)，HDMI可以傳輸RGB與YUV兩種格式的像素?cái)?shù)據(jù)。

·HSYNC:?行同步信號(hào)，表示掃描1行的開始；VSYNC:?幀同步信號(hào),表示掃描1幀的開始，一幀也就是LCD顯示的一個(gè)畫面。

TMDS(Time Minimized Differential Signal)最小化傳輸差分信號(hào)傳輸技術(shù)，是一種利用2個(gè)引腳間電壓差來傳送信號(hào)的技術(shù)。傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)值（“0"或者"1”）由兩腳間電壓正負(fù)極性和大小決定。采用2根線來傳輸信號(hào)，一根線上傳輸原來的信號(hào)，另一根線上傳輸與原來信號(hào)相反的信號(hào)。這樣接收端就可以通過讓一根線上的信號(hào)減去另一根線上的信號(hào)的方式來屏蔽電磁干擾，從而得到正確的信號(hào)。

比如8bit的數(shù)據(jù)進(jìn)入TMDS編碼器，得到抗干擾性強(qiáng)的10bit TMDS信號(hào)，然后再進(jìn)行串行化輸出；在接收端收到串行的HDMI信號(hào)后，進(jìn)行信號(hào)復(fù)原，得到10bit的TMDS信號(hào)，最后用TMDS解碼器解碼得到原來的8bit數(shù)據(jù)。

HDMI的時(shí)鐘頻率范圍為25MHz~165MHz。

數(shù)據(jù)方面：一個(gè)TMDS通道每秒最多能傳輸165MHz×10bit=1.65Gbit的數(shù)據(jù)，3個(gè)TMDS通道一秒就可以傳輸1.65×3=4.95Gbit的數(shù)據(jù)，再加上控制數(shù)據(jù)，就是4.96Gbps的帶寬。

圖像方面：一秒可以傳輸顯示1.65G個(gè)像素點(diǎn)（一個(gè)完整的像素點(diǎn)信息由R/G/B三原色信息構(gòu)成）所需要的數(shù)據(jù)量。

RGB色彩模式是常用的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，三個(gè)獨(dú)立的視頻信號(hào)同時(shí)傳輸，缺乏與早期黑白顯示系統(tǒng)的良好兼容性。將RGB轉(zhuǎn)換成YUV，再根據(jù)需要換回RGB格式，以便在電腦顯示器上顯示彩色圖形。

除了RGB還會(huì)看到Y(jié)UV。YUV主要用于優(yōu)化彩色視頻信號(hào)的傳輸，它將亮度信息（Y）與色彩信息（UV）分離，沒有UV信息一樣可以顯示完整的圖像，只不過是黑白的，這樣的設(shè)計(jì)很好地解決了彩色電視機(jī)與黑白電視的兼容問題，使其向后相容老式黑白電視。

與RGB視頻信號(hào)傳輸相比，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于只需占用極少的頻寬（RGB要求三個(gè)獨(dú)立的視頻信號(hào)同時(shí)傳輸）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；而“U”和“V” 表示的則是色度（Chrominance或Chroma），“色度”則定義了顏色的兩個(gè)方面─色調(diào)與飽和度，分別用Cr和Cb來表示。

所以，YUV又叫做YCrCb。

Cr反映的是RGB輸入信號(hào)紅色部分與RGB信號(hào)亮度值之間的差異;Cb反映的是RGB輸入信號(hào)藍(lán)色部分與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。

數(shù)字音頻方面：支持符合IEC60985 L-PCM標(biāo)準(zhǔn)的32kHz、44.1kHz和48kHz,16bit量化的立體聲數(shù)字音頻信號(hào)和IEC 61937標(biāo)準(zhǔn)的采樣率為192KHz，24bit量化的單路無壓縮PCM數(shù)字音頻信號(hào)。

ARC（Audio Return Channel）音頻回傳通道。ARC出現(xiàn)的目的，是使整個(gè)數(shù)字化家電在線材安裝上更為簡便。它的功能就是傳輸聲音信號(hào)，具體是指在支持ARC的HDMI接口上，電視可以通過ARC將音頻信號(hào)通過HDMI線回傳到功放或者其他擁有HDMI ARC功能的音頻設(shè)備上去，這樣用以節(jié)省單獨(dú)的數(shù)字輸出線材。

這里面和LVDS這個(gè)進(jìn)行區(qū)分：

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一種低振幅差分信號(hào)技術(shù)。它使用幅度非常低的信號(hào)（約350mV）通過一對(duì)差分PCB走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。它能以高達(dá)數(shù)千Mbps的速度傳送串行數(shù)據(jù)。

10~12（3 pin）: TMDS 時(shí)鐘通道參考時(shí)鐘信號(hào)，使接收設(shè)備恢復(fù)數(shù)據(jù)流。

13（1 pin）:消費(fèi)電子控制CEC (Consumer electronic control），這是 HDMI 設(shè)備中的可選功能。它是一種專用控制總線，使設(shè)備能夠自動(dòng)控制其他連接的設(shè)備。比如說兩個(gè)顯示設(shè)備，兩者都用HDMI線接上，可以用一個(gè)設(shè)備的控制器控制另一個(gè)設(shè)備，該功能的命令信號(hào)就是通過CEC引腳傳輸?shù)摹?/p>

14（1 pin）:保留引腳，未使用（或者也可以為CEC提供多一個(gè)引腳）

15~16（2 pin）:一個(gè)I2C(SCL,SDA)總線，用于設(shè)備將其能力信息傳遞給其他設(shè)備。這里面有DDC（Display Data Channel），主要用于EDID與HDCP的傳輸。最先做的Hotplug，因?yàn)镠DMI的主從兩個(gè)設(shè)備需要通過DDC來獲得他們對(duì)方設(shè)備的EDID，從而得到各種信息。

EDID（Extended Display Identification Data）擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，VGA、DVI的EDID由主塊128字節(jié)組成，HDMI的EDID增加擴(kuò)展塊(128字節(jié))，擴(kuò)展塊的內(nèi)容主要是和音頻屬性相關(guān)的，DVI和VGA沒有音頻，HDMI自帶音頻。

EDID可以簡單理解為串聯(lián)Host和顯示器之間的橋梁，在輸入端Host通過讀取設(shè)備上的EDID來獲悉設(shè)備支持的顯示時(shí)序，而同樣，在輸出端設(shè)備需要讀取顯示器的EDID來確定自己的輸出時(shí)序。

需要注意的是:現(xiàn)在的顯示器功能很強(qiáng)大，通常都提供多種視頻接口（DVI、VGA、HDMI、Display Port），由于每種接口的特性和帶寬不同，使得不同接口的EDID也不同。使用哪個(gè)接口，Host讀到的就是哪個(gè)接口的EDID。所以，顯示器不止一種EDID信息。

經(jīng)常聽到有人說“EDID信息”，也有人說“DDC信息”。那么EDID和DDC的關(guān)系是什么？DDC是一個(gè)通道，是用來傳送EDID信息的，也可以說EDID信息是通過DDC傳送的。

HDCP（High -bandwidth Digital Content Protection）高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)技術(shù)，為了保證HDMI或者DVI傳輸?shù)母咔逦盘?hào)不會(huì)被非法錄制，就出現(xiàn)了HDCP技術(shù)。HDCP技術(shù)規(guī)范由Intel領(lǐng)頭完成，當(dāng)用戶進(jìn)行非法復(fù)制時(shí)，該技術(shù)會(huì)進(jìn)行干擾，降低復(fù)制出來的影像的質(zhì)量，從而對(duì)內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)。

HDCP傳輸過程中，發(fā)送端和接受端都存儲(chǔ)一個(gè)可用密鑰集，這些密鑰都是秘密存儲(chǔ)，發(fā)送端和接受端都根據(jù)密鑰進(jìn)行加密解密運(yùn)算，這樣的運(yùn)算中還要加入一個(gè)特別的值KSV(視頻加密密鑰)。同時(shí)HDCP的每個(gè)設(shè)備會(huì)有一個(gè)唯一的KSV序列號(hào)，發(fā)送端和接受端的密碼處理單元會(huì)核對(duì)對(duì)方的KSV值，以確保連接是合法的。

HDCP是靠兩個(gè)設(shè)備的交互進(jìn)行HDCP授權(quán)認(rèn)證的，簡易認(rèn)證流程圖如下：

17（1 pin）:接地引腳

18（1 pin）:+5V 電源（1 針）：提供低電流、+5V 直流電源，用于讀取顯示器中包含的 EDID ROM。
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19（1 pin）: 熱插拔檢測，用于向源端傳達(dá)已發(fā)生“熱插拔”事件的信號(hào)（例如已拔出電纜），這通常會(huì)導(dǎo)致源重新初始化 HDMI 鏈接。

3、設(shè)計(jì)部分

AC耦合電容:100nF（75~200nF）

線長的匹配部分：

組與組之間，HDMI*1.4控制在+/-1”(2.97GT/s)。

除了所說的2.97GT/s，還有一個(gè)1.65GT/s。當(dāng)然時(shí)鐘的頻率是多少，是能推算出來。

針對(duì)CMC，有些情況不是必須的，可以不要，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來分析。

過孔方面，除了常用的優(yōu)化，保證100mil以內(nèi)有回流過孔，過孔數(shù)量不能大于3個(gè)。

不管是HDMI1.4還是2.0，針對(duì)連接器和線纜的標(biāo)準(zhǔn)都是一樣的:
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線纜推薦的是38AWG的同軸電纜，阻抗為100 ohm。

線纜標(biāo)準(zhǔn)給出兩種類別：標(biāo)準(zhǔn)電纜，支持速率75MHz，分辨率是720p和1080i；高速電纜，支持速率340MHz，分辨率是1080p。?

連接器：

4、測試部分

根據(jù)測試規(guī)范CTS(Compliance Test Specification)。HDMI測試分為物理層和協(xié)議層的測試。

HDMI的測試需要在不同分辨率下進(jìn)行：

信號(hào)低電平的測試,一般選擇最低分辨率(640x480p)。

支持最高的分辨率下,進(jìn)行時(shí)鐘占空比/上升時(shí)間/時(shí)延等測試。

像素時(shí)鐘在27MHz，74.25MHz，148.5MHz，222.75MHz下，需要進(jìn)行時(shí)鐘抖動(dòng)和眼圖等測試。

軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行測試,并會(huì)給出一份詳細(xì)數(shù)據(jù)指標(biāo)的數(shù)值報(bào)告，同時(shí)會(huì)附帶眼圖等圖形.

測試的時(shí)候,TMDS信號(hào)要求在接收端提供3.3V的直流偏置。示波器連接探頭和夾具進(jìn)行測試時(shí)，終端要給3.3V的直流偏置,才能測出信號(hào)輸出。

5、仿真部分

對(duì)TMDS差分線進(jìn)行頻域分析，進(jìn)行S參數(shù)仿真，生成差分對(duì)差分損耗，來查看相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，一般以-3dB的基準(zhǔn)來查看傳輸線的性能。
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通過提取的S參數(shù)，搭建鏈路，賦予模型，即搭建等效電路模型，就可以進(jìn)行時(shí)域分析，得到相關(guān)的仿真眼圖（眼高、眼寬、抖動(dòng)等），查看相關(guān)指標(biāo)?？梢酝ㄟ^與測試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，修改相關(guān)參數(shù)設(shè)置，來比擬測試結(jié)果。

審核編輯：劉清