HDMI学习-2：HDMI传输原理

英文全称：H-High，D-Definition，M-Multimedia，I-Interface；高清晰度多媒体接口。
一、原理总览
主要组成：4对TMDS差分对 + DDC（I²C）+ HPD + CEC

1. 信号介绍：
   4对TMDS差分信号：1对时钟+3对数据；
   HDMI把视频信号分为R、G、B、H、V五种信号用TMDS技术编码。
   TMDS: 这三个通道传输R、G、B三原色，HV编码在B信号通道里面传输，R、G的多余位置用来传输音频信号。
   TMDS通道0传输B信号，同时H信号和V信号也嵌入该通道
   TMDS通道1传输G信号
   TMDS通道2传输R信号，R和G通道的多余位置用来传输音频信号

CEC：消费电子控制通道，通过这条通道可以控制视听设备的工作。

DDC：就是I²C信号，主要是获取显示器的基本信息(比如EDID信息)；
即显示数据通道，用来向视频接收装置发送配置信息和数据格式信息,接收装置读取这些E-EDID(增强扩展显示识别数据)的信息。

HPD：（Hotplug）热插拔信号，该信号比较重要，当HPD引脚大于2V，TMDS才会输出。因此，如果屏幕没有显示，首先要测量该信号！！！

2. TMDS通道
   • 传送音频，视频，以及各种辅助数据
   • 信号编码方式：遵循DVI 1.0规格。Single-link (Type A HDMI) or dual-link (Type B HDMI).
   • 视频像素带宽：从25 MHz到340 MHz (Type A, HDMI 1.3) 或至 680 MHz (Type B). 带宽低于25MHz的视频信号如NTSC 480i将以倍频方式输出。每个像素的容许数据量从24位至48位。支持每秒120张画面 1080p分辨率画面传送以及WQSXGA分辨率
   • 像素编码方式：RGB 4:4:4， YCbCr 4:4:4 (8-16 bits per component)；YCbCr 4:2:2 (12 bits per component)
   • 音频采样率：32 kHz, 44.1 kHz, 48 kHz, 88.2 kHz, 96 kHz, 176.4 kHz, 192 kHz.
   • 音频声道数量：最大8声道。
   • 音频流规格：IEC61937兼容流，包括高流量无损信号如Dolby TrueHD, DTS-HD Master Audio
3. HDMI接口的硬件设计：
   一般来说，接口都会人手接触，因此需要加ESD（Electro-Static discharge）保护器件（用于静电防护的器材），TMDS上使用专用ESD保护，其他信号使用普通ESD。另外，为了通过EMC：电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility）测试，TMDS需要串接共模电感。

二、TMDS技术原理
HDMI采用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，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。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的方式来屏蔽电磁干扰，从而得到正确的信号。

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。
一个HDMI包括3个TMDS数据通道和1个TMDS时钟通道。
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。

1.传输最小化

第一步：将8位并行RED数据发送到TMDS Tx。
第二步：并/串转换.
第三步：进行最小化传输处理，加上第9位，即编码过程。第9位数据称为编码位。
2.直流平衡（DC-balanced）
　直流平衡：在编码过程中，保证信道的直流偏移为零。方法是在原来的第9位数据后面加上1位，使得TMDS发送的”0″、”1″数量保持基本一致。这样，传输的数据趋于直流平衡，使信号对传输线的电磁干扰减少，提高信号传输的可靠性。
3.差分信号
利用两引脚间电压差来传送信号。

三、HDMI与分辨率

1. PCLK：像素时钟
   以1920x1080p/60hz为例：1920108060=124.4MHz
   以1280x720p/60hz为例：128072060=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3840×2160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)
   →→→ 3840216024bit60fps=11.94Gbps
   HDMI1.4像素时钟高达340MHz，即最大带宽是：
   →→→ 340MHz10bit（10bit编码）3（3个数据通道）=10.2Gbps
   但是由于HDMI采用的是8bit/10bit编码方式，实际效率是理论值的80%，所以10.2Gbps能传输的最大视频带宽是10.20.8=8.1Gbps

2. HDMI的显示格式历史：
   在HDTV中规定了三种标准：720P、1080i和1080P，帧（场）频为60Hz。这里以1080P/60Hz为例。每帧像素数为1920×1080=2073600（约为2.074M）个。刷新率为60Hz，则每秒需要信息的像素次数为2073600×60=124416000（约为124.42M）个，需要的数据量为124416000×10bit×3=3732480000(约为3.74Gbit)。由前面的计算可知，HDMI最初标准的数据率可以达到4.95Gbps，所以用起来绰绰有余。
   对于3D-TV,数据率要加倍，理论上需要达到至少3732480000×2=7464960000bit（约为7.46Gbps）。所以数据率最低为10.2Gbps的HDMI1.3版本可以支持3D。

3. 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：
   串行接口带宽 = 系统时钟频率X数据量
   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：
   1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。

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