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[HDMI] HDMI传输原理之TMDS

P:2020-04-08 21:28:07

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最近HDMI协会的规范更新非常之快,特别是在2.1的部分,具体细节之前都有更新发布,这里就不重复,今天和大家聊的是最基础的HDMI传输原理之TMDS(Time Minimized Differential Signal);其实HDMI传输原理和DVI相同,HDMI是源于DVI接口技术,它们主要是以美国晶像公司的TMDS信号传输技术为核心,这也就是为何HDMI接口和DVI接口能够通过转接头相互转换的原因,美国晶像公司是HDMI八个创始会员单位中唯一的集成电路设计制造公司,是高速串行数据传输技术领域的领导厂商.


TMDS原理

一个HDMI包括3个TMDS数据通道和1个TMDS时钟通道;

每一个TMDS时钟周期内,TMDS数据通道上会发送一个10位的字符信息。

每个TMDS时钟周期内,编码器将2位的控制数据、4位的报数据或者8位的视频数据采取不同的编码方式编码成10位数据;前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(DC-balanced,就是指在编码过程中保证信道中直流偏移为零,电平转化实现不同逻辑接口间的匹配),转换后的数据以差分传动方式传送。这种算法使得被传输信号过渡过程的上冲和下冲减小,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,提高信号传输的速度和可靠性.

综合而言就是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.


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.

  一般情况下,HDMI连接由一对信号源和接受器组成,有时候一个系统中也可以包含多个HDMI输入或者输出设备。每个HDMI信号输入接口都可以依据标准接收连接器的信息,同样信号输出接口也会携带所有的信号信息。HDMI数据线和接收器包括三个不同的TMDS数据信息通道和一个时钟通道,这些通道支持视频、音频数据和附加信息,视频、音频数据和附加信息通过三个通道传送到接收器上,而视频的像素时钟则通过TMDS时钟通道传送,接收器接受这个频率参数之后,再还原另外三个数据信息通道传递过来的信息。

HDMI在针脚上和DVI兼容,只是采用了不同的封装。与DVI相比,HDMI可以传输数字音频信号,并增加了对HDCP的支持,同时提供了更好的DDC可选功能。HDMI支持目前最高的HDMI2.1版本的48Gbps的数据传输率,最远可传输15米,足以应付一个8K的视频和一个16声道的音频信号。而因为一个8K的视频和一个168声道的音频信号需求少于4GB/s,因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器,接收器和PRR。此外HDMI支持EDID、DDC2B,因此具有HDMI的设备具有“即插即用”的特点,信号源和显示设备之间会自动进行“协商”,自动选择最合适的视频/音频格式。HDMI接口支持HDCP协议,为看有版权的高清电影电视打下基础.


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

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10.2*0.8=8.1Gbps


在TMDS数据通道中数据在三种不同的周期块中发送

  • 视频数据周期 (active video)

  • 数据岛周期 (data island)

  • 控制周期(ctl)

  • 在视频数据周期和数据岛周期之前都有一个前导的防护带 ;在数据岛周期的尾部也有一个防护带控制周期:控制周期用于传输引导数据,同时也被接受端用于字符同步


HDMI发展历程介绍详解

目前国内HDMI线材市场及其混乱,经常碰到兼容问题,比如最常见的1.4和1.3不兼容,1.4和2.0版不兼容,看到这可能会有人吐槽,明明cat2后的HDMI不分版本,线是通用的,以下为我们之前整理的汇总说明

连接器部分,HDMI联盟定义了type A/B/C/D/E共5种规格,其中双路的B口基本没有厂商在做(仅一款产品在官网注册)不用理会,剩下的C和D口分别是mini HDMI和micro HDMI,前者摄像机可能有在用,后者常见于手机等小型移动设备(D比C要小很多),E口是车载专用口,长21.9mm,外面有防脱落的倒钩,较少见,市面上最常见的是A口,长13.9mm,包括电视、显示器、播放器、游戏主机等众多家用数码设备. 
线缆部分,HDMI联盟将其分成了9类,同时又对厂家提出了一个叫做Category 的认证流程,这个流程完成后,根据其送测样品线缆的带宽值,分为Category1/2/3三个不同的认证标准,具体如下:
Cat1 
Standard HDMI Cable
Standard HDMI Cable with Ethernet  
Standard Automotive HDMI Cable  
Cat2  
High Speed HDMI Cable  
High Speed HDMI Cable with Ethernet  
High Speed Automotive HDMI Cable  
Premium High Speed HDMI Cable  
Premium High Speed HDMI Cable with Ethernet  
Cat3  
The Ultra High Speed HDMI Cable

其中Standard开头的是Cat 1,带宽不得低于2.25Gbps;High Speed是Cat2,不得低于10.2Gbps(HDMI 1.3引入),而Ultra High Speed是Cat3,它是最新的HDMI2.1标准所相匹配的新线缆带宽48 Gbps.
除了Cat3和Premium High Speed ,Cat1和Cat2认证都分别对应三种,分别为普通版,网络版,Automotive即车载版.
要注意的是,Premium High Speed很特别,官方没说明它属于Cat2,但因为Ultra High Speed才是Cat3,那么把它就姑且放在2里面吧,或者也可以说是Cat2超,带宽18Gbps,通过该认证的设备带有一个黄色二维码标志,这也是以前所不具有的,从HDMI联盟官网所见,网络版的Premium似乎还是用的老版本的High Speed的蓝色标志,具体可见下附型号.


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P:2020-10-28 17:29:32

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谢谢分享

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