HDMI的基本傳輸原理

    提起數碼產品的接口，大家都能列舉出一大片，什么S端子、AV端子、色差分量接口、VGA接口、DVI接口……而說到HDMI數字信號接口，消費者更不會陌生，作為最新一代的數字接口，HDMI已經廣泛應用于各種數碼產品上，不管是平板電視、DVD碟機、高清播放機，還是投影儀、數碼攝像機、液晶顯示器，以及藍光DVD和HD DVD，都少不了HDMI數字信號接口的身影。

　　消費者對HDMI接口的優點都非常了解，這里筆者也不準備再多介紹，提起為何HDMI接口有這些優點可能大家就不清楚了，HDMI接口在數據的保密技術上的優勢獲得了眾多企業的推崇，那么到底其又有何特點，下面將給大家一一解開謎底。

　　HDMI（High－Definition Multimedia Interface）又被稱為高清晰度多媒體接口，是首個支持在單線纜上傳輸，不經過壓縮的全數字高清晰度、多聲道音頻和智能格式與控制命令數據的數字接口。HDMI接口由Silicon Image美國晶像公司倡導，聯合索尼、日立、松下、飛利浦、湯姆遜、東芝等八家著名的消費類電子制造商聯合成立的工作組共同開發的。HDMI最早的接口規范HDMI1.0于2002年12月公布，目前的最高版本是于今年6月發布的HDMI1.3規范。

　　HDMI源于DVI接口技術，它們主要是以美國晶像公司的TMDS信號傳輸技術為核心，這也就是為何HDMI接口和DVI接口能夠通過轉接頭相互轉換的原因。美國晶像公司是HDMI八個發起者中唯一的集成電路設計制造公司，是高速串行數據傳輸技術領域的領導廠商，因為下面要提到的TMDS信號傳輸技術就是它們開發出來的，所以這里稍微提及一下。

　　TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）也被稱為最小化傳輸差分信號，是指通過異或及異或非等邏輯算法將原始信號數據轉換成10位，前8為數據由原始信號經運算后獲得，第9位指示運算的方式，第10位用來對應直流平衡（DC-balanced，就是指在編碼過程中保證信道中直流偏移為零，電平轉化實現不同邏輯接口間的匹配），轉換后的數據以差分傳動方式傳送。這種算法使得被傳輸信號過渡過程的上沖和下沖減小，傳輸的數據趨于直流平衡，使信號對傳輸線的電磁干擾減少，提高信號傳輸的速度和可靠性。

　　一般情況下，HDMI連接由一對信號源和接受器組成，有時候一個系統中也可以包含多個HDMI輸入或者輸出設備。每個HDMI信號輸入接口都可以依據標準接收連接器的信息，同樣信號輸出接口也會攜帶所有的信號信息。HDMI數據線和接收器包括三個不同的TMDS數據信息通道和一個時鐘通道，這些通道支持視頻、音頻數據和附加信息，視頻、音頻數據和附加信息通過三個通道傳送到接收器上，而視頻的像素時鐘則通過TMDS時鐘通道傳送，接收器接受這個頻率參數之后，再還原另外三個數據信息通道傳遞過來的信息。

視頻和音頻信號傳輸

　　HDMI輸入的源編碼格式包括視頻像素數據、控制數據和數據包。其中數據包中包含有音頻數據和輔助信息數據，同時HDMI為了獲得聲音數據和控制數據的高可靠性，數據包中還包括一個BCH錯誤糾正碼。HDMI的數據信息的處理可以有多種不同的方式，但最終都是在每一個TMDS通道中包含2位的控制數據、8位的視頻數據和4位的數據包。HDMI的數據傳輸過程可以分成三個部分：視頻數據傳輸期、島嶼數據傳輸期和控制數據傳輸期。

HDMI數據傳輸示意圖，HDMI有三個TMDS數據信息通道

　　視頻數據傳輸期，HDMI數據線上傳送視頻像素信號，視頻信號經過編碼，生成3路（即3個TMDS數據信息通道，每路8位）共24位的視頻數據流，輸入到HDMI發射器中。24位像素的視頻信號通過TMDS通道傳輸，將每通道8位的信號編碼轉換為10位，在每個10位像素時鐘周期傳送一個最小化的信號序列，視頻信號被調制為TMDS數據信號傳送出去，最后到接受器中接收。

　　島嶼數據傳輸期，TMDS通道上將出現音頻數據和輔助數據，這些數據每4位被一組，構成一個上面提到的4位數據包，數據包和視頻數據一樣，被調制為10位一組的的TMDS信號后發出。視頻數據傳輸期和島嶼數據傳輸期均開始于一個Guard Band保護頻帶，Guard Band由2個特殊的字符組成，這樣設計的目的在于在明確限定控制數據傳輸期之后的跳轉是視頻數據傳輸期。

　　控制數據傳輸期，在上面任意兩個數據傳輸周期之間，每一個TMDS通道包含2位的控制數據，這一共6位的控制數據分別為HSYNC（行同步）、VSYNC（場同步）、CTL0、CTL1、CTL2和CTL3。每個TMDS通道包含2位的控制數據，采用從2位到10位的的編碼方法，在每個控制周期最后的階段，CTL0、CTL1、CTL2和CTL3組成的文件頭，說明下一個周期是視頻數據傳輸期還是島嶼數據傳輸期。

　　島嶼數據和控制數據的傳輸是在視頻數據傳輸的消隱期，這意味著在傳輸音頻數據和其他輔助數據的時候，并不會占據視頻數據傳輸的帶寬，并且也不要一個單獨的通道來傳輸音頻數據和其他輔助數據，這也就是為什么一根HDMI數據線可以同時傳輸視頻信號和音頻信號的原因。

HDMI的高音視頻帶寬

　　HDMI的數據信息的處理可以有多種不同的方式，也就是說HMDI支持多種方式的視頻編碼，通過對3個TMDS數據信息通道的合理分配，既可以傳輸RGB數字色度分量的4：4：4信號，也可以傳輸YCbCr數字色差分量的4：2：2信號，最高可滿足24位視頻信號的傳輸需要。

　　HDMI每個TMDS通道視頻像素流的速率一般在25MHz～165MHz之間，HDMI1.3規范已經將這一上限提升到了225MHz，當視頻格式的速率低于25MHz時，將使用像素重復法來傳輸，即視頻流中的像素被重復使用。以每個TMDS通道最高165MHz的頻率計算，3個TMDS通道傳輸R/G/B或者Y/Cb/Cr格式編碼的24位像素視頻數據，最高帶寬可以達到4.95Gbps，實際視頻信號傳輸帶寬接近4Gbps，而現在最高規格的高清視頻格式1080p所需的帶寬僅僅為2.2Gbps，因此HDMI擁有的充足帶寬不僅可以滿足現在高清視頻的需要，在今后相當長一段時間內都可以提供對更高清晰度視頻格式的支持。

HDMI接口的高傳輸速度使得今后的擴展性大大提高

　　除了高的視頻信號帶寬之外，HDMI還在協議中加入了對音頻信號傳輸的支持，形成了業界首個單線纜多媒體接口協議。HDMI的音頻信號不占用額外的通道，而是采用和其他輔助信息一起組成數據包，利用3個TMDS通道在視頻信號傳輸的消隱期，以島嶼數據的形式傳送。即使在傳輸1080p（60Hz）的視頻信號的時候，還可以提供最高8路，每路采樣頻率192kHz的高質量音頻信號，相比之下，CD音頻制式44.1kHz的兩聲道信號，以及最新的DVD－Audio音頻格式96kHz的6聲道信號，就相形見絀了。