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全面解析数字高清(HDMI)技术与其应用

来源:投影时代 更新日期:2006-10-12 作者:刘力

HDMI技术特点

HDMI的英文全称是“High Definition Multimedia Interface”,中文的意思是高清晰度多媒体接口。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽,可以传送无压缩的数字音频信号及高分辨率视频信号。

由于无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换,可以保证最高质量的影音信号传送。应用HDMI的好处是:只需要一条HDMI线,便可以同时传送影音信号,对消费者而言,HDMI技术不仅能提供清晰的画质,而且由于音频/视频采用同一电缆,大大简化了家庭影院系统的安装。

2002年4月,由日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝等7家公司成立了HDMI组织开始制定新的专用于数字视频/音频传输标准。年末,高清晰数字多媒体接口(High-definition Digital Multimedia Interface)HDMI 1.0标准颁布。

HDMI在针脚上和DVI(Digital Visual Interface)兼容,只是采用了不同的封装,可以看作是DVI的强化与延伸,两者可以兼容。与DVI相比,HDMI可以传输数字音频信号,并增加了对HDCP (高带宽数字内容保护-High-bandwith digital content protection) 的支持。HDMI支持5Gbps的数据传输率,最远可传输15米,足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4GB/s,因此HDMI还有很大余量。

此外HDMI支持EDID(扩展显示识别数据-Extended display identification Data),DDC(显示数据通道-Data display channel,用以读出EDID),因此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组织还公布了高分辨率多媒体接口-HDMI的1.2版---更好的兼容PC系统。此次修订增加了若干条非常重要的改进,以方便PC连接和数字音频流(SACD等)的传输。使得这个数字视音频接口保持了其先进性,这显然是针对VESA推出Display port接口的回应。迄今为止,已经有超过250个厂商和470个不同类型的产品采用了HDMI接口。

DVD拷贝管制协会(CCA)规定,所有播放CSS保护内容并且画质高于480p/576p的DVD机,必须具备HDMI-HDCP或DVI-HDCP输出端子。美国的FCC(美国联邦通信委员会)也规定在2005年7月1日后所售的所有“具数字有线功能”(digital cable-ready)的电视,均必须具有HDMI-HDCP或DVI-HDCP输入端子。

此外,CableLabs也在其OpenCable计划中,规定所有高画质数字电视盒(HD-STBs)必须具备HDMI-HDCP或DVI-HDCP输出端子。代表欧洲信息通信技术与消费电子产业的组织EICTA,也于2005年1月宣布,任何贴有“HD Ready”的显示设备,必须通过HDMI或DVI数字接口接收高分辨率内容的传输,而且其HDMI或DVI输入端子必须要支持HDCP。

所有这些规定更加强化了HDMI在市场上的地位。HDMI已经成为事实上的数字电视和消费电子产品的接口标准。

HDMI技术及格式

HDMI技术

基于DVI的HDMI接口支持VESA组织的HDCP(高带宽数字内容保护-High-bandwith digital content protection)的内容,用以避免非授权的内容拷贝。同时,该标准还支持VESA组织的EDID(扩展显示识别数据-Extended displayidentification Data)、DDC(显示数据通道-Data display channel,用以读出EDID)及DMT(监视同步协议),此外EIA-861标准还定义了如何在DVI协议中包含宽高比及信号格式等信息。

19阵“Type A”A型HDMI接口采用单TMDS(Transition-Minimized Differential Signaling)连接,可以传输视频采样率在25-165MHZ范围内的视频信号。A型接口因尺寸小而更多地应用在消费电子行业。对于传输信号采样率高于165MHZ的视频信号,HDMI采用双TMDS的29针B型HDMI接口,这种接口一般用于PC市场

HDMI视频格式:

HDMI支持RGB信号、4:4:4采样的YCbCr信号及4:2:2采样的YCbCr.传输速率最高的24位/像素。对于640x480清晰度, R′G′B′通常的采用后数据范围为0-255. 对于YCbCr及所有其它RGB清晰度,采样后的数值范围为16-235。

HDMI音频数据格式:

基于DVD音频标准,HDMI支持1-8组非压缩音频传输,音频支持48,96 or 192 kHz等多种采样率。根据视频格式,HDMI可以传输不同数量的采样率在192KHZ的压缩音频。

HDMI接口

的特性:

完全的数字信号接口,无压缩,从信号源直接输出的直接数字图像及音频

一根线缆满足传输视音频信号的需要,所有的HD信号及音频信号在同一根线缆内传输,包括5个视频分量及多通道音频。

HDMI接口还支持传输智能信息如宽高比及信号格式、控制信息等,为设备间的智能化控制提供可能。

支持HDTV 1080P及更高清晰度信号的传输及显示,适应HDTV的应用

2003年,HDMI消费类电子产品的销售量只有25万台,但在2004年便成长至600万台以上。市场分析师认为应用HDMI的趋势将持续快速成长,并预期配备HDMI的产品的销量在2007年将增加至1.25亿台。根据IDC的估计,在2005年年底,全球将会有超过1500万台HDMI功能的数字电视,并在2007年年底成长至将近5000万台。

随着高清晰电视、高清DVD以及各国政府对于数字电视与数字内容产业的大力推动与扶植,数字影音产业已成为全球信息技术产业新一波的成长动力。作为一个数字显示设备与数字影音设备之间的桥梁,HDMI将成为新一代数字影音设备的接口标准并在日后取代DVI。

目前,HDMI技术入门费用颇高,仅入会年费就为US$15,000,HDCP的年费也为US$15,000,并且在销售产品时仍需缴纳每台US$0.05到US$0.15的版税,HDMI兼容性测试费用也在US$10,000到 US$20,000左右。真所谓“最黑的是定标准的”,日后是否会出DVD式的专利争议,不得而知。

北京利国公司在完成DVI全系列产品的研发之后,现已推出HDMI,HDCP的系列产品,形成包含DVI,HDMI,HDCP等数字信号在内的切换,分配,转换,传输的产品线,并已批量出口。目前已有的产品系列包括:

DVI系列:

分配器:1*2,1*4,1*8,1*12,1*16等
切换器:2*1,4*1,8*1,16*1,到8*8,16*16等
转换器:VGA 转 DVI , DVI转VGA
传输产品:转发器,电缆均衡器,光纤收发器

HDMI与HDCP系列:

分配器:1*2,1*4,1*8,1*12,1*16等
切换器;2*1,4*1,8*1,16*1,到8*8等
转换器:DVI和数字音频 转 HDMI,及反向转换
传输产品:转发器

DVI的应用方案

HDMI技术是将数字化的视频(Video)信号、音频(Audio)信号和VGA信号三者合并为同一接口,以同一标准覆盖,以解决原来不同的信号、不同的接口、不同的标准造成的应用不便。以前在工程设计中,要对三种信号应用情况分别进行设计和考虑,从设备选型、电缆选择,可能会出现的不同类型干扰,衰减等方面,总之,要考虑三类问题。但应用数字方式后,可将这三类问题合并为一个问题。试想,将来的某一天,在工程应用中不用再考虑视频有多少路,该选用多大的矩阵,不用再考虑有几路音频,如何去选用音频设备,有多少VGA信号,要传输多远,会出什么样的干扰,衰减等等。只是单一地考虑有多少路HDMI信号(其传输距离是有标准可查的),只需考虑距离有多远 ,选电缆传输还是用网线合算,或是用光纤更好。显示设备只要将信号接到设备的HDMI口一切就OK了。家庭应用要实现这一步较容易,电视(尤其是平板电视)已经具有HDMI接口,只需“傻瓜”的一接就行。但工程应用没有那么快,还是要逐步走向数字化应用的。

DVI的应用方案

DVI信号(VGA信号的数字化形式)在工程中应用优点明显,以前有拙文介绍过,概括起来有以下几点:

1、图像质量最好,相当于笔记本液晶屏的“原装信号” ,而且与传输距离关。

2、工程施工容易,数字信号只关心“0”与“1”的对错,只要数字传输中没有出错,图像质量就是有保证的,不会存在模拟方式中的“模糊、拖尾、重影、干扰”等等问题,工程变得很容易,只要信号到了,没有错点就算完成。

3、成本降低,纯从设备角度上讲,目前有些数字设备较贵,主要原因是用量较少,元器件的成本较高。但从这些年的发展来看,数字设备的元器件的成本降低很快,至少比模拟设备的降低要快,而且在设备研制中,一旦技术问题解决后,生产中的调试等环节能极大的节省,有助于成本的降低,因此,数字设备的价格与模拟设备的价格是可比的,甚至会可能会低于模拟设备。

某部会议系统案例分析

分析一个具体的应用案例。某部会议系统的框图如下:

应用介绍:会议没有固定的场地,根据不同的与会人员和会议规格临时选择场地,因此要求本系统是一套携型系统。信号源数量为四个,显示设备数量不定,传输距离不定,但图像质量要求高,分辨率要求达到1280×1024。要求安装简单容易,无需专业技术人员和工程人员参与。

根据需求设计方案如下:

由于是一套携型的移动使用系统,现场有可能随时变化,距离长短事先不可知,因此选用光纤传输,使用距离可在1KM范围内随意移动。考虑到图像质量,选用DVI方式(分辨率可达1600×1200)。开会时,工作人员将领导发言所需的课件在PC机上准备好(一主一备,另一套做准备),将显卡(双输出)输出的VGA信号接到自用液晶屏上,将DVI输出接到DVI切换器(4选1 )上,切换器根据需要选出所需的DVI信号进入光发送器,经过传输后,利用光接收器还原为DVI信号,根据会场布置,利用DVI分配器(本身就是DVI转发器Repeater)将DVI信号分配给显示设备,在输出口不够用时,可串接下一台分配器(原理上可无限地无损串接)以满足输出路数的需要。

由于传输过程中采用的是DVI信号,因此到达前端显示设备的信号相当于是PC机的“原装”信号。其信号质量比工作人员的液晶屏的图像质量还好。(根据理论分析和测试情况,工作人员的模拟信号与前端显示信号相比,多了一次A/D和D/A过程,频谱相差5-6dB)。工程施工中不用任何调试,只需检查信号是否收到,有无错点。这对于根据需要临时安装的场合优势极大。使用者可自行安装,无须工程人员参与。

与模拟方式的对比

利用模拟方式,也可完成上述功能,框图比较简单,不再画了。将PC机输出的VGA信号经过分配,一路到自用的显示器,另一路到VGA切换器,由VGA切换器输出后经电缆传输到前端,传输中根据不同的距离,选择长线驱动器或用一根足够长的电缆(因每次开会距离不定)配长线驱动,一次性解决问题,或利用光纤传输(又多一次A/D和D/A过程,频谱再衰减5-6dB),到达前端后利用模拟分配器和长线驱动器将信号进行分配和再传输。其主要缺点是⑴信号多次接力传送,损失较大。以前按此方案应用时,前端的图像缺陷较多,用户不太满意;⑵ 每次安装都需要现场调试,必须有专业技术和工程人员协助。⑶现场一旦出现干扰等问题时,一时无法解决,时间保障成问题。

其实数字和模拟两个方案比较,成本未必高不可攀,二者是差不多的,数字方案应用后,用户看到了效果和效益,非常赞同这种方式。

此案例是一个非常简单的应用,但效果明显。实际工程中,可根据信源的数量决定矩阵的大小,传输通道的数量,也可把Video信号转成VGA信号(DVI格式)可将通常所说的“视频”(其实就是Video信号与VGA信号的统称,因为都是为了显示的)统一起来考虑。

随着PC机的接口改进,PC机也直接采用HDMI接口形式输出。在显控行业中,真正地把“视频”信号(Vedio和VGA)和音频(5.1标准.8个通道)整合在一起,应用前景是非常广阔的。但目前,国际上HDMI应用也刚起步,国内的应用逐步开始,虽然应用方式比较简单,但也挺有趣。举个简单的例子。

在平板电视加装HDMI接口后,由于HDMI的信号的图像质量看起来确实比模拟信号的要漂亮得多,无论采用1080I或720P方式,数字方式都比模拟方式有优势(少了A/D和D/A过程)。因此各电视厂家都会在自己的展厅中选用HDMI的信号方式,表现自己彩电的优异品质。因此HDMI的小切换器和分配器就成了必选的设备,厂家将自己的演示内容经数字化后(或利用数字摄像机的原装信号)存入媒体播放器,以HDMI格式输出,经过选择和分配后,分别接入自己的彩电上,也可将PC机的DVI信号(可用转接线转成HDMI接口)接入。实际效果非常好,已全面使用。北京利国公司已经给几个厂家提供了HDMI的切换分配器,完全可以成熟地应用。从目前出口的种类和数量上看,估计主要应用也是如此,更深层次的应用尚未开始。

依本人拙见,当前数字化,数字高清的现状应该是:

1. 技术上领先,使用方便,应用前景广阔
2. 目前成本较高,但会很快下降
3. 工程方面,DVI方式可能更快地被应用,但HDMI会比DVI更灵活
4. 技术水平,国内不比国外差,有些方面比国外的发展更快,至少是在同一起跑线上
5. 有一定的技术难度和技术壁垒,入门成本较高

 标签: 矩阵切换 技术介绍
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