HDMI完全使用手册.docx
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HDMI完全使用手册
HDMI完全使用手册
（1）
HDMI技术，中文全名“高清多媒体接口”，是目前在各种视频、音频领域应用最广泛的一种接口标准。
作为正在成为各种数字影音设备和PC中必配的新型接口技术，HDMI到底是如何而来？
又究竟是什么让HDMI做到在众多接口技术中独领风骚？
HDMI风光的外表下又到底蕴含着什么样的危机？
今天，这篇“HDMI全书”就将带你拨开缠绕在HDMI身上的层层迷雾。
第一章我们为什么需要数字传输接口
第一节：
数字化影音时代模拟接口的缺陷
说起显示设备，很多人都会在第一时间想起电视机和电脑显示器这些在生活中随处可见的设备。
的确，随着人类社会的不断进步，各种显示设备已经在人类社会中发挥了巨大的作用，无论是在工业生产的第一线，还是在家庭休闲娱乐的时刻，人们都希望能看到清晰、流畅的影像。
而对于显示设备来说，要想显示出丰富多彩的高分辨率画面，除了高质量的信号源，还需要一个高性能的信号传输、接收装置，也就是我们常说的信号接口。
打个比方，我们可以把影像信号看成装满了货物的汽车，那么传输影像信号的装置就是让汽车行驶的公路（信号接口的带宽就如同公路的通行能力）。
人们为了提高影像的清晰度，不停的在增加公路上行驶的汽车数量（以装载更多的数据量），而要保证汽车不会发生拥堵，将公路升级改造为通行量更大、更宽的高速公路，就是一个必不可少的手段。
这四种都是最常见的模拟输出端子
好莱坞是防盗版技术的最大受益者
HDMI的全称是“HighDefinitionMultimediaInterface高清多媒体接口”。
2002年4月，来自电子电器行业的7家公司——日立、松下、飞利浦、SiliconImage、索尼、汤姆逊、东芝共同组建了HDMI高清多媒体接口接口组织HDMIFounders（HDMI论坛），开始着手制定一种符合高清时代标准的全新数字化视频/音频接口技术。
经过半年多时间的准备工作，HDMIfounders在2002年12月9日正式发布了HDMI版标准，标志着HDMI技术正式进入历史舞台。
HDMI技术的推出，并不是这些厂家一时兴起的冲动行为，相反，在HDMI技术推出的背后，还有这更多的深层次原因。
1999年4月份，为了满足数字化时代高质量图形影像的要求，DDWG（DigitalDisplayWorkingGroup）数字显示工作组以美国SiliconImage公司的专利技术为蓝本，推出了一种名为DVI（DigitalVisualInterface）的接口，旨在统一新时代数字显示接口标准。
这一技术并且得到了IT业内以Intel、DELL、HP、IBM、微软等个大企业的广泛支持。
经过3年多的推广，DVI技术在计算机显示输出领域得到了迅速运用，但是伴随着数字高清影音技术的发展，DVI接口也开始逐渐暴露出种种问题，甚至在一定程度上成为数字影像技术进步的瓶颈。
DVI接口
DVI接口虽然是一种全数字化的传输技术，但是在开发之初，其最初目标就是要实现高清晰、无损压缩的数字信号传输。
由于没有考虑到IT产品和AV产品融合的趋势，DVI标准过分偏重于对计算机显示设备的支持而忽略了对数字平板电视等AV设备的支持。
同时，对于一直关注盗版问题的好莱坞出版商们，DVI接口也没有提供他们所关心的版权防盗功能。
因此从最后的结果来看，DVI接口虽然成功的实现了无损高清传输这一目标，但是过于专一的定位也在相当程度上造成了整体性能的落后。
下面我们看看DVI接口存在的主要问题：
*DVI接口考虑的对象是PC，对于平板电视的兼容能力一般。
*DVI接口对影像版权保护缺乏支持。
*DVI接口只支持计算机领域的RGB数字信号，而对数字化的色差信号
无法支持。
*DVI接口只支持8bit的RGB信号传输，不能让广色域的显示终端发挥出
最佳性能。
*DVI接口出于兼容性考虑，预留了不少引脚以支持模拟设备，造成接
口体积较大，效率很低。
*DVI接口只能传输图像信号，对于数字音频信号的支持完全没有考
虑。
由于以上种种缺陷，DVI接口已经不能更好的满足整个行业的发展需要。
因此，无论是IT厂商，平板电视制造商，还是好莱坞的众多出版商，都迫切需要一种更好的能满足未来高清视频行业发展的接口技术，也正是基于这些原因，才促使了HDMI标准的诞生。
第三节：
HDMI标准的主要特性和优势
在HDMI标准制定之初，并没有抛弃DVI标准中相对成熟且较易实现的部分技术标准。
整个传输原理依然是基于SiliconImage公司的TMDS编码技术。
而对于DVI接口存在的各种缺陷，HDMI进行了大幅提升，主要体现在以下方面：
*更好的抗干扰性能，能实现最长20米的无增益传输。
*针对大尺寸数字平板电视分辨率进行优化，兼容性好。
*支持EDID（注1）和DDC2B（注2）标准，设备之间可以智能选择最佳匹配的连接方式。
*拥有强大的版权保护机制（HDCP），有效防止盗版现象。
*支持24bit色深处理，（RGB、YCbCr4-4-4、YCbCr4-2-2）。
*接口体积小，各种设备都能轻松安装。
*一根线缆实现数字音频、视频信号同步传输，有效降低使用成本和繁杂程度。
*完全兼容DVI接口标准，用户不用担心新旧系统不匹配。
*支持热插拔技术。
注1：
EDID（ExtendedDisplayIdentificationDATA，即扩展显示识别数据），最初是为PC显示器设置的优化显示格式而设计的规范，存储在显示器中专用的容量为1Kb的EEROM存储器中。
而HDMI接口，则遵从并且扩展了此规范。
HDMI接口在数字电视中的EDID数据结构，与PC显示器的最大区别是编程数据可以是128Byte的倍数，它不仅规定数字电视显示的格式，也规定数字视频信号和数字音频信号。
注2：
DDC2B是主机与显示设备准双向通讯的协议标准，主要基于I2C通讯协议。
只有主机向显示设备发出需求信号，并得到显示器的响应后，显示设备才会像主机送出EDID资料。
上述仅仅罗列了HDMI技术相对于DVI技术的主要优势，而随着HDMI标准本身的发展，其从最初的版本也进化出了版本和等后续版本，不仅性能更加强大，兼容性也更加出色。
因此，HDMI正在成为高清时代普及率最高、用途最广泛的数字接口。
在现在任何一台平板电视上，HDMI接口都成了标准化的配置。
第二章HDMI技术详解
那么到底HDMI标准采用了什么样的传输原理？
HDMI的具体性能又是怎样？
下面就进入本文的第二部分：
详解HDMI技术。
第一节：
HDMI传输原理解析
如同最顶级的发动机是F1赛车驰骋赛场的保障一样，HDMI标准之所以拥有强大的数据传输能力，和它的传输原理是分不开的，下面我们就看看HDMI标准的传输原理是什么。
HDMI标准继续沿用了和DVI相同的，由SiliconImage公司发明的TMDS（TimeMinimizedDifferentialSignal）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。
这不仅是DVI技术的基础，也是HDMI技术的基础原理。
TMDS差分传动技术是一种利用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。
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。
TMDS对每个像素点中的RGB三原色分别按8bit编码
TMDS数据发送时序结构
一般来说，HDMI传输的编码格式中要包含视频数据（版本前每个像素采用24bit）、控制数据和数据包（数据包中包含音频数据和附加信息数据，例如纠错码等）。
TMDS每个通道在传输时要包含一个2bit的控制数据、8bit的视频数据或者4bit的数据包即可。
在HDMI信息传输过程中，可以分为三个阶段：
视频数据传输周期、控制传输周期和数据岛传输周期，分别对应上述的三种数据类型。
HDMI带宽和TMDS的关系
而在HDMI标准中所规定的带宽，在版本就设定为最高。
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：
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编码图例：
3个TMDS分别传输像素点的RGB数据
HDMI电路中的时钟频率，在最初制定时范围从25MHz-165MHz之间，也就是说一个TMDS通道每秒最多能传输165MHz×10bit=的数据，3个TMDS通道一秒就可以传输×3=的数据，再加上控制数据，用标准方法表示就是的带宽。
而如果用像素点来表示，那就是一秒可以传输显示个像素点（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IEC60985L-PCM标准的32kHz、和48kHz、16bit量化的立体声数字音频信号和IEC61937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和DTS数字音频格式也能通过HDMI直接传输。
第二节：
HDMI接口类型
按照电气结构和物理形状的区别，HDMI接口可以分为TypeA、TypeB、TypeC三种类型。
每种类型的接口分别由用于设备端的插座和线材端的插头组成，使用5V低电压驱动，阻抗都是100欧姆。
这三种插头都可以提供可靠的TMDS连接，其中A型是标准的19针HDMI接口，普及率最高；B型接口尺寸稍大，但是有29个引脚，可以提供双TMDS传输通道，因此支持更高的数据传输率和Dual-LinkDVI连接。
而C型接口和A型接口性能一致，但是体积较小，更加适合紧凑型便携设备使用。
TypeA的物理规格
TYPEA是最常见的接口形式
TypeA型HDMI插座成扁平的“D”型，上宽下窄。
接口外侧设有一圈厚度为毫米的金属材质屏蔽层，防止来自外界的各种干扰信号。
其中用于设备端的插座内径最宽处14毫米，高毫米。
19跟引脚在中心位置分两层排列。
每根引脚的宽度为毫米，长度为毫米。
A型的插头外径是最宽处毫米，高毫米。
内部的引脚呈环状排列。
而HDMI标准规定这些尺寸的误差要控制在相当小的范围内（毫米左右），以保证良好的接触性。
以TypeA为例，HDMI各引脚的定义如下：
TypeB的物理规格
B型HDMI接口的物理结构相比于A型接口，基本形状并没有太大变化，都是“D”型。
但是其插座端最大宽度达到了毫米，比A型的14毫米足足大了一圈。
相应的，B型接口的插头端尺寸也有所改变，具体看下图。
TypeB型接口
TypeC接口物理规格
C型HDMI接口设计目的就是为了紧凑型便携设备，因此C型插座的尺寸只有×毫米，而插头也只有×毫米。
非常的小巧。
TypeC-TypeA转换器
这三种HDMI接口之间并没有做到完全的兼容，也就是说A型头不能通过转接设备连接到B型头，B型头又不能转接成C型头，不过由于A型头和C型头仅仅是物理尺寸上不一样，他们之间是可以通过转换设备实现兼容的。
HDMI-DVI之间的转换属于物理转换
由于和DVI采用了相同的TMDS传输机制，所以HDMI对DVI接口拥有非常强大的兼容性。
目前市面上也有不少HDMI-DVI的转接头产品，对于没有HDMI的老设备而言非常适用。
而HDMI-DVI转接头在实质上就是两种接头间的物理转换工具，只涉及到接口的形状、尺寸和引脚定义，在电路部分没有任何的变化。
而HDMI标准中也考虑到了和DVI设备兼容的问题：
只要HDMI设备检测到对方发送的信号中不包含HDMI标准中规定的特殊控制数据（VSDB信号，专门用于两个设备之间互相确认对方身份），就会把对方认为DVI设备，并且把传输规格切换到DVI格式，从而保证了良好的兼容性。
第三节：
HDMI支持的显示格式
HDMI的带宽我们在上文已经做过解析。
在HDMI第一版规格中，就已经拥有了最大的传输速率，这种传输速率能支持多大规格的显示格式呢？
我们不妨先算一算HDTV中最高的1080p格式的码率是多少。
那么HDMI最初标准中的的带宽够不够时下最流行的HDTV全高清规格使用呢？
我们不妨再算一算。
HDTV中分别规定了720p/1080i/1080p三种分辨率规格。
以最高规格的1080p/60Hz格式为例，其需要显示的总像素个数是1920×1080=2，073，600（）个。
每秒刷新60次，所需要显示的总像素数量也就个，总数据量是×3=，因此用HDMI的带宽用起来也是绰绰有余。
在PC显示领域，HDMI接口支持SXGA:
1280×1024@85Hz和UXGA:
1600×1200@60Hz规格。
而在广播电视行业使用的TV格式中，则支持标清格式下的480i、480p（含16:
9格式）、576i、576p规格以及高清HDTV中的720p、1080i、1080p规格。
第四节：
HDCP版权保护技术解析
版权保护机制的功能
HDMI技术另一大特点，就是具备完善的版权保护机制，因此受到了以好莱坞为代表的影视娱乐产业的广泛欢迎。
例如美国的节目内容分销商DIRECTV、EchoStar，有线电视业者协会CableLabs，都明确表示要使用HDCP技术来保护他们的数字影音节目在传播过程中不会被非法组织翻拍。
因此，HDMI加入了HDCP版权保护机制后，从节目源方面就会有更加充分的保障。
HDCP全名为（High-bandwidthDigitalContentProtection），中文名称是“高带宽数字内容保护”。
HDCP就是在使用数字格式进行传输的信号的基础上，再加入一层版权认证保护的技术。
这项技术是由好莱坞内容商与Intel公司合作发开，并在2000年2月份的时候被正式推出。
HDCP技术可以被应用到各种数字化视频设备上，例如电脑的显示卡、DVD播放机，显示器、电视机、投影机等等。
这个技术的开发目的就是为了解决21世纪数字化影像技术和电视技术高度发展后所带来的盗版问题。
在各种视频节目、有线电视节目、电影节目都实现数字化传播后，没有保护的数字信号在传播、复制的过程中变得非常容易，并且不会像模拟信号，经过多次复制后会出现明显的画质下降问题。
因此会对整个影视行业产生极大的危害。
这也是HDCP在21世纪之初就迅速诞生的原因。
相比于传统的加密技术，HDCP在内容保护机制上走了一条完全不同传统的道路，并且收到了良好效果。
传统的加密技术是通过复杂的密码设置，让全部数字信号都无法录制或播放，但HDCP是将数字讯号进行加密后，让非法的录制等手段，无法达到原有的高分辨率画质。
也就是说，如果你的设备不支持HDCP协议，录制或播放的时候效果会大打折扣，或者根本播放不出来。
HDCP是一种双向内容保护机制
此外，HDCP还是一种双向的内容保护机制。
也就是说，HDCP的要求是播放的数字内容以及硬件本身都必须遵照一套完整的协议才能实现，其中一方面出现问题都可能导致播放失败。
打个比方，如果用户买的液晶电视有HDCP功能，但是DVD播放机却不带HDCP功能，那么在看有HDCP版权保护的正版DVD时，是不能实现播放的。
实现机制
每个支持HDCP的设备都必须拥有一个独一无二的HDCP密钥（SecretDeviceKeys），密钥由40组56bit的数组密码组成。
这个部分HDCP密钥可以放在单独的芯片中，也可以放在其它芯片的内部，例如ATI和Nvdia（世界两大著名显卡主芯片供应商）完全可以将它们放入显示芯片中。
每一个有HDCP芯片的设备会拥有一组私钥（DevicePrivateKey），一组私钥将会组成KSV（KeySelectionVector）。
KSV相当于这台拥有HDCP芯片设备的ID号。
HDCP传输器在发送讯号前，将会检查传输和接受数据的双方是否是HDCP设备，它利用HDCP密钥（SecretDeviceKeys），让传输器与接收端交换，这时双方将会获得一组KSV并且开始进行运算，其运算的结果会让两方进行对照，若运算出来的数值相符，该传输器就可以确认该接收端为合法的一方。
传输器确定了接收端符合要求，传输器便会开始进行传输讯号，不过这时传输器会在讯号上加入了一组密码，接收端必须实时进行解密才能够正确的显示影像。
换句话说，这HDCP并不是确认双方合法后就不管了，这家伙还在传输中加入了密码，以防止在传输过程中偷换设备。
具体的实现方法是HDCP系统会每2秒进行确认，同时每128帧画面进行一次发送端和接受端计算一次RI值，比较两个RI值来确认连接是否同步。
密码和算法泄密是厂家最头疼的事，为了应对这个问题，HDCP特别建立了“撤销密钥”机制。
每个设备的密钥集KSV值都是唯一的，HDCP系统会在收到KSV值后在撤销列表中进行比较和查找，出现在列表中的KSV将被认做非法，导致认证过程的失败。
这里的撤销密钥列表将包含在HDCP对应的多媒体数据中并将自动更新。
简单的说，KSV是针对每一个设备制定了唯一的序号，比较自然的可用号码是每个设备的SN号。
这样一来，即便是某个设备被破解了，也不会影响到整体的加密效果。
独立的HDCP芯片
集成了HDCP的HDMI主控芯片，SiliconImage公司产品
总的来说,HDCP的规范相当严谨，除了内容本身加密外，传输过程也考虑的相当精细，双方设备都要内置HDCP才能实现播放。
但是最后需要指出的是，HDCP和HDMI或者DVI接口之间并没有必然的联系，只是HDMI标准在制定之初就已经详细的考虑到了对HDCP的支持，并且在主控芯片中内置了HDCP编码引擎，因此在版权保护方面，要大大领先于DVI技术。
除了数据传输能力的限制，另一个影响到模拟接口继续使用的因素来自好莱坞的影视出版商们。
由于模拟接口不具备任何防盗版能力，因此盗版影片、电视剧的横行给他们造成了巨大的经济损失。
根据美国影协的统计，仅2005年，因为盗版问题好莱坞的几个主要电影制片厂就损失了近61亿美元。
如果算上电视剧等方面，这个数字会更加惊人，因此，具有版权保护功能的数字接口也得到了好莱坞方面的热烈欢迎。
当然，数字接口只是一个比较笼统的称谓，只要是传输“0”和“1”数字信号的接口，都可以看成是数字接口。
比如常见的USB接口，就是一种纯正的数字接口，但是很显然，现在并没有多少设备在用USB接口作为视频信号传输的方式。
所以，打造出适合影像传输的专用型数字化接口就显得非常重要。
第二节：
HDMI标准横空出世
在过去的相当一段时间内，以CRT为代表的模拟显示设备占据了整个显示设备中的绝大多数。
由于生产工艺的限制，CRT显示设备的尺寸普遍较小，分辨率也不是特别高。
同时从信号的数据量来看，也不是特别巨大，因此兼容性强、而成本低廉的各种模拟接口得到了广泛应用，比如很多人都熟悉的AV接口、S端子、色差端子和VGA接口。
进入21世纪后，随着液晶电视、等离子电视等大尺寸数字化平板显示设备的普及，以及高清电视格式（720p/1080i/1080p）的确定，传统模拟接口的带宽已经已经不能满足海量数据流传输的需要，也不符合数字化的潮流。
因此，传输速度更快的全数字化接口势必会成为传统模拟接口的终结者。
HDMI完全使用手册
（2）
第五节：
HDMI标准的发展之路
HDMI标准从2002年发布至今，已经经历了将近5年的时间。
在这不算短的时间内，HDMI标准也在根据不断变化的外部环境，进行着自身的更新，从最初的版，到版，到版，再到目前最新的版，HDMI在性能不断进化的同时，基本的物理架构和传输原理并没有发生太大的变化，因此也保证了良好的向下兼容性。
HDMI接口版本发展之路回顾：
2002年2月，七家厂商成立HDMIFounders，共同开始着手制定HDMI标准。
2002年12月，标准正是发布。
2004年5月，标准的首个升级版HDMI标准发布，由于规格变化不大，没有引起广泛关注。
2005年8月，针对对PC领域设备支持不足的缺陷，HDMI发布。
相比于之前的规格，HDMI版本增加了若干条非常重要的改进，在连接PC和数字音频时更加方便。
2005年12月，针对HDMI标准的修改版HDMI发布，主要增加了可以利用一个遥控器控制多台电器的CEC功能，并且完善了各种HDMI设备的测试规则。
2006年5月，自HDMI标准推出以来，规格变更最大、指标最高的标准正是亮相。
在新的HDMI版本中，不仅带宽和数据传输速率增加了一倍，还加入了对xvYCC广色域、高bit色深以及更高HDTV/PC分辨率规格的支持。
细细看过HDMI标准每一次推陈出新的时间，我们不难看出HDMI标准的更新频率在明显加快。
的确，导致HDMI标准快速发展的推动力，很大程度上是来自于最近几年高速发展的数字影像技术和HDTV技术。
而在最新的HDMI标准之中，这种现象就体现的非常明显。
下面第7节中，我们将带您深入HDMI标准，看看它都给我们的带来了什么样的新特性。
第六节：
HDMI音频功能解析
音频功能浅析
在HDMI没有出现之前，数字音频信号的传输的主要依靠两种途径：
采用标准RCA接口的数字同轴电缆和SPDIF光纤传输。
从传输的质量和特点上看，这两者各有千秋，但是都能比较好的完成传输数字音频信号的目标。
同轴电缆都拥有比较完善的屏蔽层，中间的铜芯才是信号传输的通道
利用75欧姆同轴电缆传输数字音频信号是一种非常成熟且高质量的方式。
这种接口标准对设备端的硬件要求较低，但是在传输高频信号时，容易发生比较大的衰减，影响到最终音质。
相比于同轴传输，光纤对设备接收、发射端的同步时许要求非常严格，在技术上比同轴要难于实现，但是光纤技术在长距离传输方面的优势非常明显，不会出现同轴电缆长距离衰减过大的问题，因此也得到了很多有距离限制以及新装修用户的青睐。
此外，无论是采用光纤传输，还是同轴电缆传输，都需要购买一根单独的连线，对于用户来说，就意味着使用成本和复杂程度的增加。
HDMI技术则综合了以上两者的优点：
在物理层它没有采用对同步时序要求严格的光纤连接，而是采用了成熟的电缆连
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