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标题: 数字高清时代全面解密HDMI接口技术 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 09:25
标题: 数字高清时代全面解密HDMI接口技术

HDMI的基本传输原理

　　HDMI（High－Definition Multimedia Interface）又被称为高清晰度多媒体接口，是首个支持在单线缆上传输，不经过压缩的全数字高清晰度、多声道音频和智能格式与控制命令数据的数字接口。HDMI接口由Silicon Image美国晶像公司倡导，联合索尼、日立、松下、飞利浦、汤姆逊、东芝等八家著名的消费类电子制造商联合成立的工作组共同开发的。HDMI最早的接口规范HDMI1.0于2002年12月公布，目前的最高版本是于06年6月发布的HDMI1.3规范。
　　HDMI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八个发起者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，因为下面要提到的TMDS信号传输技术就是它们开发出来的，所以这里稍微提及一下。

　　TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）也被称为最小化传输差分信号，是指通过异或及异或非等逻辑算法将原始信号数据转换成10位，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（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。
　　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。

视频和音频信号传输

　　HDMI输入的源编码格式包括视频像素数据、控制数据和数据包。其中数据包中包含有音频数据和辅助信息数据，同时HDMI为了获得声音数据和控制数据的高可靠性，数据包中还包括一个BCH错误纠正码。HDMI的数据信息的处理可以有多种不同的方式，但最终都是在每一个TMDS通道中包含2位的控制数据、8位的视频数据和4位的数据包。HDMI的数据传输过程可以分成三个部分：视频数据传输期、岛屿数据传输期和控制数据传输期。

HDMI数据传输示意图，HDMI有三个TMDS数据信息通道

　　视频数据传输期，HDMI数据线上传送视频像素信号，视频信号经过编码，生成3路（即3个TMDS数据信息通道，每路8位）共24位的视频数据流，输入到HDMI发射器中。24位像素的视频信号通过TMDS通道传输，将每通道8位的信号编码转换为10位，在每个10位像素时钟周期传送一个最小化的信号序列，视频信号被调制为TMDS数据信号传送出去，最后到接受器中接收。
　　岛屿数据传输期，TMDS通道上将出现音频数据和辅助数据，这些数据每4位被一组，构成一个上面提到的4位数据包，数据包和视频数据一样，被调制为10位一组的的TMDS信号后发出。视频数据传输期和岛屿数据传输期均开始于一个Guard Band保护频带，Guard Band由2个特殊的字符组成，这样设计的目的在于在明确限定控制数据传输期之后的跳转是视频数据传输期。

HDMI的数据传输周期示意图：左到右分别为控制数据传输期、岛屿数据传输期、视频数据传输期

　　控制数据传输期，在上面任意两个数据传输周期之间，每一个TMDS通道包含2位的控制数据，这一共6位的控制数据分别为HSYNC（行同步）、VSYNC（场同步）、CTL0、CTL1、CTL2和CTL3。每个TMDS通道包含2位的控制数据，采用从2位到10位的的编码方法，在每个控制周期最后的阶段，CTL0、CTL1、CTL2和CTL3组成的文件头，说明下一个周期是视频数据传输期还是岛屿数据传输期。
　　岛屿数据和控制数据的传输是在视频数据传输的消隐期，这意味着在传输音频数据和其他辅助数据的时候，并不会占据视频数据传输的带宽，并且也不要一个单独的通道来传输音频数据和其他辅助数据，这也就是为什么一根HDMI数据线可以同时传输视频信号和音频信号的原因。

HDMI的高音视频带宽

　　HDMI的数据信息的处理可以有多种不同的方式，也就是说HMDI支持多种方式的视频编码，通过对3个TMDS数据信息通道的合理分配，既可以传输RGB数字色度分量的4：4：4信号，也可以传输YCbCr数字色差分量的4：2：2信号，最高可满足24位视频信号的传输需要。
　　HDMI每个TMDS通道视频像素流的速率一般在25MHz～165MHz之间，HDMI1.3规范已经将这一上限提升到了225MHz，当视频格式的速率低于25MHz时，将使用像素重复法来传输，即视频流中的像素被重复使用。以每个TMDS通道最高165MHz的频率计算，3个TMDS通道传输R/G/B或者Y/Cb/Cr格式编码的24位像素视频数据，最高带宽可以达到4.95Gbps，实际视频信号传输带宽接近4Gbps，而现在最高规格的高清视频格式1080p所需的带宽仅仅为2.2Gbps，因此HDMI拥有的充足带宽不仅可以满足现在高清视频的需要，在今后相当长一段时间内都可以提供对更高清晰度视频格式的支持。

HDMI接口的高传输速度使得今后的扩展性大大提高

　　除了高的视频信号带宽之外，HDMI还在协议中加入了对音频信号传输的支持，形成了业界首个单线缆多媒体接口协议。HDMI的音频信号不占用额外的通道，而是采用和其他辅助信息一起组成数据包，利用3个TMDS通道在视频信号传输的消隐期，以岛屿数据的形式传送。即使在传输1080p（60Hz）的视频信号的时候，还可以提供最高8路，每路采样频率192kHz的高质量音频信号，相比之下，CD音频制式44.1kHz的两声道信号，以及最新的DVD－Audio音频格式96kHz的6声道信号，就相形见绌了。

HDMI的数据保护技术

　　HDMI接口推出以后，受到了众多消费类电子制造商的支持，具备HDMI接口的产品不断上市，现在已经称为数码产品的标准配备的接口，其原因不仅仅在于HDMI性能上的优越性，而且包括HDMI对数据先进完备的保护技术。自从DVD内容保护技术不堪一击，盗版光盘全球泛滥以来，很多影音内容制造商和数码产品制造商都对数字化有很大的疑虑，能否找到有效的版权保护机制，将直接影响到高清晰视频技术的发展。HDMI能否顺利推广也必须要解决这一问题，为了阻止计算机利用数字接口对受保护的数字视频内容进行非法复制，HDMI采用了HDCP技术。
　　HDCP（High Band-width Digital Content Protection）即高宽带数字内容保护技术，是Intel下属的全资子公司Digital Content Protection LLC负责研究开发的，主要是保护基于Interne的数字多媒体视频版权，本质就是数字信号加密和解密技术，在发送端为信号添加特定的加密，而接收端通过一定的算法技术去除信号的加密部分，并还原真实的影音效果，目前也只有DVI和HDMI两种接口受到HDCP技术的保护。HDCP的保护系统由三个部分组成，一是授权认证协定，二是数据加密解密，三是自我更新。
　　授权认证协定是指每台带有HDCP技术的的设备都一套由Digital Content Protection LLC统一分发的设备钥匙集，它由一组设备私有密匙（DPKs）和一个与之配套的密匙选择向量（KSV）组成，其中DPKs是40个不同的56位二进制数，设备外不可见，严格保密，而KSV是一个40位的二进制数，无须保密。两台带有HDCP技术的的设备传送数据之前，根据授权认证协定，双方要先读取对方的KSV，然后根据对方的KSV在自己的DPKs当中选取一部分密钥，由特定的算法计算得出各自的共享密值，如果是双方提交的都是经过授权的KSV，这计算出的共享密值应该相等，由此来判定连接设备的合法性。

HDCP高宽带数字内容保护技术示意图

　　数据加密解密是指当设备合法性验证成功之后，设备间开始传送内容数据，HDCP的密码模块会通过特定的算法根据在授权认证中产生的共享密值得到24位的伪随机加密数据。该数据要经由HDMI的3个TDMS通道传输到TDMS编码器中生成TMDS信号，然后传送出去，在TMDS接收器中，由相同的机构和共享密值产生响应的24位伪随机解密数据，用于还原数据内容。由于共享密值含有设备身份识别标志DPKs和KSV，任何设备的变换或转接都将破坏已建立的现有连接，从而终止数据传送，因此可以有效的防止监听设备非法窃取HDCP保护的数据内容。
　　除此之外，HDCP技术还有一个最大的特点就是自我更新。为了防止授权设备适于密钥DPKs泄漏后被用于制造非法设备，窃取HDCP保护数据，HDCP协议中定义了系统更新信息（SRMs），其中包含又公司收集发布的已泄漏的设备KSV列表，SRMs跟随光盘、电视信号等内容数据传播，随时随地都能更新。所有带有HDCP技术的设备在收到该信息后都会将已废弃的KSV值记录下来，以备与其他设备连接并检验合法性的时候查阅。当某设备提交了已被废弃的KSV值之后，就会被另一台设备判定为非法设备而被拒绝连接，从而阻止了非法设备的扩散。
　　由此我们可以发现，HDCP技术在对版权内容的保护程度上有了很大的进步，应该说是一套切实有效的办法。不过HDMI组织并没有将HDCP系统作为其必须要强制搭载的设备，而是把它作为一个可选部件，不过随着HDMI的推广，现在已经越来越多的国家开始强制部分带有HDMI接口的设备强制搭载HDCP系统，这一技术也在逐渐为消费者和数码产品制造商所认可。

HDMI的最新规范HDMI1.3

　　HDMI最早的接口规范HDMI1.0于2002年12月公布，2004年5月升级到HDMI1.1，2005年8月推出了HDMI1.2，今年6月，HDMI规范再次升级到1.3版本。HDMI1.3比以前的版本做了很多改进，首先是将带宽升级到225MHz，而以前的HDMI规范是165MHz，如果有需要，最高可以达到450MHz的带宽。
　　“Deep Color”深色技术，带宽的提升使得HDMI支持这种技术成为可能。深色让HDTV和其它显示设备由几百万种色彩发展到数亿种色彩，消除屏幕上的色带，使音调转换更平滑，色彩之间的渐变更细微，增加对比度，在黑色和白色之间展现更多倍的灰色阴影，使消费者能够欣赏色彩更加的空前逼真和精确的画面。HDMI1.3可以支持36位RGB色彩处理60Hz的1080i画面，或者36位色彩处理90Hz的1080p画面，最高可以达到48位色深画面。
　　支持“xvYCC”色彩标准，xvYCC是指视频应用扩展YCC比色法，该新标准是现有HDTV信号色彩的1.8倍。xvYCC让HDTV显示色彩更精确，更加自然逼真，并且去除了现有色空间的限制并使得人眼可以观看任何色彩的显示。

左：普通HDMI接口；右：HDMI1.3规范推出的HDMI小型接口

　　唇型同步，通常视频处理较音频处理要花更多的时间，因此有时候会造成画面和配音不同步的情况，也就是通常所说的唇型不同步。HDMI1.3提供一种新方法：自动音频同步的功能，通过自动调整设备中的音频处理时间，使画面和声音能完全精确地同步播放。
　　此外HDMI1.3还加入了对新型无损音频格式Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio的支持。同时为了能够配备于数码摄像机和便携AV终端，还HDMI1.3首次规定了小型接口，和原来的HDMI接口相比，新的小型接口十分小巧，这种新型的迷你接口适合摄影机与照相机等小型便携式装置应用。
　　不过最大的遗憾就是，目前已经支持之前HDMI版本的设备，无法通过更新BIOS、固件或者升级驱动程序来支持到HDMI 1.3规范，而新的HDMI1.3规范接口可以完全向下兼容所有之前的HDMI版本以及DVI兼容设备。使用HDMI1.3功能的产品最早会在今年的PS3上开始使用，而显示器、DVD和平板电视等相关产品估计要到2007年才会上市。
写在最后
　　随着数字家电产品的不断发展，对数据传输速度和稳定性等要求的不断提高，数字化的高速传输接口已经成为今后的首选。虽然HDMI和DVI接口都是基于TMDS信号传输技术，都可以解决无压缩数据传输的问题，但是由于DVI的数据传输只有一个或者两个TMDS通道，对于快速发展的高清晰度视频而言，现在的传输速度在几年以后可能就会捉襟见肘，而且DVI不支持音频信号传输，需要额外的音频传输接口，另外DVI不支持数字色差分量信号的传输，因此当HDMI接口出现以后，业界普遍认为HDMI接口代替DVI已经是大势所趋，不过好在两者本是同根生，可以通过转接头连接。
　　目前在市面上已经有大量HDMI接口的数码产品上市，HDMI接口的出现不仅可以适应现在数字家电数据传输的需要，而且在今后很长一段时间之内都可以满足更高要求的高清晰度视频的信号传输，HDMI也为新一轮数字产品革命提供了坚实的基础。

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