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HDMI的基本傳輸原理 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06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。
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。
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。 HDMI的數據保護技術 HDMI接口推出以后，受到了眾多消費類電子制造商的支持，具備HDMI接口的產品不斷上市，現在已經稱為數碼產品的標準配備的接口，其原因不僅僅在于HDMI性能上的優越性，而且包括HDMI對數據先進完備的保護技術。自從DVD內容保護技術不堪一擊，盜版光盤全球泛濫以來，很多影音內容制造商和數碼產品制造商都對數字化有很大的疑慮，能否找到有效的版權保護機制，將直接影響到高清晰視頻技術的發展。HDMI能否順利推廣也必須要解決這一問題，為了阻止計算機利用數字接口對受保護的數字視頻內容進行非法復制，HDMI采用了HDCP技術。 HDCP（High Band-width Digital Content Protection）即高寬帶數字內容保護技術，是Intel下屬的全資子公司Digital Content Protection LLC負責研究開發的，主要是保護基于Interne的數字多媒體視頻版權，本質就是數字信號加密和解密技術，在發送端為信號添加特定的加密，而接收端通過一定的算法技術去除信號的加密部分，并還原真實的影音效果，目前也只有DVI和HDMI兩種接口受到HDCP技術的保護。HDCP的保護系統由三個部分組成，一是授權認證協定，二是數據加密解密，三是自我更新。 授權認證協定是指每臺帶有HDCP技術的的設備都一套由Digital Content Protection LLC統一分發的設備鑰匙集，它由一組設備私有密匙（DPKs）和一個與之配套的密匙選擇向量（KSV）組成，其中DPKs是40個不同的56位二進制數，設備外不可見，嚴格保密，而KSV是一個40位的二進制數，無須保密。兩臺帶有HDCP技術的的設備傳送數據之前，根據授權認證協定，雙方要先讀取對方的KSV，然后根據對方的KSV在自己的DPKs當中選取一部分密鑰，由特定的算法計算得出各自的共享密值，如果是雙方提交的都是經過授權的KSV，這計算出的共享密值應該相等，由此來判定連接設備的合法性。
數據加密解密是指當設備合法性驗證成功之后，設備間開始傳送內容數據，HDCP的密碼模塊會通過特定的算法根據在授權認證中產生的共享密值得到24位的偽隨機加密數據。該數據要經由HDMI的3個TDMS通道傳輸到TDMS編碼器中生成TMDS信號，然后傳送出去，在TMDS接收器中，由相同的機構和共享密值產生響應的24位偽隨機解密數據，用于還原數據內容。由于共享密值含有設備身份識別標志DPKs和KSV，任何設備的變換或轉接都將破壞已建立的現有連接，從而終止數據傳送，因此可以有效的防止監聽設備非法竊取HDCP保護的數據內容。 除此之外，HDCP技術還有一個最大的特點就是自我更新。為了防止授權設備適于密鑰DPKs泄漏后被用于制造非法設備，竊取HDCP保護數據，HDCP協議中定義了系統更新信息（SRMs），其中包含又公司收集發布的已泄漏的設備KSV列表，SRMs跟隨光盤、電視信號等內容數據傳播，隨時隨地都能更新。所有帶有HDCP技術的設備在收到該信息后都會將已廢棄的KSV值記錄下來，以備與其他設備連接并檢驗合法性的時候查閱。當某設備提交了已被廢棄的KSV值之后，就會被另一臺設備判定為非法設備而被拒絕連接，從而阻止了非法設備的擴散。 由此我們可以發現，HDCP技術在對版權內容的保護程度上有了很大的進步，應該說是一套切實有效的辦法。不過HDMI組織并沒有將HDCP系統作為其必須要強制搭載的設備，而是把它作為一個可選部件，不過隨著HDMI的推廣，現在已經越來越多的國家開始強制部分帶有HDMI接口的設備強制搭載HDCP系統，這一技術也在逐漸為消費者和數碼產品制造商所認可。 HDMI的最新規范HDMI1.3 HDMI最早的接口規范HDMI1.0于2002年12月公布，2004年5月升級到HDMI1.1，2005年8月推出了HDMI1.2，今年6月，HDMI規范再次升級到1.3版本。HDMI1.3比以前的版本做了很多改進，首先是將帶寬升級到225MHz，而以前的HDMI規范是165MHz，如果有需要，最高可以達到450MHz的帶寬。 “Deep Color”深色技術，帶寬的提升使得HDMI支持這種技術成為可能。深色讓HDTV和其它顯示設備由幾百萬種色彩發展到數億種色彩，消除屏幕上的色帶，使音調轉換更平滑，色彩之間的漸變更細微，增加對比度，在黑色和白色之間展現更多倍的灰色陰影，使消費者能夠欣賞色彩更加的空前逼真和精確的畫面。HDMI1.3可以支持36位RGB色彩處理60Hz的1080i畫面，或者36位色彩處理90Hz的1080p畫面，最高可以達到48位色深畫面。 支持“xvYCC”色彩標準，xvYCC是指視頻應用擴展YCC比色法，該新標準是現有HDTV信號色彩的1.8倍。xvYCC讓HDTV顯示色彩更精確，更加自然逼真，并且去除了現有色空間的限制并使得人眼可以觀看任何色彩的顯示。
唇型同步，通常視頻處理較音頻處理要花更多的時間，因此有時候會造成畫面和配音不同步的情況，也就是通常所說的唇型不同步。HDMI1.3提供一種新方法：自動音頻同步的功能，通過自動調整設備中的音頻處理時間，使畫面和聲音能完全精確地同步播放。 此外HDMI1.3還加入了對新型無損音頻格式Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio的支持。同時為了能夠配備于數碼攝像機和便攜AV終端，還HDMI1.3首次規定了小型接口，和原來的HDMI接口相比，新的小型接口十分小巧，這種新型的迷你接口適合攝影機與照相機等小型便攜式裝置應用。 不過最大的遺憾就是，目前已經支持之前HDMI版本的設備，無法通過更新BIOS、固件或者升級驅動程序來支持到HDMI 1.3規范，而新的HDMI1.3規范接口可以完全向下兼容所有之前的HDMI版本以及DVI兼容設備。使用HDMI1.3功能的產品最早會在今年的PS3上開始使用，而顯示器、DVD和平板電視等相關產品估計要到2007年才會上市。 寫在最后 隨著數字家電產品的不斷發展，對數據傳輸速度和穩定性等要求的不斷提高，數字化的高速傳輸接口已經成為今后的首選。雖然HDMI和DVI接口都是基于TMDS信號傳輸技術，都可以解決無壓縮數據傳輸的問題，但是由于DVI的數據傳輸只有一個或者兩個TMDS通道，對于快速發展的高清晰度視頻而言，現在的傳輸速度在幾年以后可能就會捉襟見肘，而且DVI不支持音頻信號傳輸，需要額外的音頻傳輸接口，另外DVI不支持數字色差分量信號的傳輸，因此當HDMI接口出現以后，業界普遍認為HDMI接口代替DVI已經是大勢所趨，不過好在兩者本是同根生，可以通過轉接頭連接。 目前在市面上已經有大量HDMI接口的數碼產品上市，HDMI接口的出現不僅可以適應現在數字家電數據傳輸的需要，而且在今后很長一段時間之內都可以滿足更高要求的高清晰度視頻的信號傳輸，HDMI也為新一輪數字產品革命提供了堅實的基礎。 |
