深入了解HDMI接口

HDMI接口與HDMI協議

　　什么是HDMI接口？

　 　HDMI的英文全稱是“High? Definition Multimedia”，中文的意思是高清晰度多媒體接口。HDMI接口可以提供高達5Gbps的數據傳輸帶寬，可以傳送無壓縮的音頻信號及高分辨率視頻 信號。同時無需在信號傳送前進行數/模或者模/數轉換，可以保證最高質量的影音信號傳送。應用HDMI的好處是：只需要一條HDMI線，便可以同時傳送影 音信號，而不像現在需要多條線材來連接；同時，由于無線進行數/模或者模/數轉換，能取得更高的音頻和視頻傳輸質量。對消費者而言，HDMI技術不僅能提 供清晰的畫質，而且由于音頻/視頻采用同一電纜 ，大大簡化了家庭影院系統的安裝。

2002年的4月，日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜、東芝共7家公司成立了HDMI組織開始制定新的專用于數字視頻/音頻傳輸標準。2002年歲末，高清晰數字多媒體接口(High-definition Digital Multimedia Interface)HDMI 1.0標準頒布。HDMI在針腳上和DVI 兼容，只是采用了不同的封裝。與DVI相比，HDMI可以傳輸數字音頻信號，并增加了對HDCP的支持，同時提供了更好的DDC可選功能。HDMI支持 5Gbps的數據傳輸率，最遠可傳輸15米，足以應付一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號。而因為一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號需 求少于4GB/s，因此HDMI還有很大余量。這允許它可以用一個電纜分別連接DVD播放器，接收器和PRR。此外HDMI支持EDID、DDC2B，因此具有HDMI的設備具有“即插即用”的特點，信號源和顯示設備之間會自動進行“協商”，自動選擇最合適的視頻/音頻格式。

傳統的AV復合和色差接口都需要獨立分開音頻和視頻數據線來傳輸信號，同為數字接口的DVI接口則并不支持音頻傳輸，目前唯有HDMI具備了在一條數據線上同時傳送影音信號的能力，因此人們也習慣把HDMI稱為“高清一線通”。

什么是HDCP協議？

HDCP 是High-bandwidth Digital Content Protection的縮寫，中文可稱作“HDCP數字內容保護”。HDCP技術是由好萊塢與半導體界巨人Intel合作發開，它可以實際運用在顯卡、 DVD播放機等傳輸端，以及顯示器、電視機、投影機的接收端之間。是高清電影、電視節目的重要反盜版技術，不支持HDCP協議的顯示器無法正常播放有版權 的高清節目。

??? 　DVD之后的高清電影節目采用了HDCP和AACS反盜版技術，藍光和HD DVD都使用了這種反盜版技術，高清電視（HDTV）也會使用。使用了HDCP和AACS反盜版技術后電影節目只能在支持HDCP的設備上正常播放，否則 只能看到黑屏顯示或者低畫質顯示（清晰度大約只有正常的四分之一），也就便失去了高清的價值。其中AACS是加密技術，同時被用在HD DVD和藍光光盤當中，保護光盤中的視頻內容無法正常復制出來在其它地方播放。

??? 　而HDCP協議是用來防止視頻內容在傳輸的過程被完整的復制下來。這種技術并不是讓數字訊號無法被不合法的錄制下來，而是將數字訊號進行加密，讓不合法 的錄制方法，無法達到原有的高分辨率畫質。例如藍光影碟機在播放高清碟片時無法同時錄下清晰的節目，在計算機上播放碟片時無法清晰的錄制顯示器上的節目。 HDCP從始到終都保護視頻信號，也就是說整套播放系統中每一個環節都必須支持HDCP協議，如果顯示器不支持HDCP協議，那么就無法正常播放高清節 目，只能看到黑屏或者低畫質的節目。要支持HDCP協議，必須使用DVI、HDMI等數字視頻接口，傳統的VGA等模擬信號接口無法支持HDCP協議。當 使用VGA等模擬信號接口時，畫面就會下降成為低畫質，或者提示無法播放，從而失去高清的意義，防止了盜版。需要說明的是，HDMI接口內嵌了HDCP協 議，帶有HDMI接口的顯示器都支持HDCP協議。但是并不是帶DVI接口的液晶顯示器都支持HDCP協議，必須經過帶有相應硬件芯片，通過認證的顯示器 才行。

??? 　在電腦平臺上受到HDCP技術保護的數據內容在輸出時會由操作系統中的COPP驅動(認證輸出保護協議)首先驗證顯卡，只有合法的顯卡才能實現內容輸 出，隨后要認證顯示設備的密鑰，只有符合HDCP要求的設備才可以最終顯示顯卡傳送來的內容。HDCP傳輸過程中，發送端和接受端都存儲一個可用密鑰集， 這些密鑰都是秘密存儲，發送端和接受端都根據密鑰進行加密解密運算，這樣的運算中還要加入一個特別的值KSV(視頻加密密鑰)。同時HDCP的每個設備會 有一個唯一的KSV序列號，發送端和接受端的密碼處理單元會核對對方的KSV值，以確保連接是合法的。HDCP的加密過程會對每個像素進行處理，使得畫面 變得毫無規律、無法識別，只有確認同步后的發送端和接受端才可能進行逆向處理，完成數據的還原。在解密過程中，HDCP系統會每2秒中進行一次連接確認， 同時每128幀畫面進行一次發送端和接受端同步識別碼，確保連接的同步。為了應對密鑰泄漏的情況，HDCP特別建立了“撤銷密鑰”機制。每個設備的密鑰集 KSV值都是唯一的，HDCP系統會在收到KSV值后在撤銷列表中進行比較和查找，出現在列表中的KSV將被認做非法，導致認證過程的失敗。這里的撤銷密 鑰列表將包含在HDCP對應的多媒體數據中并將自動更新。

??? 　 可見要想在計算機上播放有版權的高清節目，不論是HDTV、藍光還是HD DVD碟片，都要求顯示器和顯卡支持HDCP協議。不過廠商要為產品打上HDCP的Logo，則需要支付一定的認證費用，還要增加硬件芯片，顯然提高了成 本，目前只有部分產品通過認證。由于高清節目會逐漸普及，HDCP已成定局，因此支持HDCP協議的設備也會越來越多。

全面解密HDMI接口技術

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。

HDMI的數據傳輸周期示意圖：左到右分別為控制數據傳輸期、島嶼數據傳輸期、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。