HDMI

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高清多媒体接口High Definition Multimedia Interface,HDMI [1]  )是一种全数字视频声音发送接口,可以发送未压缩音频视频信号。HDMI可用于机顶盒DVD播放机个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。HDMI可以同时发送音频和视频信号,由于音频和视频信号采用同一条线材,大大简化系统线路的安装难度。
中文名
高清多媒体接口
外文名
High Definition Multimedia Interface,HDMI
平    台
PC,电视,DVD,手机
特    点
视频和声音一线输出
设计年代
2002年12月
设计者
HDMI组织

HDMI简述

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HDMI是被设计来取代较旧的模拟信号影音发送接口如SCARTRCA等端子的。它支持各类电视计算机视频格式,包括SDTVHDTV视频画面,再加上多声道数字音频。HDMI与去掉音频传输功能的UDI都继承DVI的核心技术“传输最小化差分信号”TMDS,从本质上来说仍然是DVI的扩展。DVI、HDMI、UDI的视频内容都以即时、专线方式进行传输,这可以保证视频流量大时不会发生堵塞的现象。每个像素数据量为24位。信号的时序与VGA极为类似。画面是以逐行的方式被发送,并在每一行与每祯画面发送完毕后加入一个特定的空白时间(类似模拟扫描线),并没有将数据“Micro-Packet Architecture(微数据包架构)”化,也不会只更新前后两帧画面改变的部分。每张画面在该更新时都会被完整的重新发送。规格初制订时其最大像素传输率为165Mpx/sec,足以支持1080p画质每秒60张画面,或者UXGA分辨率(1600x1200);后来在HDMI 1.3规格中扩增为340Mpx/秒,以匹配未来可能的需求。 [2-3] 
DisplayPort一开始则面向液晶显示器开发,采用“Micro-Packet Architecture(微数据包架构)”传输架构,视频内容以数据包方式传送,这一点同DVI、HDMI等视频传输技术有着明显区别。也就是说,HDMI的出现取代模拟信号视频,而DisplayPort的出现则取代的是DVI和VGA接口
HDMI也支持非压缩的8声道数字音频发送(采样率192kHz,数据长度24bits/sample),以及任何压缩音频流如Dolby DigitalDTS,亦支持SACD所使用的8声道的1bit DSD信号。在HDMI 1.3规格中,又追加超高数据量的非压缩音频流如Dolby TrueHD与DTS-HD的支持。 [3] 
标准的Type A HDMI接头有19个脚位,另有一种支持更高分辨率的Type B接头被定义出来,但仍无任何厂商使用Type B接头。Type B接头有29个脚位,容许其发送扩展的视频沟道以应付未来的高画质需求,如WQSXGA(3200x2048)。
Type A HDMI可向后兼容于现今多数显示器显卡所使用的Single-linkDVI-D或DVI-I接口(但不支持DVI-A),这表示采用DVI-D接口的信号来源可以透过转换线驱动HDMI显示屏,但是此种转换方案并不支持音频发送与遥控机能。此外如无HDCP认证的DVI显示屏也将不能收看从HDMI所输出带有HDCP加密保护的视频数据(所有HDMI显示屏皆支持HDCP,但大多数DVI接口的显示器不支持HDCP),Type B HDMI接头也将向后兼容于Dual-link DVI接口。
HDMI组织的发起者包括各大消费电子产品制造商,如日立制作所、松下电器Quasar飞利浦索尼、汤姆生RCA、东芝、Silicon Image。数字内容保护公司(Digital Content Protection, LLC)提供HDMI接口相关的防拷保护技术。此外,HDMI也受到各主要电影制作公司如20世纪福斯、华纳兄弟迪士尼,包括三星电子在内的各大消费电子产品制造商,以及多家有线电视系统业者的支持。

HDMI规格

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HDMIHDMI接头

HDMI的规格书中规定四种HDMI接口,分别是:
HDMI A Type
应用于HDMI1.0版本,总共有19pin,规格为4.45mm×13.9mm,为最常见的HDMI接头规格,相点对点于DVI Single-Link传输。在HDMI 1.2a之前,最大能传输165MHz的TMDS,所以最大传输规格只能在于1600×1200(TMDS 162.0MHz)。
PinPin定义
1TMDS Data2+
2TMDS Data2 Shield
3TMDS Data2–
4TMDS Data1+
5TMDS Data1 Shield
6TMDS Data1–
7TMDS Data0+
8TMDS Data0 Shield
9TMDS Data0–
10TMDS Clock+
11TMDS Clock Shield
12TMDS Clock–
13CEC
14Reserved(N.C. on device)
15SCL
16SDA
17DDC/CEC Ground
18+5V Power
19Hot Plug Detect
HDMI B Type
应用于HDMI1.0版本,规格为4.45mm×21.2mm,总共有29pin,可传输HDMI A type两倍的TMDS数据量,相点对点于DVI Dual-Link传输,用于传输高分辨率(WQXGA 2560×1600以上)。因为HDMI A type只有Single-Link的TMDS传输,如果要传输成HDMI B type的信号,则必须要两倍的传输效率,会造成TMDS的Tx、Rx的工作频率必须提高至270MHz以上。而在HDMI 1.3 IC出现之前,市面上大部分的TMDS Tx、Rx只能稳定在165MHz以下工作。此类接口未应用在任何产品中。
PinPin定义
1TMDS Data2+
2TMDS Data2 Shield
3TMDS Data2–
4TMDS Data1+
5TMDS Data1 Shield
6TMDS Data1–
7TMDS Data0+
8TMDS Data0 Shield
9TMDS Data0–
10TMDS Clock+
11TMDS Clock Shield
12TMDS Clock–
13TMDS Data5+
14TMDS Data5 Shield
15TMDS Data5-
16TMDS Data4+
17TMDS Data4 Shield
18TMDS Data4-
19TMDS Data3+
20TMDS Data3 Shield
21TMDS Data3-
22CEC
23Reserved(N.C. on device)
24Reserved(N.C. on device)
25SCL
26SDA
27DDC/CEC Ground
28+5V Power
29Hot Plug Detect
HDMI C Type
俗称mini-HDMI,应用于HDMI1.3版本,总共有19pin,可以说是缩小版的HDMI A type,规格为2.42mm×10.42mm,但脚位定义有所改变。主要是用在便携式设备上,例如DV、数字相机、便携式多媒体播放机等。由于大小所限,一些显卡会使用mini-HDMI,用家须使用转接头转成标准大小的Type A再连接显示器
PinPin定义
1TMDS Data2 Shield
2TMDS Data2+
3TMDS Data2–
4TMDS Data1 Shield
5TMDS Data1+
6TMDS Data1–
7TMDS Data0 Shield
8TMDS Data0+
9TMDS Data0–
10TMDS Clock Shield
11TMDS Clock+
12TMDS Clock–
13DDC/CEC Ground
14CEC
15SCL
16SDA
17Reserved(N.C. on device)
18+5V Power
19Hot Plug Detect
HDMI D Type
应用于HDMI1.4版本,总共有19pin,规格为2.8mm×6.4mm,但脚位定义有所改变。新的Micro HDMI接口将比19针MINI HDMI版接口小50%左右,可为相机、手机等便携设备带来最高1080p的分辨率支持及最快5GB的传输速度。
PinPin定义
1Hot Plug Detect
2Utility
3TMDS Data2+
4TMDS Data2 Shield
5TMDS Data2-
6TMDS Data1+
7TMDS Data1 Shield
8TMDS Data1-
9TMDS Data0+
10TMDS Data0 Shield
11TMDS Data0-
12TMDS Clock+
13TMDS Clock Shield
14TMDS Clock-
15CEC
16DDC/CEC Ground
17SCL
18SDA
19+5V Power

HDMITMDS沟道

  • 发送音频、视频及各种辅助数据 [3] 
  • 信号编码方式:遵循DVI1.0规格。Single-link (Type A HDMI) 或 dual-link (Type B HDMI)
  • 视频像素带宽:从25 MHz到340 MHz(Type A, HDMI 1.3)或至680MHz (Type B)。带宽低于25MHz的视频信号如NTSC480i将以倍频方式输出。每个像素的容许数据量从24位至48位。支持每秒120张画面1080p分辨率画面发送以及WQSXGA分辨率[1]
  • 像素编码方式:RGB4:4:4, YCbCr 4:4:4(8-16 bits per component); YCbCr 4:2:2(12 bits per component); YCbCr 4:2:0(HDMI 2.0)
  • 音频采样率:32kHz, 44.1kHz, 48kHz, 88.2kHz, 96kHz, 176.4kHz, 192kHz, 1536kHz(HDMI 2.0)。
  • 音频声道数量:最大8声道。HDMI 2.0支持32声道。
  • 音频流规格:IEC61937兼容流,包括高流量无损信号如Dolby TrueHD、DTS-HD Master Audio。

HDMIDDC沟道

  • DDC全文为Display Data Channel
  • 发送端与接收端可利用DDC沟道得知彼此的发送与接收能力,但HDMI仅需单向获知接收端(显示器)的能力。
  • 使用100kHz时钟频率的I²C信号
  • 发送数据结构为VESAEnhanced EDID(V1.3)。

HDMICEC沟道

  • CEC全文为Consumer Electronics Control
  • 必须预留线路,但可以不必实现
  • 用来发送工业规格的AV Link协议信号,以便支持单一遥控器操作多台AV机器
  • 为单芯线双向串列总线
  • 在HDMI 1.0协议中制订,在1.2a版中更新 [1] 
  • 一些制造商可能使用HDMI CEC,但是可能使用不同的名称来代表CEC功能:
    1. Samsung - AnyNet+
    2. Sharp - Aquos Link
    3. Sony - BRAVIA Link and BRAVIA Sync
    4. Hitachi - HDMI-CEC
    5. AOC - E-Link
    6. Pioneer - Kuro Link
    7. Toshiba - CE-Link and Regza Link
    8. Onkyo - RIHD (Remote Interactive over HDMI)
    9. LG - SimpLink
    10. Panasonic - HDAVI Control, EZ-Sync, VIERA Link
    11. Philips - EasyLink

HDMI线材规格

在HDMI 2.1版本前,根据规范,所有的HDMI线分为五种,线材的种类,HDMI的版本为规范连接器,大部分情况下线材部分没有更动。
  • 标准缆线 (支持1080i及720p)
  • 标准缆线附带以太网
  • 高速缆线 (支持1080p, 4K@30fps, 3D 与 Deep Color)
  • 高速缆线附带以太网
  • 车用缆线

HDMI防拷机制

  • 强制支持HDCP规格1.10版

HDMI版本演化

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HDMIHDMI 1.1 / 1.2

  • HDMI 1.1
2004年5月提出
2005年8月提出
  • 支持8声道1bit音频(SACD所用户)
  • 让PC讯源可使用HDMI Type A接头
  • 在维持YCbCr CE色域前提之下开放PC讯源使用原生RGB色域
  • 要求HDMI 1.2以上显示器支持低电压讯源
  • HDMI 1.2a
2005年12月提出
  • 完全确立CEC沟道的功能,指令集,以及兼容性测试程序

HDMIHDMI 1.3

2006年6月22日提出
  • 扩增single-link模式的带宽至340 Mhz(数据发送速度10.2 Gbps)
  • 从24bit色域(1677万色)扩张支持至30-bit, 36-bit,与48-bit(RGB or YCbCr)色域(相当于超过十亿色显示)
  • 支持新的xvYCC色彩标准
  • 支持自动语音同步(台词对嘴)机能
  • 支持Dolby TrueHD以及DTS-HD Master Audio信号输出至外接解码器如果播放机具有直接将此二种信号解码的能力,则不需要支持HDMI 1.3,因为所有的HDMI规格都可以发送未压缩的音频信号。
  • 提出新的小型化接头以支持轻便型摄像机
  • SonyPlayStation 3是第一个上市的HDMI 1.3播放机。
  • Sony BRAVIA KDL- 46X2500、KDL-40X2500是第一个上市的HDMI 1.3显示屏。(1080p支持新的xvYCC色彩标准, 36bits deep color)
  • EPSON EMP-TW1000是第一个上市的HDMI 1.3的投影机(支持30-bit deep color)
  • HDMI 1.3a
2006年11月10日提出
  • 修改Cable and Sink的HDMI C Type接头
  • Source termination recommendation
  • 移除上升时间(rise time)和下降时间(fall time)的最高最低限制
  • 改变CEC电容限制
  • 澄清RGB视频量化范围
  • 增加CEC指令关于时间及声音控制
  • 同时Released认证的测试规格文件
  • HDMI 1.3b
2007年3月26日提出
  • 主要是修改HDMI测试规格(HDMI Testing specification),而HDMI Specification依然是HDMI 1.3a。所以第一次出现当时的主要的HDMI Specification跟测试规格(HDMI Testing specification)是不同版本的情况发生。
  • 1.3b 2007/03/26 Modifications to TE overview and policy description(4.1)
  • Addition of Agilent TDR to Recommended TE(4.2.1.11)
  • Clarification of tentative cable emulators(4.2.1.17)
  • Jitter tolerance test changes (8-7)
  • Added cable tests for TMDS_CLOCK channel (5-3)
  • New VL triggering (7-2)
  • Editorial and clarifications on CEC Line Degradation(7-15, 8-14)
  • Added testing of additional source-supported Deep Color formats (7-34)
  • Additional HDMI VSDB EDID checks (8-3)
  • Additional TTC usage(5-3, 8-5, 8-6, 8-7)
  • Incorporated Tek-recommended setup and calibration for TDR (8-8)
  • Clarification on Sink Deep Color Recommended Test Method (8-25)
  • Added long cable or cable emulator use for Repeater test (9-3)
  • Added color-depths for each format in Source_Video_Formats(App. 3)
  • Removed test for filler bytes (8-3)
  • Removed Tektronix part number of cable emulator EFF-HDMI-CE-01
  • HDMI 1.3b1
2007年8月1日提出
  • 仅修正关于测试设备上Type C connector的固定器(fixture)的些微内容
  • HDMI 1.3c
2008年7月25日提出
  • 和1.3b、1.3b1一样是为1.3a制订的测试标准
  • 与之前版本的主要差异为线材的测试(增加线材测试条目或修正其内容有助于HDMI设备的互连兼容性)
  • 亦有部分修改与repeater和CEC相关

HDMIHDMI 1.4

2009年5月28日提出
  • 新增HDMI百兆以太网沟道,允许基于互联网的HDMI设备和其它HDMI设备共享互联网接入,无需另接一条以太网线。
  • 新增音频回授沟道(ARC, Audio return channel),让高清电视可通过HDMI线把音频信号独立传送到A/V功放接收机、音响设备上输出。
  • 定义通用3D格式和分辨率。实现家庭3D系统输入输出部分的标准化,最高支持两条1080p分辨率的视频流。
  • 最高支持4K×2K(3840×2160p@24Hz/25Hz/30Hz或4096×2160p@24Hz)
  • 拓展支持色彩空间,专为数字相机设计的色彩空间,包括sYCC601、Adobe RGB、AdobeYCC601,可在连接数字相机的时候显示更精确的逼真色彩。
  • 新增Micro HDMI迷你接口,新的Micro HDMI接口将比19针普通接口小50%左右。
  • 支持汽车连接系统,一种为车载高清内容传输设计的线缆规范,可避免发热、震动、噪音等汽车内部常见环境的影响,也为汽车制造商在车内传送高清内容提供一套切实可行的解决方案。[2]
  • HDMI 1.4a
2010年3月4日提出
  • 新增Top-and-Bottom(上下)格式
  • 新增两套应用于广播系统中的强制性3D画面传输格式标准
    • Side-by-Side Horizontal(并发水平)
    • Top-and-Bottom(上下)
  • 定义强制性广播、游戏、电影3D标准
  • HDMI 1.4a标准要求
    • 3D显示设备帧封装水平须达到720p@50、1080p@24或720p@60、1080p@24
    • Side-by-Side Horizontal需达到1080i@50或1080i@60
    • top-and-bottom需达到720p@50、1080p@24或720p@60、1080p@24
  • HDMI 1.4b
2011年10月11日提出

HDMIHDMI 2.0

2013年9月4日提出
  • 新增2160p@50 YCbCr 4:2:0、2160p@60 YCbCr 4:2:0(4K分辨率
  • 支持21:9长宽比
  • 32声道,4组音频流
  • 传输带宽18Gbps
  • 线材兼容HDMI 1.4(没有定义新的数据线和接头)
  • 支持CEC扩展
  • 支持双画面
  • 动态自动声画同步
  • HDMI 2.0a
2015年4月8日提出
支持高动态范围成像(HDR)视频的传输 带宽高达18Gbps 4K @ 50与/ 60(2160P),这是1080/60的视频分辨率的清晰的4倍 多达32个音频沟道进行多维身临其境的音频体验 最多的最高音频保真度1536kHz音频采样频率 双视频的同时递送流提供给多个用户在同一屏幕上 同时传送多路音频多用户(最多4) 9视频宽高比:为广角戏剧21支持 视频和音频流的动态同步 CEC扩展通过单一控制点提供更多的扩展命令和消费电子设备的控制

HDMIHDMI 2.1

HDMI 2.1根据飞利浦撰写的白皮书增加支持“动态元”
简而言之:“HDMI 2.0A涵盖HDR EOTF信令和静态元数据元数据的动态是HDMI 2.1所涵盖。”
2017年1月4日提出
  • 带宽提升至48Gbps
  • 支持4K 120Hz及8K 60Hz
  • 支持高动态范围成像(HDR),可以针对场景或帧数进行优化
  • 支持eARC功能
  • 可针对游戏帧数进行信号同步,减少画面撕裂
  • 向后兼容HDMI 2.0、HDMI 1.4

HDMI长度限制问题

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HDMI的缆线长度限制是其主要的问题之一,在部分消费者自行测试当中回报标准的28AWG(American Wire Gauge,美国缆线度量)规格HDMI铜线大约在超过5米之后开始信号衰减。此长度通常不足以满足投影机与计算机的连接。
但HDMI组织并不认可此限制,其网页常见问答集HDMI FAQ page当中记载:“我们见过有缆线在没有"转接器"之情况下通过不短于十米的HDMI "标准缆线"承诺测试”。
现有通过HDMI认证的10M cable(未使用HDMI equalizer IC),大都使用24AWG的线材去制作。
一些报告指出,增加缆线中铜线的直径以降低阻抗,是有效延长缆线长度的方法之一。另外也有报告指出,24AWG规格的缆线表现较28AWG好。另外也有人使用光纤或两条CAT-5网上缆线来取代标准HDMI铜线。某些厂商也制造HDMI信号增强器以因应用户的需求。
现有单一一颗HDMI equalizer IC,可让24AWG HDMI cable最大使用长度变成50米。

HDMI版本对比

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  • 标准HDMI
  • 高速HDMI
  • 超高速HDMI (48G)
标准HDMI数据线可选支持HDMI版本特定的子技术规范,而高速HDMI数据线皆支持,如Deep Color和xvYCC等规范。标准与高速HDMI数据线皆可选配支持以太网。HDMI 2.1版本则提供新的48G线材规格,包含所有功能。
主要规格
HDMI 版本
1.0–1.2a1.3–1.3a1.4–1.4b2.0–2.0b2.1
发布日期2002年12月 (1.0)
  2004年5月(1.1)
  2005年8月(1.2)
  2005年12月 (1.2a)
2006年6月(1.3)
  2006年11月 (1.3a)
2009年6月(1.4)
  2010年3月(1.4a)
  2011年10月 (1.4b)
2013年9月 (2.0)
  2015年4月 (2.0a)
  2016年3月 (2.0b)
2017年11月
信号规格
传输带宽4.95Gbit/s10.2Gbit/s10.2Gbit/s18.0Gbit/s48.0Gbit/s
最大传输数据速率3.96Gbit/s8.16Gbit/s8.16Gbit/s14.4Gbit/s42.6Gbit/s
TMDS Clock165MHz340MHz340MHz600MHz1200MHz
媒体流通道33334
编码方式8b/10b8b/10b8b/10b8b/10b16b/18b
压缩 (可选)----DSC 1.2
颜色格式支持
RGB
YCBCR4:4:4
YCBCR4:2:2
YCBCR4:2:0
色彩深度支持
8bpc (24bit/px)
10bpc (30bit/px)
12bpc (36bit/px)
16bpc (48bit/px)
空间色彩支持
SMPTE 170M
ITU-R BT.601
ITU-R BT.709
sRGB
xvYCC
sYCC601
AdobeYCC601
Adobe RGB (1998)
ITU-R BT.2020
音频规格
最高采样率192kHz192kHz192kHz192kHz192kHz
总采样率--768kHz1536kHz1536kHz
采样位数16–24bits16–24bits16–24bits16–24bits16–24bits
最大声道8883232
HDMI 版本1.0–1.2a1.3–1.3a1.4–1.4b2.0–2.0b2.1
分辨率刷新频率限制
HDMI版本1.0–1.2a1.31.42.0
最大signal视频带宽(MHz)165340340600
最大TMDS带宽(Gbit/s)4.9510.210.218
最大视频带宽(Gbit/s)3.968.168.1614.4
最大音频带宽(Mbit/s)36.8636.8636.8649.152(IEC61937以及DST audio)
最大色深(bit/px)24484848
24-bit/pxHDMI单通道最大分辨率1920×1200p 60Hz2560×1600p 75Hz4096×2160p 24Hz3840×2160p 60Hz
30-bit/pxHDMI单通道最大分辨率不适用2560×1600p 60Hz3840×2160p 30Hz3840×2160p 60Hz
36-bit/pxHDMI单通道最大分辨率不适用1920×1200p 75Hz3840×2160p 25Hz3840×2160p 50Hz
48-bit/pxHDMI单通道最大分辨率不适用1920×1200p 60Hz3840×2160p 24Hz3840×2160p 30Hz
HDMI版本1.01.11.2
  1.2a
1.31.3a
  1.3b
  1.3b1
  1.3c
1.42.0
sRGB
YCbCr
8声道LPCM,192kHz,24bit音频传输
Blu-ray Disc视频音频全分辨率支持
消费电子控制(CEC)
DVD-Audio支持
Super Audio CD(DSD)支持
Deep Color色深技术
xvYCC
自动声画同步
Dolby TrueHD音频
DTS-HD Master Audio音频
CEC命令列表更新
以太网络通道
音频回传通道
HDMI 3D功能
4K×2K分辨率支持
4K@50/60 Hz
CEC扩展
双画面
4个音频流
32声道音频
1536 kHz音频采样
21:9宽高比
动态自动声画同步

HDMI授权

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HDMI是HDMI Licensing, LLC的登录商标。使用HDMI规格需缴付版权费。版权费分为年会费和产品销售费。
  • 年会费:使用HDMI的企业每年缴付10,000美元(2006年7月以前年费为15,000美元) [3] 
  • 产品销售费:使用HDMI的规格的产品收取0.15美元,如果产品上有HDMI的标记可享0.05美元折扣,如果该产品含有HDCP保护协议可再享有0.04美元折扣。
产品销售费按最终产品为单位计算。例如一条HDMI导线收取0.15美元,而一个电视机厂商把这条导线和提供HDMI端口的电视一同捆绑销售也只征收0.15美元。
参考资料
  • 1.    Averkiou G, Trask P A. Methods of fabricating an HDMI decal chip scale package: U.S. Patent 5,817,541[P]. 1998-10-6.
  • 2.    Tsai W H. High definition multimedia interface connector: U.S. Patent 6,935,896[P]. 2005-8-30.
  • 3.    Candelore B L. High definition multimedia interface transcoding system: U.S. Patent 8,275,732[P]. 2012-9-25.