代码收藏家技术教程 2023-06-18

HDMI接口简介及其主要特点

一.什么是HDMI？
HDMI(High-Definition Multimedia Interface)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 SiliconImage 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。

HDMI 总线采用 TMDS(Time Minimized Differential Signal)最小化传输差分信号的传输技术，TMDS是一种微分信号机制，采用的是高速差分传输方式。每一个标准的 HDMI 通道包含了3对用于传输数据的TMDS 信号线和1 对独立的TMDS 时钟传输线，以保证传输时所需的时序统一。在一个时钟周期内，每对 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。通常情况下，时钟线上的时钟频率为数据线上数据传输速率的1/10，如现在数据的输出速率为3.4Gb/s，那么时钟信号的频率就为 340MHz。当然，HDMI总线上不仅只有数据和时钟信号，还有很多其他比较重要的信号，如热插拔信号线HPD线、显示数据的通道信号线DDC(Display Data Channel)、电源和地线等。如图所示为 HDMI 总线协议中定义的各种信号连接示意图。

HDMI出现在很多需要显示的产品设备上，根据 HDMI 标准协议的定义，HDMI 设备分为源设备(Source)、接收设备(Sink)和线缆(Cable)。源设备是产生HDMI信号的设备。主要有机顶盒、计算机、高清视频播放器等;接收设备就是接收 HDMI信号的设备，主要有显示器、投影机等;线缆是传输 HDMI信号的电缆，用于连接源设备和接收设备，电缆又分为有源电缆和无源电缆。

不管是源设备，还是接收设备，或是电缆，都会涉及信号完整性方面的问题。对于源设备就需要保证发送的HDMI号满足信号完整性，主要关注的就是TMDS 的发送信号质量;对于接收设备，就需要保证完整的接收到HDMI信号并显示出来，关注的就是接收的TMDS信号的质量。所以对产品的原理图或PCB进行信号完整性仿真也主要关注HDMI的TMDS信号。

二.HDMI的电气规范
HDMI接口类型：
A类（Type A）HDMI A Type是使用最广泛的HDMI线缆，HDMI A接口共有19pin，宽度为13.9毫米，厚度为4.45毫米。一般平板电视或视频设备，都提供了这种尺寸的接口，Type A有19针，宽度为13.9毫米、厚度为4.45毫米，现在日常生活使用中的影音设备99%都配有这种尺寸的接口。比如：蓝光播放器、小米盒子、笔记本电脑、液晶电视、投影机等等。

B类（Type B）HDMI B Type生活中比较少见。HDMI B接口采用29pin，宽度21毫米。HDMI B Type的数据传输能力比HDMI A type快近两倍，相当于DVI Dual-Link。由于多数影音设备工作频率均在165MHz以下，而HDMI B Type的工作频率在270MHZ以上，在家庭应用中完全是过于“强悍”，现在只应用于一些专业场合，如WQXGA 2560×1600以上的分辨率。

C类（Type C）HDMI C Type常称为Mini HDMI，它主要是为小型设备设计的。HDMI C Type同样采用19pin，其尺寸为10.42×2.4毫米比Type A小了将近1/3，应用范围很小，主要应用在便携式设备上，比如数码相机、便携式播放机等设备。

D类（Type D）HDMI D Type俗称Micro HDMI。HDMI D Type是最新的接口类型，尺寸进一步缩小。采用了双排针脚设计，同样为19pin，宽度只有6.4毫米，厚度2.8毫米，很像Mini USB接口。主要应用于小型的移动设备上面，更适用于便携和车载设备。比如：手机、平板电脑等。

E类（Type E) HDMI E Type主要用于车载娱乐系统的音视频传输。由于车内环境的不稳定性，HDMI E Type在设计上具备抗震性、防潮、耐高强度、温差承受范围大等特性。在物理结构上，采用机械式锁定设计，能保证接触可靠性。

启动HDMI主要的TMDS都是3.3V电平的差分数据线。一般按照要求直连既可。主要在PCB设计时注意阻抗和EMI问题。下面主要分析其它通信线的电气特性。

1.+5V电源
对于+5V的供电电压应该满足4.7V~5.3V的电压范围，源端的供电电流应该大于等于55mA，应该有0.5A的过流保护能力；对于接收端消耗电流能力应该小于50mA。

2.DDC信号
从下面连个图可以看出DDC总线的电容不要超过700pF，发送端的上拉电阻应该在1.5K~2K之间；接收端上拉电阻应该在47K（±10%），并且总线电平应该是5V；

3.HPD信号
HPD信号主要用于检测HDMI是否有插入，源端与接收端的高低电平阈值如下图所示。值得注意接收端的输出电阻是1K，电平是5V。

4.CEC信号
CEC信号主要是消费电子控制通道，主要用于简单控制家庭设备使用，既可用于发送也可以接收数据。电平是3.3V的，通常在发送端通过上拉一个27K电阻到3.3V的电源。
差分模式和共摸模式

三.HDMI芯片
1 信源端
PS5和XSX，在GPU中都没有整合HDMI的控制芯片，而是单独一块SOC负责HDMI：
PS5用的是松下半导体的MN8639，索尼游戏的老朋友，PS4和PS4 Pro分别用了松下的MN86471A和864729。

目前MN8639支持FRL模式下每通道8Gb带宽，4个通道32Gb带宽。
XSX用的是NB7NQ621M，来自安森美半导体。最大支持40Gb带宽和DSC影像压缩。微软在XSX上换了新的芯片供应商，天蝎座（Xbox one X）上用的还是德州仪器的TDP 158 HDMI控制芯片。
图像信号通过游戏主机GPU处理完后，首先通过HDMI芯片编码，然后再将高频率电信号以固定的速率，通过HDMI线传输至电视机或者功放系统；

2 显示端
在电视和显示器上，HDMI 控制芯片一般整合在CPU SOC中。
华硕PG32UQ显示器采用的是联咏科技（联发科子公司）NT68552UPG，集成HDMI 2.1和DP 1.4控制。

索尼X9500G上，联发科MT5998 处理芯片中整合了HDMI控制器。
当图像信号通过HDMI接口传输过来后，主控芯片的HDMI控制器经过解码后，再交给GPU或者其他图像芯片处理。
索尼中高端电视机图像处理都交由专门的X1或者XR画质芯片处理。

在MTKS900芯片内部，整合了48Gb带宽的HDMI 2.1控制芯片，但是因为芯片算力不够，如果电视机没有额外的画质处理芯片，电视机工作在4K 120hz时，垂直分辨率会从2160P减到1080P，这也是部分电视机4K 120hz模糊的根本原因。

所以信源设备能够和显示设备最终能不能使用48Gb带宽，可不可以VRR，主要取决于信源端和显示端两块HDMI控制芯片的协商，这个协商过程是通过EDID来进行的。
另外，有些显示器的HDMI 2.1芯片只支持单通道FRL 6Gb带宽，也就是HDMI 2.1最大带宽24Gb，4K 120Hz 444 10bit只能通过DSC实现。
如果连接不支持DSC的PS5，那么PS5的4K 120hz模式，只能以420色度二次采样实现。