HDMI 基础知识

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HDMI 基础知识

高清晰度多媒体接口(英文:High Definition Multimedia Interface,HDMI)
因为需要计算 HDMI 的差分线传输速率,把 HDMI 相关的知识都看了一下,做如下记录,方便以后回顾。

1.TMDS 是什么?

HDMI 有 4 对差分线,一对时钟线,三对数据线,其中三对数据线分别传输 RGB 信号。

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HDMI 标准继续沿用了和 DVI 相同的,由 Silicon Image 公司发明的 TMDS(Time Minimized Differential Signal) 最小化传输差分信号传输技术。TMDS 是一种微分信号机制,采用的是差分传动方式。这不仅是 DVI 技术的基础,也是 HDMI 技术的基础原理。

一般来说,HDMI 传输的编码格式中要包含视频数据(HDMI1.3 版本前每个像素采用 24bit)、控制数据和数据包(数据包中包含音频数据和附加信息数据,例如纠错码等)。TMDS 每个通道在传输时要包含一个 2bit 的控制数据、8bit 的视频数据或者 4bit 的数据包即可。在 HDMI 信息传输过程中,可以分为三个阶段:视频数据传输周期、控制传输周期和数据岛传输周期,分别对应上述的三种数据类型。

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2.HDMI 带宽和 TMDS 的关系

在 HDMI 标准中所规定的带宽,在 1.0 版本就设定为最高 4.96Gbps。那么这一数值是怎么的来的呢?和 TMDS 又有什么关系呢?我们看下面的公式:

串行接口带宽 = 系统时钟频率 X 数据量

这是一个适用于所有串口传输接口带宽计算的公式。在所有的数字电路中,都有一个负责提供基本频率的元器件——晶振,它就像是一个精确的闹钟一样,电路中所有的元器件都按照它的节奏统一行动。比方说,某一运算电路的晶振频率是 100Hz, 就是说这一电路在一秒钟内可以进行 100 次运算过程。由此可见,晶振的工作频率越高,每秒所能处理的运算次数就会越多,数据的处理能力也就会越强大。而 HDMI 标准中,这个原理同样适用。

HDMI 电路中的时钟频率,在最初制定时范围从 25MHz-165MHz 之间,也就是说一个 TMDS 通道每秒最多能传输 165MHz*10bit=1.65Gbit 的数据,3 个 TMDS 通道一秒就可以传输 1.65*3=4.95Gbit 的数据,再加上控制数据,用标准方法表示就是 4.96Gbps 的带宽。而如果用像素点来表示,那就是一秒可以传输显示 1.65G 个像素点(一个完整的像素点信息由 R/G/B 三原色信息构成)所需要的数据量。

在数字音频方面,HDMI 灵活的支持符合 IEC60985 L-PCM 标准的 32kHz、44.1kHz 和 48kHz、16bit 量化的立体声数字音频信号和 IEC 61937 标准的采样率为 192KHz,24bit 量化的单路无压缩 PCM 数字音频信号,或者 8 路 96kHz 的声音数据流。此外,在家庭影院中常用的 DolbyDigital5.1 和 DTS 数字音频格式也能通过 HDMI 直接传输。

3.HDMI 速率计算

在计算之前,需要补充一下 1080p 和 1080i 的区别: 1080p 是一种视频显示格式,外语字母 P 意为逐行扫描(Progressive scanning)。1080p 是一种视频显示格式,外语字母 P 意为逐行扫描(Progressive scan),有别于 1080i 的隔行扫描 (interlaced scan)。数字 1080 则表示水平方向有 1080 条水平扫描线。通常 1080p 的画面分辨率为 1920*1080。 1080i 是一种高清晰度电视信号格式。其中,“1080” 表示垂直方向有 1080 条水平扫描线,“i” 表示采用交错式扫描视频显示方式(interlaced scan)。在播放时,它先扫描单数的垂直画面,再扫描双数的垂直画面,故只需要 1080p 一半的带宽。它的出现对电视产业的发展具有重要的影响。

① 传输背景:HDMI 1080p 60FPS 48bit 最大分辨率是 1920*1080,所以每一帧图像有 1920*1080=2073600 个像素,另外,HDMI 的图像还需要预留百分之 20 的空白像素,所以直实的一帧图像的像素是: 2073600*1.2=2488320 个像素。我们每个像素用 3 个 16bit 表示,则总共需要的 bit 数是 2488320*3*(16+4)=149299200 个 bit(注意每 8bit 要加 2 个控制 bit,即 8b10b 编码), 每秒刷新 60 次,即 60Hz,那么每秒传输的位数是: 149299200*60=8.9580e+009 ,化成以 Gbps 为单位,则总速率为:8.958Gbps,每路的速率为:8.958/3= 2.9860Gbps

② 传输背景:HDMI 4K 60FPS 48bit 发现其他不变,就是分辨率 1920*1080 变为 4K 的 3840*2160,所以可以轻松的得到没路的速率为 2.9860Gbps*4=11.944Gbps ,HDMI 1.4 已经可以支持 4K 了,但是受制于带宽,最高只能达到 3840*2160 分辨率和 30FPS 帧率,HDMI 2.0 则将带宽扩充到了 18Gbps,可以支持 3840*2160 分辨率和 50FPS、60FPS 帧率。HDMI 2.0 最大每路的速率为 6Gbps,而根据上述计算,估计 HDMI 2.0 的 4K 60FPS 只能输出 24bit 的色彩深度。

PS:最后由于有朋友问起带宽和下载速度的关系,这里说明一下。假如你办的电信宽带为 10M,即给你的带宽为 10Mbps,注意这里是小 b,而我们的下载速度一般说 500KB/S,这里是大 B。所以理论上 10M 的下载速度为 10Mbps/8=1.25MB/S,也就是说,你下载的最快速度可以达到 1.25MB/S。但是由于传输线损耗,已经其他方面的原因,一般是达不到理论速度的。

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