幾種高帶寬數(shù)字視頻接口的發(fā)展及應(yīng)用

隨著人們對(duì)圖像顯示質(zhì)量要求的不斷提升，傳統(tǒng)的以模擬方式來傳輸和顯示多媒體信號(hào)的技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的要求，廣播電視行業(yè)數(shù)字化和數(shù)字電視的整體轉(zhuǎn)換的實(shí)施、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、光纖化是IT行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。以高清數(shù)字電視為代表的消費(fèi)類數(shù)字視頻設(shè)備的應(yīng)用越來越普遍，傳統(tǒng)的模擬視頻接口標(biāo)準(zhǔn)無法適應(yīng)新的產(chǎn)品在帶寬、內(nèi)容保護(hù)、音頻支持等方面的發(fā)展需求，使得HDMI、UDI和DisplayPort等新標(biāo)準(zhǔn)顯得更能適應(yīng)市場(chǎng)的需求，本文從傳統(tǒng)模擬視頻接口開始，簡(jiǎn)要介紹幾種數(shù)字視頻接口技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，并重點(diǎn)介紹HDMI和DisplayPort兩種數(shù)字視頻接口。

模擬視頻接口的發(fā)展

在我國，最簡(jiǎn)單、最原始、使用最廣泛的視頻接口是復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS、A/V)接口，就是通常所稱的RCA接口，伴隨著S-VHS攝錄像機(jī)、VCD等激光視盤產(chǎn)品，出現(xiàn)了將亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)C分離的S端子（Y/C、S-Video）接口，伴隨著DVD、衛(wèi)星數(shù)字電視機(jī)頂盒(IRD)出現(xiàn)了模擬分量視頻信號(hào)(Y、U、V或Y、R-Y、B-Y)接口；而在PC通信領(lǐng)域，出現(xiàn)了通用接口D-SUB( 9芯)端口,也就是通常所說的VGA端子。

DVI、HDMI和UDI標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用

1 DVI標(biāo)準(zhǔn)

DVI全稱為Digital Visual Interface，它是由數(shù)字顯示工作組DDWG（Digital Display Working Group）于1999年4月推出的開展PC和VGA顯示器間連接的傳輸非壓縮實(shí)時(shí)視頻接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于TMDS(最小化傳輸差分信號(hào))技術(shù)來傳輸數(shù)字信號(hào)，如圖1所示。

圖1 Single-link TMDS連接圖

TMDS包括3個(gè)RGB數(shù)據(jù)和1個(gè)時(shí)鐘，共計(jì)４個(gè)通道(稱為１個(gè)TMDS連接或Single-link)的傳輸回路。TMDS是把8位的RGB視頻數(shù)據(jù)變換成10位轉(zhuǎn)換最小化、DC平衡的數(shù)據(jù)，再完成數(shù)據(jù)的串行處理；接收端設(shè)備對(duì)串行數(shù)據(jù)解串行變成并行數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換成8位視頻信號(hào)。因此，傳輸數(shù)字RGB數(shù)據(jù)需要3個(gè)轉(zhuǎn)換最小化差分采樣信號(hào)構(gòu)成一個(gè)TMDS連接。每個(gè)通道提供165MHz帶寬，1個(gè)10位的TMDS傳輸通道速率達(dá)1.65Gb/s，3個(gè)TMDS通道速率達(dá)4.95Gb/s。若采用dual-1ink連接方式，其帶寬可達(dá)330MHz，傳輸速率可達(dá)9.9Gb/s，支持1600×1200@85Hz的UXGA或2048×1536@75Hz的QXGA圖像以及720p、1080i、1080p的HDTV視頻信號(hào)的無壓縮實(shí)時(shí)傳輸。

DVI由于其連接頭的體積偏大，不兼容音頻信號(hào)，傳輸距離只有5～7m等不足，被HDMI接口所取代，DVI 1.0以后的版本已基本上不再研發(fā)了。

2 HDMI標(biāo)準(zhǔn)

2002年4月，HDMI (High Definition Multimedia Interface)工作組開發(fā)出HDMI(高清晰度多媒體接口)標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)了DVI標(biāo)準(zhǔn)的不足，圖2為HDMI原理圖。

圖2 DVI/HDMI/UDI發(fā)送、接收系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)傳輸示意圖(TMDS)

HDMI是DVI標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)和增強(qiáng)版,支持音頻信號(hào)，可以簡(jiǎn)單理解為：DVI+音頻=HDMI。HDMI接口小巧(與USB相當(dāng))，傳輸?shù)木€纜長(zhǎng)度15m，HDMI向下兼容DVI；HDMI支持VESA組織的HDCP(高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù))，避免內(nèi)容非法拷貝，同時(shí)還支持VESA組織的EDID(擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù))、DDC(顯示數(shù)據(jù)通道，用以讀出EDID)及DMT(監(jiān)視同步協(xié)議)。

HDMI也采用TMDS編碼方式，TMDS具備RGB或 YPbPr色彩數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，共４個(gè)通道(稱為１個(gè)連接)的系列傳輸回路，1個(gè)通道帶寬165MHz(4.95 Gb/s)。顯示數(shù)據(jù)信道(DDC)是用于讀取表示接收側(cè)清晰度等顯示能力的擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)(EDID)的信號(hào)線。搭載HDCP的發(fā)送接收設(shè)備之間也利用DDC線進(jìn)行密碼鍵的認(rèn)證。這是一個(gè)使用了硬件ID的加密系統(tǒng)，發(fā)送側(cè)和接收側(cè)以一定間隔相互確認(rèn)進(jìn)行傳輸。HDMI搭載了認(rèn)證不成立或者中途不成立時(shí)圖像和音頻信號(hào)傳輸立即被中斷的強(qiáng)大內(nèi)容保護(hù)技術(shù)。

從圖2可知，發(fā)送器分別將視頻、音頻信號(hào)變換并合成為接收器可接收的信號(hào)格式。然后，進(jìn)行HDCP加密處理以及TMDS編碼，將并行視頻、音頻等數(shù)據(jù)行串行化處理，以最小化差分信號(hào)形式進(jìn)行傳輸。在接收側(cè)進(jìn)行的處理與發(fā)送側(cè)順序相反。

HDMI 1.3以前版本單連接通道帶寬165MHz(4.95Gb/s)，與DVI一樣，但可傳輸1～8組非壓縮音頻，支持48/96/192kHz等多種采樣音頻頻率。為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的需求，2006年6月公布了最新版的HDMI1.3標(biāo)準(zhǔn)，它具有高傳輸帶寬(10.2 Gb/s)、“深色 (Deep Color) ”和“xvYCC”色彩等強(qiáng)大功能時(shí)，隨著視頻分辨率從標(biāo)清到高清的演化，視頻帶寬的不斷增加將是大勢(shì)所趨，會(huì)出現(xiàn)更多的具備HDMI 1.3接口的電子產(chǎn)品。毫無疑問，HDMI 1.3將在2007年迎來應(yīng)用的高峰。HDMI 1.3擁有以下全新的功能。

● 帶寬更寬（速率更高）：HDMI 1.3將其單帶寬從165MHz(4.95Gb/s)提高到340MHz(10.2Gb/s)，完全支持高清顯示設(shè)備的需要。

● 深色：支持30位、36位和48位(RGB或YCbCr)色深，1.3之前HDMI規(guī)范版本的色深最高為24位。

● 色彩空間更寬：HDMI 1.3完全除去了色彩選擇的所有限制：下一代“xvYCC”色彩空間是現(xiàn)有HDTV信號(hào)的1.8倍；使HDTV顯示色彩更精確；使顯示器的色彩更加自然、逼真。

● 新型迷你接口：隨著HD攝錄一體機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等小型便攜式設(shè)備需要HDTV的無縫連通性，HDMI 1.3提供新型、更小的波形因數(shù)接口選項(xiàng)。

● 唇型同步： HDMI1.3加入了自動(dòng)音頻與視頻同步的功能，使設(shè)備能自動(dòng)地精確實(shí)現(xiàn)了唇音的同步。

● 新型無損音頻格式：除HDMI支持高帶寬的不壓縮數(shù)字音頻和所有現(xiàn)有的壓縮格式的現(xiàn)有性能外，HDMI 1.3還新增了對(duì)新型無損壓縮數(shù)字音頻格式Dolby True HD和DTS-HD Master Audio的支持。

3 UDI標(biāo)準(zhǔn)

UDI (Unified Display Interface)，即統(tǒng)一顯示接口，它是兼容高清晰電視信號(hào)的PC的數(shù)字顯示接口標(biāo)準(zhǔn),2006年7月由SIG(Special Interest Group，特殊利益集團(tuán))制定的UDI Revision  1.0a正式公布。UDI采用的TMDS編碼技術(shù)和內(nèi)容保護(hù)機(jī)制均與DVI和HDMI相同，兼容DVI與HDMI接口，目前采用TMDS技術(shù)的接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了三足鼎立之勢(shì)。一個(gè)數(shù)據(jù)通道最大可傳輸    2.7Gb/s，三個(gè)通道擁有8.1Gb/s的傳輸速率，可對(duì)RGB格式的色階最大調(diào)高至12位的36位彩色全高清（1920×1080像素，60幀/秒）視頻信號(hào)傳輸。UDI與DVI一樣，不支持音頻信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸，UDI無須專利費(fèi)，但需支付最初的授權(quán)費(fèi)。

4 DVI、HDMI、UDI的簡(jiǎn)單比較與應(yīng)用前景

UDI與DVI都不支持音頻傳輸，UDI的帶寬比DVI稍高一些，被PC業(yè)界視為DVI的后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于PC的視頻顯示接口。HDMI支持音頻信號(hào)、亮度色差信號(hào)(YPbPr)，不僅能應(yīng)用于視頻顯示接口，而且是面向消費(fèi)電子的高速多媒體較理想接口，如高清DVD播放器、數(shù)字電視機(jī)頂盒、LCD、DLP、PDP、高清CRT等大畫面高清晰度顯示設(shè)備之間連接，構(gòu)建具有高清晰度電視圖像和多聲道音頻的下一代家庭影院。

DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用前景

2006年5月，VESA(Video Electronics Standards Association, 國際視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))批準(zhǔn)了旨在應(yīng)用于PC、監(jiān)視器、電視以及投影儀等的DisplayPort1.0顯示接口標(biāo)準(zhǔn)。DisplayPort(簡(jiǎn)稱DP)主要由主鏈路、輔助通道和熱插拔信號(hào)檢測(cè)(HPD)三部分組成，如圖3所示。主鏈路是一條高帶寬、低延時(shí)的單向傳輸鏈路，用于傳輸無壓縮的視頻、音頻流；輔助通道是一條1Mb/s帶寬、低延遲雙向通道，用于傳輸狀態(tài)信息、控制命令等，并提供主鏈路管理及設(shè)備控制；熱插拔信號(hào)則實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備(Sink Device)中斷請(qǐng)求。

圖3 DisplayPort接口的傳輸層架構(gòu)

主鏈路由4條線路(Lane)組成，每一條支持2.7Gb/s或1.62Gb/s兩種傳輸速率，4條可以實(shí)現(xiàn)10.8Gb/s，在相同的線路數(shù)下DisplayPort比DVI快  2.2倍。 因此DisplayPort可以滿足各種多媒體、特別是視頻應(yīng)用的需求任何色深(Color Depth)、解析度和畫面刷新頻率(Rate)都可以自由轉(zhuǎn)換。DisplayPort沒有單獨(dú)的時(shí)鐘通道，主鏈路上采用的是ANXI 8B/10B編碼，時(shí)鐘信號(hào)是從數(shù)據(jù)流中提取出來的。這個(gè)區(qū)別于DVI和HDMI的特點(diǎn)，大大降低了DisplayPort產(chǎn)品EMI設(shè)計(jì)的難度。而輔助通道由一對(duì)交流耦合差分線組成的雙向、半雙工通道，所有的通信都必須由源端設(shè)備發(fā)起，終端設(shè)備也可以通過熱插拔信號(hào)來提出通信請(qǐng)求。輔助通道在15m的傳輸距離上提供1Mb/s的傳輸速率，對(duì)傳輸延時(shí)要求嚴(yán)格，通信必須在500μs內(nèi)完成。因有熱插撥信號(hào)檢測(cè)，故支持設(shè)備的即插即用、熱插撥功能。

DisplayPort除了高帶寬優(yōu)勢(shì)外,還有以下優(yōu)勢(shì)。

● 微封包傳輸(Micro-Packet Architecture)架構(gòu)傳輸:在主鏈路上，所有的視頻、音頻數(shù)據(jù)流都被打包為微封包(由64個(gè)碼組成)。同時(shí)，微封包架構(gòu)可以在同一條線路內(nèi)傳輸多組視頻，而DVI、HDMI、UDI采用的交換式傳輸就限定一條鏈路只能傳輸一組視頻。此外，這種架構(gòu)很容易地在現(xiàn)有傳輸中追加新的協(xié)定內(nèi)容，如內(nèi)容防拷協(xié)定等。

● DPCP,即DP內(nèi)容防復(fù)制保護(hù):微封包架構(gòu)可彈性追加傳輸協(xié)議，DPCP采用經(jīng)改進(jìn)的新型的防復(fù)制保護(hù)機(jī)制,利用AES型高速128位內(nèi)容加密，沒有選用HDCP規(guī)范中使用的40位密鑰。

● DisplayPort是一種開放式數(shù)字顯示接口標(biāo)準(zhǔn)，無須專利費(fèi)，可降低設(shè)備的成本。

基于DisplayPort主鏈路可傳輸帶音頻的未經(jīng)壓縮的視頻流，它的擴(kuò)展性支持多視頻或音頻流，還提供1Mb/s、低延遲和雙向的輔助通道，適合于互動(dòng)、對(duì)話等應(yīng)用，支持即插即用，能夠支持收看高清電視、錄像和其他受保護(hù)的內(nèi)容，不僅可以取代DVI/HDMI，還可取代LVDS，應(yīng)用前景十分廣闊。

總結(jié)

DisplayPort的傳輸速率、安全性、開放性、可擴(kuò)展性比其他的視頻接口優(yōu)勢(shì)明顯，是個(gè)理想的數(shù)字多媒體接口，其特性符合了PC和消費(fèi)類電子領(lǐng)域?qū)?shù)字多媒體接口的要求。但DisplayPort與DVI、HDMI、UDI不兼容，DP的應(yīng)用前景有待于市場(chǎng)的檢驗(yàn)。HDMI是以DVI為基礎(chǔ)，可以傳輸數(shù)字音頻信號(hào)，也是一種比較優(yōu)秀的消費(fèi)電子產(chǎn)品接口，HDMI發(fā)展迅速，正逐漸取代DVI。UDI與DisplayPort因無須專利費(fèi)，在PC應(yīng)用領(lǐng)域雙方目標(biāo)一致：外部替換VGA，內(nèi)部替換LVDS。它們之間的比較如表1所示。