幾種高帶寬數字視頻接口的發(fā)展及應用

隨著(zhù)人們對圖像顯示質(zhì)量要求的不斷提升，傳統的以模擬方式來(lái)傳輸和顯示多媒體信號的技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的要求，廣播電視行業(yè)數字化和數字電視的整體轉換的實(shí)施、數字化、網(wǎng)絡(luò )化、光纖化是IT行業(yè)的發(fā)展趨勢。以高清數字電視為代表的消費類(lèi)數字視頻設備的應用越來(lái)越普遍，傳統的模擬視頻接口標準無(wú)法適應新的產(chǎn)品在帶寬、內容保護、音頻支持等方面的發(fā)展需求，使得HDMI、UDI和DisplayPort等新標準顯得更能適應市場(chǎng)的需求，本文從傳統模擬視頻接口開(kāi)始，簡(jiǎn)要介紹幾種數字視頻接口技術(shù)及標準，并重點(diǎn)介紹HDMI和DisplayPort兩種數字視頻接口。

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合視頻信號(CVBS、A/V)接口，就是通常所稱(chēng)的RCA接口，伴隨著(zhù)S-VHS攝錄像機、VCD等激光視盤(pán)產(chǎn)品，出現了將亮度信號Y和色度信號C分離的S端子（Y/C、S-Video）接口，伴隨著(zhù)DVD、衛星數字電視機頂盒(IRD)出現了模擬分量視頻信號(Y、U、V或Y、R-Y、B-Y)接口；而在PC通信領(lǐng)域，出現了通用接口D-SUB( 9芯)端口,也就是通常所說(shuō)的VGA端子。

DVI、HDMI和UDI標準及應用

1 DVI標準

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

圖1 Single-link TMDS連接圖

TMDS包括3個(gè)RGB數據和1個(gè)時(shí)鐘，共計４個(gè)通道(稱(chēng)為１個(gè)TMDS連接或Single-link)的傳輸回路。TMDS是把8位的RGB視頻數據變換成10位轉換最小化、DC平衡的數據，再完成數據的串行處理；接收端設備對串行數據解串行變成并行數據，再轉換成8位視頻信號。因此，傳輸數字RGB數據需要3個(gè)轉換最小化差分采樣信號構成一個(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1.65Gb/s，3個(gè)TMDS通道速率達4.95Gb/s。若采用dual-1ink連接方式，其帶寬可達330MHz，傳輸速率可達9.9Gb/s，支持16001200@85Hz的UXGA或20481536@75Hz的QXGA圖像以及720p、1080i、1080p的HDTV視頻信號的無(wú)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，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標準

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

圖2 DVI/HDMI/UDI發(fā)送、接收系統的基本結構傳輸示意圖(TMDS)

HDMI是DVI標準的升級和增強版,支持音頻信號，可以簡(jiǎn)單理解為：DVI+音頻=HDMI。HDMI接口小巧(與USB相當)，傳輸的線(xiàn)纜長(cháng)度15m，HDMI向下兼容DVI；HDMI支持VESA組織的HDCP(高帶寬數字內容保護)，避免內容非法拷貝，同時(shí)還支持VESA組織的EDID(擴展顯示識別數據)、DDC(顯示數據通道，用以讀出EDID)及DMT(監視同步協(xié)議)。

HDMI也采用TMDS編碼方式，TMDS具備RGB或 YPbPr色彩數據和時(shí)鐘，共４個(gè)通道(稱(chēng)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)。顯示數據信道(DDC)是用于讀取表示接收側清晰度等顯示能力的擴展顯示標識數據(EDID)的信號線(xiàn)。搭載HDCP的發(fā)送接收設備之間也利用DDC線(xiàn)進(jìn)行密碼鍵的認證。這是一個(gè)使用了硬件ID的加密系統，發(fā)送側和接收側以一定間隔相互確認進(jìn)行傳輸。HDMI搭載了認證不成立或者中途不成立時(shí)圖像和音頻信號傳輸立即被中斷的強大內容保護技術(shù)。

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

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標準，它具有高傳輸帶寬(10.2 Gb/s)、“深色 (Deep Color) ”和“xvYCC”色彩等強大功能時(shí)，隨著(zhù)視頻分辨率從標清到高清的演化，視頻帶寬的不斷增加將是大勢所趨，會(huì )出現更多的具備HDMI 1.3接口的電子產(chǎn)品。毫無(wú)疑問(wèn)，HDMI 1.3將在2007年迎來(lái)應用的高峰。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”色彩空間是現有HDTV信號的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(zhù)HD攝錄一體機和數碼照相機等小型便攜式設備需要HDTV的無(wú)縫連通性，HDMI 1.3提供新型、更小的波形因數接口選項。

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

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

3 UDI標準

UDI (Unified Display Interface)，即統一顯示接口，它是兼容高清晰電視信號的PC的數字顯示接口標準,2006年7月由SIG(Special Interest Group，特殊利益集團)制定的UDI Revision 1.0a正式公布。UDI采用的TMDS編碼技術(shù)和內容保護機制均與DVI和HDMI相同，兼容DVI與HDMI接口，目前采用TMDS技術(shù)的接口標準出現了三足鼎立之勢。一個(gè)數據通道最大可傳輸 2.7Gb/s，三個(gè)通道擁有8.1Gb/s的傳輸速率，可對RGB格式的色階最大調高至12位的36位彩色全高清（19201080像素，60幀/秒）視頻信號傳輸。UDI與DVI一樣，不支持音頻信號數據傳輸，UDI無(wú)須專(zhuān)利費，但需支付最初的授權費。

4 DVI、HDMI、UDI的簡(jiǎn)單比較與應用前景

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的后續標準，主要應用于PC的視頻顯示接口。HDMI支持音頻信號、亮度色差信號(YPbPr)，不僅能應用于視頻顯示接口，而且是面向消費電子的高速多媒體較理想接口，如高清DVD播放器、數字電視機頂盒、LCD、DLP、PDP、高清CRT等大畫(huà)面高清晰度顯示設備之間連接，構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標準及應用前景

2006年5月，VESA(Video Electronics Standards Association, 國際視頻電子標準協(xié)會(huì ))批準了旨在應用于PC、監視器、電視以及投影儀等的DisplayPort1.0顯示接口標準。DisplayPort(簡(jiǎn)稱(chēng)DP)主要由主鏈路、輔助通道和熱插拔信號檢測(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(wú)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備控制；熱插拔信號則實(shí)現了終端設備(Sink Device)中斷請求。

圖3 DisplayPort接口的傳輸層架構

主鏈路由4條線(xiàn)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10.8Gb/s，在相同的線(xiàn)路數下DisplayPort比DVI快 2.2倍。 因此DisplayPort可以滿(mǎn)足各種多媒體、特別是視頻應用的需求任何色深(Color Depth)、解析度和畫(huà)面刷新頻率(Rate)都可以自由轉換。DisplayPort沒(méi)有單獨的時(shí)鐘通道，主鏈路上采用的是ANXI 8B/10B編碼，時(shí)鐘信號是從數據流中提取出來(lái)的。這個(gè)區別于DVI和HDMI的特點(diǎn)，大大降低了DisplayPort產(chǎn)品EMI設計的難度。而輔助通道由一對交流耦合差分線(xiàn)組成的雙向、半雙工通道，所有的通信都必須由源端設備發(fā)起，終端設備也可以通過(guò)熱插拔信號來(lái)提出通信請求。輔助通道在15m的傳輸距離上提供1Mb/s的傳輸速率，對傳輸延時(shí)要求嚴格，通信必須在500μs內完成。因有熱插撥信號檢測，故支持設備的即插即用、熱插撥功能。

DisplayPort除了高帶寬優(yōu)勢外,還有以下優(yōu)勢。

● 微封包傳輸(Micro-Packet Architecture)架構傳輸:在主鏈路上，所有的視頻、音頻數據流都被打包為微封包(由64個(gè)碼組成)。同時(shí)，微封包架構可以在同一條線(xiàn)路內傳輸多組視頻，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，這種架構很容易地在現有傳輸中追加新的協(xié)定內容，如內容防拷協(xié)定等。

● DPCP,即DP內容防復制保護:微封包架構可彈性追加傳輸協(xié)議，DPCP采用經(jīng)改進(jìn)的新型的防復制保護機制,利用AES型高速128位內容加密，沒(méi)有選用HDCP規范中使用的40位密鑰。

● DisplayPort是一種開(kāi)放式數字顯示接口標準，無(wú)須專(zhuān)利費，可降低設備的成本。

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)、對話(huà)等應用，支持即插即用，能夠支持收看高清電視、錄像和其他受保護的內容，不僅可以取代DVI/HDMI，還可取代LVDS，應用前景十分廣闊。

總結

DisplayPort的傳輸速率、安全性、開(kāi)放性、可擴展性比其他的視頻接口優(yōu)勢明顯，是個(gè)理想的數字多媒體接口，其特性符合了PC和消費類(lèi)電子領(lǐng)域對數字多媒體接口的要求。但DisplayPort與DVI、HDMI、UDI不兼容，DP的應用前景有待于市場(chǎng)的檢驗。HDMI是以DVI為基礎，可以傳輸數字音頻信號，也是一種比較優(yōu)秀的消費電子產(chǎn)品接口，HDMI發(fā)展迅速，正逐漸取代DVI。UDI與DisplayPort因無(wú)須專(zhuān)利費，在PC應用領(lǐng)域雙方目標一致：外部替換VGA，內部替換LVDS。它們之間的比較如表1所示。