原创 HDMI® Cable/Connector 全面解析

2021-2-3 09:44 645 3 3 分类: MCU/ 嵌入式 文集: HDMI

原创声明

作者:GRL实验室 / 胡智钧 Jeff Hu

高解析多媒体影音接口(High Definition Multimedia Interface, HDMI®)是一种在家电以及 3C 产品上相当普遍的影音传输接口,HDMI®支持高分辨率视讯以及多信道高传真音频,消费者可以从中获得更好的影音体验。同时 HDMI®也支持双向传输的 CECConsumer Electronics Control)功能,可以用来控制当下透过 HDMI®线缆连接在一起并支持 CEC 协议的装置,另外也支持 ARCAudio Return Channel)功能,显示器可以利用 ARC 的功能将声音讯号透过同一条HDMI®线缆回传到家庭剧院等装置,以减少多余线材的使用。

 

HDMI®线缆是否符合使用者的需求取决于「线材」及「连接器」两个部分。线材决定线缆的带宽,对应到线缆传送的最高分辨率;连接器则决定线缆能够连接的设备种类。HDMI®线缆能传输的资料量取决于 TMDS 信道上频率的速度,根据最高频率上限的不同,可以分为下列四种不同的 HDMI®线缆规格:

(1) Category 1 cable

(2) Category 2 cable

(3) Premium HDMI cable

(4) Category 3(Ultra High Speed, UHS) cable

其中 (1)(2)被定义在 High-Definition Multimedia Interface Specification Version 1.4b中,(3)被定义在 Premium HDMI Cable Specification 里,而(4)被定义在 High Definition Multimedia Interface Specification Version 2.1 里,其中详细的频率规格如下:

 

  • Category 1 cable: 最高支持的 TMDS 频率为 74.25MHz,带宽为 2.25Gbps,可传输 720p/1080i 60Hz的影像
  • Category 2 cable: 最高支持的 TMDS 频率为 340MHz,带宽为 10.2Gbps,可传输 4K2K 30Hz 的影
  • Premium cable: 最高支持的 TMDS 频率为 594MHz,带宽为 5.94Gbps,对应到 HDMI 2.1 的最高带宽,可以传输 4K2K 60Hz 的影像
  • Category 3 cable: 除了 TMDS 模式之外,同时也支持 FRL 模式,带宽最高可达 48Gbps,可以传输8K 60Hz 不经过压缩处理的影像

HDMI® 1.3 版更新至 1.4 版时,新增加支持以太网络功能,让不同装置透过其连接的 HDMI®线缆就能共享网络功能,不需要连接额外的网络线。如果支持此功能的线缆,会在名称之后加注「附以太网」(with Ethernet)的字样。

 

另外,针对「车用线缆」(AutomotiveHDMI® 1.4b 规范有其专有的定义。车用线缆由于使用上有其限制,因此支持的带宽较低,最高频率只到 74.25MHz (Category 1 Automotive),由于考虑到汽车内部环境通常比室内严苛许多,为了能够承受颠簸、高低温变化等各项因素,对连接稳定性、抗震、防潮等环境承受度都有一定要求,所以在连接器上会使用机构经过特别设计且尺寸较大的 Type-E 连接器。

 

在连接器部分,HDMI®协会共定义了下列五种:

Type A

为市面上最常见的HDMI®连接器种类,共设计有 19pin,一般笔记本电脑、DVD 播放器、电视、计算机屏幕等设备上都采用此种类。

 

Type B

设计有29pin,带宽为 Type A 的两倍。理论上能够传输 WQXGA2560×1600)的高分辨率,但是当时的HDMI®芯片无法运作在那么高的频率速度,所以市面上并没有产品采用。

 

Type C

又称做 mini-HDMI 连接器,为19pin 的设计,但针脚排列成单排,而且有着比 Type A 稍小的体积,有时候会在一些薄型笔记本电脑或是计算机屏幕上使用。

 

Type D

又称做 micro-HDMI连接器,同样为19pin 的设计。Type D 接口比Type C又缩小了大约一半的面积,很适合数字相机、平版计算机等以轻薄短小设计为要求的便携设备使用,有时候也会在笔记本电脑上看见。

 

Type E

此种类专为车用线缆设计,有与其他种类相同的 19pin 设计,差别在线缆相连的地方有着机械锁的设计,能够在车辆行进中确保连接的稳定性。是一般消费者在市面上不常见到的种类。


HDMI®的规格中,规范了了许多线缆及连接器的类型,如表(1)所示,其中 Type B 连接器由于规格设计上的定义,并没有受到厂商的青睐,目前采用这类型连接器的产品在市面上是看不到的。目前市场上采用 Type C Type D 连接器类型的产品并不普及,多少降低了厂商使用的意愿。最主要的原因还是,消费者在市面上购入的大都是采用 Type A 类型连接器的 HDMI® 线缆,所以一般带有Type C Type D 类型的装置,必须再额外搭配适配器才能转接上 Type A 线缆,额外的转接需求会使消费者在使用上觉得不方便。

1HDMI® 市场名称及类别

 

2013 HDMI® 2.0 规格发布之后,HDMI 接口能够乘载的最大带宽来到了 18Gbps,将近HDMI® 1.4 时期 10.2Gbps 的两倍。但是 HDMI® 2.0 的规格当中并没有新增线缆规格,因此并不存在坊间俗称的「HDMI® 2.0 线缆」。

 

在短距离的讯号传输,讯号衰减尚不明显,理论上选用质量较好的高速 HDMI 线缆就能够满足 HDMI® 2.0 的带宽,但是随着不同的应用出现,造成距离的增加,甚至超过 5 公尺以上,此时讯号衰减造成的影响就会逐渐明显。

 

对此,HDMI® 协会提出了「Premium HDMI® Cable Certification Program」,除了针对 18Gbps 讯号有眼图测试来确保讯号质量,还规范有电磁干扰(EMI)测试,确保线缆不会释放或是接收过多的噪声,减少讯号传输时的噪声干扰,有助于较长距离的传输。通过认证的线缆,厂商将可以购买附有专属QR Code 的防伪标签(如下图)。并且可以根据是否附加以太网络功能在产品外盒上加注。

最后,随着HDMI®规格的更新,为了提供使用者更大的带宽,最新的 HDMI® 2.1 Fixed Rate LinkFRL)模式架构下可以传输大量的影音信息。对线材来说,更高的讯号传输带宽要求意味着更严格的质量要求,因此延伸出新的UHS HDMI®线缆种类与规范。消费者在购买线缆的时候,深入了解自身需求,配合环境选择最适合的线缆,才能发挥产品的最大效能。


作者:

GRL 台湾区测试工程师 胡智钧 Jeff Hu

国立成功大学电机系。拥有三年多 HDMI 之测试经验,熟悉 HDMI Source/Sink/Repeater/Cable 等测试规范。

GRL 技术文章作者及演讲讲师。

 

本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。


作者: GRL实验室, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3943047.html

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