數(shù)字視頻接口技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字視頻接口技術(shù)的發(fā)展

隨著人們對(duì)圖像顯示質(zhì)量要求的不斷提高，傳統(tǒng)的模擬模式不能滿(mǎn)足人們的需求。數(shù)字產(chǎn)業(yè)的全球轉(zhuǎn)型、數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)化和光纖工業(yè)是全球的發(fā)展趨勢(shì)。以高清數(shù)字電視為代表的消費(fèi)類(lèi)數(shù)字視頻設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越普遍,傳統(tǒng)的模擬視頻接口標(biāo)準(zhǔn)無(wú)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(kāi)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。模擬分量視頻信號(hào)y/c、s-hdmi、錄像視頻等三網(wǎng)融合接口在我國(guó),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(chēng)的RCA接口,伴隨著S-VHS攝錄像機(jī)、VCD等激光視盤(pán)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(shuō)的VGA端子。dvi、hdm和udi的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用1tmds傳輸系統(tǒng)DVI全稱(chēng)為DigitalVisualInterface,它是由數(shù)字顯示工作組DDWG(DigitalDisplayWorkingGroup)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(biāo)準(zhǔn)。它基于TMDS(最小化傳輸差分信號(hào))技術(shù)來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào),如圖1所示。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(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(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(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(hào),傳輸距離只有5～7m等不足,被HDMI接口所取代,DVI1.0以后的版本已基本上不再研發(fā)了。2hdmi1.3數(shù)字性能2002年4月,HDMI(HighDefinitionMultimediaInterface)工作組開(kāi)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。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(chēng)為1個(gè)連接)的系列傳輸回路,1個(gè)通道帶寬165MHz(4.95Gb/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。HDMI1.3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(10.2Gb/s)、“深色(DeepColor)”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HDMI1.3接口的電子產(chǎn)品。毫無(wú)疑問(wèn),HDMI1.3將在2007年迎來(lái)應(yīng)用的高峰。HDMI1.3擁有以下全新的功能。●帶寬更寬(速率更高):HDMI1.3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?！裆士臻g更寬:HDMI1.3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?！裥滦兔阅憬涌?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(wú)縫連通性,HDMI1.3提供新型、更小的波形因數(shù)接口選項(xiàng)?！翊叫屯?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?！裥滦蜔o(wú)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,HDMI1.3還新增了對(duì)新型無(wú)損壓縮數(shù)字音頻格式DolbyTrueHD和DTS-HDMasterAudio的支持。3udi標(biāo)準(zhǔn)4視頻顯示接口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(huà)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。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口2006年5月,VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation,國(guó)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(chēng)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(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(shè)備控制;熱插拔信號(hào)則實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備(SinkDevice)中斷請(qǐng)求。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(mǎn)足各種多媒體、特別是視頻應(yīng)用的需求任何色深(ColorDepth)、解析度和畫(huà)面刷新頻率(Rate)都可以自由轉(zhuǎn)換。DisplayPort沒(méi)有單獨(dú)的時(shí)鐘通道,主鏈路上采用的是ANXI8B/10B編碼,時(shí)鐘信號(hào)是從數(shù)據(jù)流中提取出來(lái)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(guò)熱插拔信號(hào)來(lái)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)?！裎⒎獍鼈鬏?Micro-PacketArchitecture)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?！馜PCP,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(méi)有選用HDCP規(guī)范中使用的40位密鑰?！馜isplayPort是一種開(kāi)放式數(shù)字顯示接口標(biāo)準(zhǔn),無(wú)須專(zhuān)利費(fèi),可降低設(shè)備的成本?；贒isplayPort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(huà)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。dvi/hdmi接口DisplayPort的傳輸速率、安全性、開(kāi)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(lèi)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(wú)須專(zhuān)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。UDI(UnifiedDisplayInterface),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(SpecialInterestGroup,特殊利益集