數字視頻接口技術的發展

隨著人們對圖像顯示質量要求的不斷提高，傳統的模擬模式不能滿足人們的需求。數字產業的全球轉型、數字、網絡化和光纖工業是全球的發展趨勢。以高清數字電視為代表的消費類數字視頻設備的應用越來越普遍,傳統的模擬視頻接口標準無法適應新的產品在帶寬、內容保護、音頻支持等方面的發展需求,使得HDMI、UDI和DisplayPort等新標準顯得更能適應市場的需求,本文從傳統模擬視頻接口開始,簡要介紹幾種數字視頻接口技術及標準,并重點介紹HDMI和DisplayPort兩種數字視頻接口。模擬分量視頻信號y/c、s-hdmi、錄像視頻等三網融合接口在我國,最簡單、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,就是通常所稱的RCA接口,伴隨著S-VHS攝錄像機、VCD等激光視盤產品,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通信領域,出現了通用接口D-SUB(9芯)端口,也就是通常所說的VGA端子。dvi、hdm和udi的標準和應用1tmds傳輸系統DVI全稱為DigitalVisualInterface,它是由數字顯示工作組DDWG(DigitalDisplayWorkingGroup)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時視頻接口標準。它基于TMDS(最小化傳輸差分信號)技術來傳輸數字信號,如圖1所示。TMDS包括3個RGB數據和1個時鐘,共計4個通道(稱為1個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個轉換最小化差分采樣信號構成一個TMDS連接。每個通道提供165MHz帶寬,1個10位的TMDS傳輸通道速率達1.65Gb/s,3個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1600×1200@85Hz的UXGA或2048×1536@75Hz的QXGA圖像以及720p、1080i、1080p的HDTV視頻信號的無壓縮實時傳輸。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,DVI1.0以后的版本已基本上不再研發了。2hdmi1.3數字性能2002年4月,HDMI(HighDefinitionMultimediaInterface)工作組開發出HDMI(高清晰度多媒體接口)標準,改進了DVI標準的不足,圖2為HDMI原理圖。HDMI是DVI標準的升級和增強版,支持音頻信號,可以簡單理解為:DVI+音頻=HDMI。HDMI接口小巧(與USB相當),傳輸的線纜長度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(監視同步協議)。HDMI也采用TMDS編碼方式,TMDS具備RGB或YPbPr色彩數據和時鐘,共4個通道(稱為1個連接)的系列傳輸回路,1個通道帶寬165MHz(4.95Gb/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。搭載HDCP的發送接收設備之間也利用DDC線進行密碼鍵的認證。這是一個使用了硬件ID的加密系統,發送側和接收側以一定間隔相互確認進行傳輸。HDMI搭載了認證不成立或者中途不成立時圖像和音頻信號傳輸立即被中斷的強大內容保護技術。從圖2可知,發送器分別將視頻、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行傳輸。在接收側進行的處理與發送側順序相反。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。為了適應技術的發展和市場的需求,2006年6月公布了最新版的HDMI1.3標準,它具有高傳輸帶寬(10.2Gb/s)、“深色(DeepColor)”和“xvYCC”色彩等強大功能時,隨著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,會出現更多的具備HDMI1.3接口的電子產品。毫無疑問,HDMI1.3將在2007年迎來應用的高峰。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: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的無縫連通性,HDMI1.3提供新型、更小的波形因數接口選項。●唇型同步:HDMI1.3加入了自動音頻與視頻同步的功能,使設備能自動地精確實現了唇音的同步。●新型無損音頻格式:除HDMI支持高帶寬的不壓縮數字音頻和所有現有的壓縮格式的現有性能外,HDMI1.3還新增了對新型無損壓縮數字音頻格式DolbyTrueHD和DTS-HDMasterAudio的支持。3udi標準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。視頻監控系統的接口2006年5月,VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation,國際視頻電子標準協會)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(簡稱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;熱插拔信號則實現了終端設備(SinkDevice)中斷請求。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條可以實現10.8Gb/s,在相同的線路數下DisplayPort比DVI快2.2倍。因此DisplayPort可以滿足各種多媒體、特別是視頻應用的需求任何色深(ColorDepth)、解析度和畫面刷新頻率(Rate)都可以自由轉換。DisplayPort沒有單獨的時鐘通道,主鏈路上采用的是ANXI8B/10B編碼,時鐘信號是從數據流中提取出來的。這個區別于DVI和HDMI的特點,大大降低了DisplayPort產品EMI設計的難度。而輔助通道由一對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備發起,終端設備也可以通過熱插拔信號來提出通信請求。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除了高帶寬優勢外,還有以下優勢。●微封包傳輸(Micro-PacketArchitecture)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個碼組成)。同時,微封包架構可以在同一條線路內傳輸多組視頻,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定內容,如內容防拷協定等。●DPCP,即DP內容防復制保護:微封包架構可彈性追加傳輸協議,DPCP采用經改進的新型的防復制保護機制,利用AES型高速128位內容加密,沒有選用HDCP規范中使用的40位密鑰。●DisplayPort是一種開放式數字顯示接口標準,無須專利費,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、對話等應用,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。dvi/hdmi接口DisplayPort的傳輸速率、安全性、開放性、可擴展性比其他的視頻接口優勢明顯,是個理想的數字多媒體接口,其特性符合了PC和消費類電子領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,也是一種比較優秀的消費電子產品接口,HDMI發展迅速,正逐漸取代DVI。UDI與DisplayPort因無須專利費,在PC應用領域雙方目標一致:外部替換VGA,內部替換LVDS。它們之間的比較如表1所示。UDI(UnifiedDisplayInterface),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(SpecialInterestGroup,特殊利益集