Hdmi tmds что это
Обновлено: 03.07.2024
В 2002 году крупнейшие производители бытовой электроники, такие как Hitachi, Philips, Sony, Toshiba и др., предложили новый интерфейс High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Он стал первым полностью цифровым интерфейсом для передачи несжатых потоков аудио и видео, при этом он обратно совместим с DVI, который передаёт цифровой поток видео.
Интерфейс HDMI постоянно развивался. Сегодня насчитывается уже несколько версий с разными номерами. Первая версия HDMI 1.0 появилась ещё в 2002 году. Самая последняя HDMI 1.3 была утверждена в июне 2006. Каждая версия использует одни и те же аппаратные спецификации и кабель, но отличается увеличенной пропускной способностью и типами информации, которые можно передавать через HDMI. Например, HDMI 1.0 поддерживает максимальную скорость 4,9 Гбит/с, а HDMI 1.3 - уже 10,2 Гбит/с.
Ниже приведена краткая информация о версиях HDMI.
HDMI 1.1 - 5/2004
Добавлена поддержка защиты контента DVD Audio.
HDMI 1.2 - 8/2005
Добавлена поддержка Super Audio CD;
разъём HDMI Type A для подключения ПК в качестве источника;
источники ПК могут использовать "родной" режим цветов RGB, сохраняется опция режима цветов YCbCr;
поддержка источников с низким напряжением.
HDMI 1.3 - 6/2006
Пропускная способность соединения аудио/видео была увеличена до 10,2 Гбит/с;
улучшенная поддержка цветов, включая глубину 30, 36 и 48 бит (RGB или YCbCr);
добавлена поддержка цветовых стандартов xvYCC;
добавлена поддержка автоматической синхронизации звука;
добавлена поддержка потоков Dolby TrueHD и DTS-HD (форматы, используемые в дисках HD DVD и Blu-ray) для декодирования внешними ресиверами;
был утверждён новый мини-разъём для таких устройств, как видеокамеры.
HDMI 1.3b - 3/2007
Управление бытовой электроникой.
HDMI 1.4 - 5/2009
Добавлена поддержка разрешения 4K х 2К (3840×2160 при 24/25/30 Гц и 4096×2160 при 24 Гц).
Реализована возможность создания Fast Ethernet -соединения (100 Мбит/с) (HDMI Ethernet Channel, HEC ).
Реализована технология реверсивного звукового канала (ARC).
Разработан новый интерфейсный разъём для миниатюрных устройств — micro-HDMI (Type D).
Поддержка 3D-изображения.
HDMI 1.4a - 3/2010
Улучшена поддержка 3D-изображения
HDMI 1.4b - 10/2011
Поддержка видео 1080p на 120 Гц.
Увеличена пропускная способность интерфейса по одному проводу до 15 Гбит/с.
HDMI 2.0- 9/2013
Добавлена поддержка разрешения 4K (3840×2160) при 50/60 Гц
Добавлена поддержка до 32 каналов аудио
Звуковая частота увеличена до 1536кГц для самого высокого качества звука
Добавлена поддержка дисплеев с соотношением сторон 21:9
Добавлена динамическая синхронизация видео и аудио потоков
Ниже приведена таблица основных улучшений версии 1.3 по сравнению с 1.2.
| Функция | HDMI 1.2 | HDMI 1.3 |
| Максимальная пропускная способность | 4,95 Гбит/с | 10,2 Гбит/с |
| Максимальная полоса частот | 165 МГц | 340 МГц |
| Максимальное разрешение | 1920x1080 прогрессивное (1080p) | 2560x1440 прогрессивное (1440p) |
| Максимальная глубина цвета | 24 бита | 48 бит |
| Максимальное число цветов | 16,7 млн. | 281 трлн. |
| Поддержка DTS и Dolby Digital 5.1 | Да | Да |
| Поддержка Dolby TrueHD и DTS-HD | Нет | Да |
| Максимальная частота сэмплирования звука (2 канала) | 192 кГц | 768 кГц |
| Максимальная частота сэмплирования звука (от 3 до 8 каналов) | 96 кГц (4 потока макс.) | 192 кГц (8 потоков макс.) |
Техническая информация
Ниже приведена схема интерфейса HDMI.
Контакт 1 - TMDS Data2+
Контакт 2 - TMDS Data2 Shield
Контакт 3 - TMDS Data2-
Контакт 4 - TMDS Data1+
Контакт 5 - TMDS Data1 Shield
Контакт 6 - TMDS Data1-
Контакт 7 - TMDS Data0+
Контакт 8 - TMDS Data0 Shield
Контакт 9 - TMDS Data0-
Контакт 10 - TMDS Clock+
Контакт 11 - TMDS Clock Shield
Контакт 12 - TMDS Clock-
Контакт 13 - CEC
Контакт 14 -Reserved (N.C. on device)
Контакт 15 - SCL
Контакт 16 - SDA
Контакт 17 - DDC/CEC Ground
Контакт 18 - +5 V Power
Контакт 19 - Hot Plug Detect
Легенда.
TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling). Технология высокоскоростной передачи цифровых потоков, используемая в интерфейсах HDMI и DVI. Использует три канала, передающие потоки аудио/видео и дополнительных данных, с пропускной способностью до 3,4 Гбит/с на канал.
CEC (Consumer Electronics Control). Позволяет передавать команды и управляющие сигналы между участниками связи. Функции CEC встраиваются по желанию производителя. Если все участники связи будут поддерживать HDMI CEC, то вы сможете, например, посылать команды с пульта ДУ всей подключённой технике. Среди команд есть включение/выключение, воспроизведение, переход в режим ожидания, запись и другие.
SCL (Serial Data Clock). Отвечает за синхронизацию передачи данных.
SDA (Serial Data Access). Передаёт данные.
DDC (Display Data Channel). Позволяет передавать спецификации дисплея, такие, как название производителя, номер модели, поддерживаемые форматы и разрешения и т.д.
Поддержка форматов
Сегодня поддерживаются все основные форматы видео, включая PAL, NTSC, ATSC и другие. Разрешение видео возможно до 1440p или 2560x1440 в прогрессивном формате (у Blu-ray и HD-DVD оно составляет, максимум, 1080p). Поддерживается глубина цвета до 48 бит (более 280 трлн. цветов) с частотой обновления до 120 Гц.
Поддерживаемые форматы звука включают.
Сжатый звук. Dolby Digital, DTS и т.д.
Многоканальный звук. SACD, DVD Audio.
Несжатый звук (PCM). До 8 каналов с частотой дискретизации до 192 кГц при 24 битах.
Сжатый звук без потери качества. Недавно добавлена поддержка Dolby TrueHD и DTS-HD Master Audio.
Защита контента (HDCP)
Для интерфейса HDMI была лицензирована встроенная схема защиты цифрового контента High-Bandwidth Digital Content Protection (HDCP), которая была создана компанией Intel и некоторыми другими для борьбы с пиратством. Технология HDCP должна присутствовать на HD-ресиверах или плеерах/видеомагнитофонах DVD/HD-DVD/Blu-ray, которые используют HDMI.
Ресиверы HDMI
Если вы следите за развитием "домашних кинотеатров", то наверняка знаете, что сегодня ресивер аудио/видео-потоков должен обладать поддержкой HDMI. Современные ресиверы, как правило, обладают входами и выходами HDMI и поддерживают следующие функции.
Многоканальный звук и видео. HDMI-ресивер позволяет подключить одним HDMI-кабелем источник потоков аудио/видео (плеер HD-дисков или приёмник кабельного HDTV) к своему входу, а вторым HDMI-кабелем - HDTV-телевизор к своему выходу. В результате ресивер будет передавать цифровой сигнал видео с плеера HD-дисков/приставки кабельного HDTV на HDTV-телевизор, а многоканальный звук пропускать через усилитель и подавать на подключённую акустику. Если аудио/видео-ресивер не поддерживает HDMI, то вам придётся использовать отдельный кабель (цифровой оптический или коаксиальный) для передачи звука с плеера/приставки на вход ресивера. Разницы в качестве между HDMI и отдельным цифровым кабелем для передачи звука нет, но зачем терпеть в системе ещё один кабель?
В принципе, преимущества подобной конфигурации, когда вы используете плеер с выходом HDMI, не слишком велики. Но по мере добавления HDMI-компонентов преимущества становятся более весомыми. А именно.
Коммутация HDMI. Большинство HDMI-ресиверов оснащены двумя или тремя входами HDMI, что позволяет подключать к ним несколько источников HDMI-аудио/видео. А HDTV-дисплей соединяется с HDMI-ресивером всего одним кабелем. Вы можете переключать на ресивере источник видео, что намного удобнее, чем перетыкать HDMI-кабели сзади телевизора или на HD-источнике. Эта функция будет становиться всё важнее по мере появления в вашем доме техники с поддержкой HDMI.
Аналогово-цифровое преобразование видео и деинтерлейсинг. Ранние версии HDMI-ресиверов сохраняли цифровые и аналоговые сигналы в том виде, в каком они поступили, что требовало не только цифрового, но и аналогового подключения HDTV-телевизора к ресиверу. Но многие современные HDMI-ресиверы научились преобразовывать входящие аналоговые аудио/видео-сигналы (скажем, через композитный вход или S-Video) в цифровой вид, что позволило передавать на телевизор любые потоки через единственный кабель HDMI. Кроме аналогово-цифрового преобразования, многие ресиверы выполняют ещё и деинтерлейсинг видео (с 480i на 480p). Тоже весьма полезная функция, поскольку многие старые HDTV-телевизоры не поддерживают сигналы 480i через вход HDMI. Некоторые современные ресиверы могут преобразовывать сигналы 480i в форматы 720p, 1080i или 1080p, что помогает улучшить качество картинки со старых источников видео на новых HDTV-телевизорах.
Совместимость HD-DVD/Blu-Ray
Очень важной особенностью интерфейса HDMI является то, что плееры HD-DVD и Blu-ray будут передавать картинку в полном разрешении 1080p только через выход HDMI. Подобный шаг является результатом усилий индустрии по защите от пиратства. В отличие от других аудио/видео-интерфейсов, HDMI для передачи в полном разрешении требует обязательной защиты HDCP. Если вы будете использовать любой другой интерфейс, например, компонентное видео, то сигнал видео будет искусственно ухудшен до качества DVD или даже ещё хуже.
Увеличенная пропускная способность интерфейса HDMI 1.3 как нельзя кстати пригодится новым технологиям, которые используются HD-DVD/Blu-ray. Сюда можно отнести увеличенную глубину цвета, которая позволит выводить до 69 млрд. оттенков (глубина 30-36 бит). HDMI 1.2 может передавать картинку только с 16,7 млн. оттенков (глубина 24 бита). Кроме того, HDMI 1.3 поддерживает звуковые форматы следующего поколения Dolby TrueHD и DTS HD Master Audio, которые используют сжатие без потерь с количеством каналов до восьми (96 кГц, 24 бита, до 18 Мбит/с). Все ресиверы без поддержки HDMI 1.3 смогут воспроизвести фильм со "старыми" форматами звука DTS и Dolby Digital.
Все новые возможности рано или поздно улучшат наслаждение домашним кинотеатром, но есть область, в которой ситуация с HDMI пока ещё не очень понятна. Мы имеем в виду запись видео. Данные проходят через HDMI в несжатом виде, и основная функция HDCP заключается в защите несжатых данных от копирования. Поэтому записать информацию через HDMI пока не получится. Посмотрим, как эта проблема решится в будущем.
Заключение
В сфере домашних кинотеатров наступило время перемен. Уже началась война форматов видео 1080p между стандартами HD-DVD и Blu-Ray, а также и появилась путаница в умах потребителей, касающаяся нового интерфейса для цифровой передачи потоков аудио и видео HDMI. Тем более, что спецификация HDMI продолжает развиваться.
Выход новой версии HDMI 1.3 заставляет о многом подумать. И, возможно, внимательнее отнестись к закупке аудио/видео-оборудования. HDMI-ресиверы появились на рынке совсем недавно, но за несколько лет они существенно продвинулись по своим возможностям. HDMI 1.3 является важным шагом вперёд по сравнению с HDMI 1.2, поэтому, при возможности, всегда покупайте оборудование с поддержкой именно версии 1.3. Тем более, что диски HD-DVD и Blu-Ray будут использовать улучшенные возможности HDMI 1.3. Впрочем, ресиверы с поддержкой HDMI 1.3 могут не появиться на рынке до середины 2007 года. Да и кто знает, по каким ценам они будут продаваться. С другой стороны, многие любопытные функции HDMI, например, коммутация HDMI и преобразование видео, уже доступны на сегодняшних HDMI-ресиверах.
HDTV-телевизоры тоже перейдут на стандарт HDMI 1.3, причём, как ожидается, уже в моделях начала 2007 года. Новые телевизоры должны использовать такие преимущества HDMI 1.3, как улучшенную глубину цвета, а также решить многие "проблемы молодости" HDMI (проблемы с синхронизацией звука, поддержка Consumer Electronics Control и т.д.). Итог будет таков. Перед покупкой тщательно проверяйте возможности каждого компонента. Постарайтесь сравнить их с текущими требованиями, а также, возможно, и с будущими.
Наибольшее распространение интерфейс TMDS приобрел в качестве внешнего интерфейса, используемого для передачи данных от компьютера на монитор. Чтобы убедиться в этом, можно лишь вспомнить, что TMDS является основой таких внешних интерфейсов, как P&D, DFP, DVI, HDMI. Однако TMDS применялся в свое время и для передачи данных между скалером и LCD-панелью.
Достаточно часто в сервисных руководствах LCD-мониторов упоминается интерфейс Panel Link, как интерфейс, используемый для подключения LCD-панели к главной плате. Но при более детальном рассмотрении интерфейса Panel Link обнаруживается, что у него очень много общего с интерфейсом TMDS. Да это и не удивительно.
Интерфейс TMDS является интерфейсом с последовательной передачей цифровых данных. Интерфейс является синхронным, т.е. передача данных осуществляется строго по тактам, в соответствии с тактовыми сигналами, формируемыми на отдельной линии. Передача данных осуществляется по дифференциальным парам (т.е. источник тока включен между двумя проводниками – рис.9), что обеспечивает высокую помехозащищенность интерфейса, позволяя добиться высокой пропускной способности.
Рис.9 Дифференциальный способ передачи данных повышает помехозащищенность соединения
Интерфейс TMDS имеет следующие основные электрические характеристики и технические параметры:
- пропускная способность свыше 1 Гб/с;
- длина соединения до 15 метров, в зависимости от типа и мощности приемо-передатчиков;
- напряжение питания элементов интерфейса: 4В;
- размах дифференциальных сигналов: от 400 мВ до 600 мВ;
- сопротивление терминаторов: 50 Ом.
На интерфейсе TMDS допускается два варианта сигналов:
- несимметричный сигнал, формируемый только на одной из двух дифференциальных линий (либо на «+», либо на «-»);
Высокому уровню несимметричного сигнала соответствует питающее напряжение AVcc, номинальное значение которого составляет 3.3В, а максимальное – 4.0В. Низкий уровень несимметричного сигнала равен AVcc-Vswing, где Vswing – это напряжение размаха сигнала и составляет от 400мВ до 600мВ.
Дифференциальный сигнал находится в диапазоне между +Vswing и –Vswing, т.е. от +600мВ до -600мВ (в максимальном варианте). Разницу между дифференциальным сигналом и несимметричным сигналом, передаваемым по дифференциальным линиям TMDS, демонстрирует рис.10.
Рис.10 Симметричный и несимметричный дифференциальные сигналы
Существует два типа TMDS-интерфейсов:
Использование двухканального TMDS обусловлено необходимостью обеспечения большой пропускной способности интерфейса в случае использования крупногабаритных LCD-панелей и режимов с высоким разрешением. Использование двух каналов TMDS целесообразно при работе в режимах, имеющих полосу пропускания видеосигналов свыше 165 Мгц.
Сначала рассмотрим одноканальный TMDS. Одноканальный (классический TMDS) состоит из четырех дифференциальных пар:
- трех дифференциальных пар, предназначенных для передачи данных;
- одной дифференциальной пары, предназначенной для передачи тактовых сигналов.
Таким образом, одноканальный TMDS состоит из восьми линий – четырех 4 пар (рис.11), по которым передаются и сигналы цвета R/G/B, и сигналы строчной и кадровой синхронизации, и другие управляющие сигналы.
Рис.11 Итерфейс TMDS
Так как данные по TMDS передаются в последовательном виде, а на выходе скалера эти же данные формируются в параллельном виде, возникает необходимость преобразования параллельного кода в последовательный с одновременным преобразованием TTL-сигналов в дифференциальные сигналы. Такое преобразование должно осуществлять передающее устройство. Устройство же, принимающие данные по TMDS, наоборот, должно осуществлять преобразование дифференциальных последовательных данных в параллельные данные TTL-уровня. Таким образом, в системе передачи данных появляются два устройства:
- передатчик – трансмиттер (Transmitter);
- приемник – ресивер (Receiver).
Трансмиттер осуществляет преобразование параллельного кода в последовательный, а ресивер, наоборот – последовательного кода в параллельный. Таким образом, со стороны главной платы монитора находится Transmitter, а на LCD-панели размещается Receiver (рис.12).
Рис.12 Полная архитектура TMDS-интерфейса
Трансмиттер представляет собой микросхему, состоящую из трех 10-разрядных сдвиговых регистров, умножителя частоты и выходных дифференциальных усилителей (рис.13).
Рис.13 Внутренняя архитектура транисмиттера TMDS
Обратное преобразование последовательного кода в параллельный осуществляется ресивером, входящим в состав LCD-панели, т.е. ресивер является зеркальным отражением трансмиттера.
Итак, на LCD-панель, необходимо передать 24-разрядный цветовой код (три по 8 бит), сигналы HSYNC и VSYNC, а также сигнал разрешения данных – сигнал DE. Итого, 27 сигналов. При этом у трансмиттера имеется 30 входных контактов. То, как распределяются упомянутые сигналы по входам трансмиттера, демонстрируется на том же рис.13, из которого видно, что каждому базовому цвету соответствует своя дифференциальная пара TMDS:
- по линиям первой пары (RX0+/-) передается синий цвет;
- по линиям второй пары (RX1+/-) передается зеленый цвет;
- по линиям третьей пары (RX2+/-) передается красный цвет.
Сигналы синхронизации подмешиваются к синему цвету, т.е. передаются по линиям первого канала. Такое четкое распределение сигналов цвета по каналам интерфейса TMDS дает возможность достаточно легко диагностировать интерфейс при загрузке на экран изображения «цветное поле» (красное, синее или зеленое), а также изображения «белое поле». Интересно отметить, что на принципиальных схемах LCD-мониторов, можно встретить, например, такое обозначение дифференциальных пар интерфейса TMDS, как REDTMDS +/-, GREENTMDS+/-, BLUETMDS+/-, что говорит само за себя.
Двухканальный TMDS, как уже говорилось выше, позволяет увеличить пропускную способность интерфейса. В двухканальный TMDS вводится еще три дифференциальных пары для передачи данных. При этом линия синхронизации остается единой, и она тактирует передачу данных уже по шести линиям данных (см. рис.15).
Рис.15 Двухканальный TMDS позволяет значительно увеличить пропускную способность интерфейса
Таким образом, получается два канала передачи данных по три дифференциальные линии в каждом. Увеличение пропускной способности осуществляется за счет того, что один канал используется для передачи данных о цвете четных точек экрана (канала Even), а второй - для передачи данных цвета нечетных точек (Odd). Т.е. за один цикл (один такт CLK) предаются данные, описывающие сразу две точки экрана, т.е. передается 48 разрядов вместо 24 при одноканальном TMDS.
Канал, образованный парами RX0+/-, RX1+/-, RX2+/-, предназначен для передачи данных о цвете нечетных точек. Второй канал, образованный парами RX3+/-, RX4+/-, RX5+/-, предназначен для передачи данных о цвете четных точек экрана.
Интерфейс TMDS, использующийся для связи LCD-панели с главной платой монитора, не подвергался какой-либо спецификации, т.е. точного описания конструктивного исполнения разъемов, количества необходимых контактов на этих разъемах, а также распределения сигналов по контактам разъема, в природе не существует. Каждый производитель LCD-панели, решивший использовать интерфейс TMDS, самостоятельно выбирает конструктив разъема. Однако попытка систематизировать интерфейс TMDS нами все-таки была предпринята. Из описаний того небольшого количества LCD-панелей, в которых используется интерфейс Panel Link, удалось выяснить, что соединительный разъем, чаще всего, является 21-контактным (разъем типа FI-WE21P-HF), и контакты в нем размещены в два ряда со сдвигом (рис.16).
Рис.16 21-контактный разем TMDS-интерфейса
Распределение сигналов интерфейса по контактам такого разъема представлено в табл.1 (обратите внимание, что сигналам HSYNC и VSYNC соответствуют отдельные контакты).
Таблица 1. Сигналы 21-контактного разъема интерфейса TMDS
HDMI — интерфейс для мультимедиа высокой чёткости, позволяющий передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудиосигналы с защитой от копирования (англ. High Bandwidth Digital Copy Protection, HDCP).
Разъём HDMI обеспечивает цифровое DVI-соединение нескольких устройств с помощью соответствующих кабелей. Основное различие между HDMI и DVI в том, что разъём HDMI меньше по размеру, а также поддерживает передачу многоканальных цифровых аудиосигналов. Является заменой аналоговых стандартов подключения, таких как SCART, VGA, YPbPr, RCA, S-Video.
Основателями HDMI являются компании Hitachi, Matsushita Electric Industrial, Philips, Silicon Image, Sony, Thomson (RCA)
Группа А:
Жила 1: TMDS Data2 +
Жила 2: TMDS Data2 + Экран
Жила 3: TMDS Data2 +
Группа B:
Жила 4: TMDS Data1 +
Жила 5: TMDS Data1 + Экран
Жила 6: TMDS Data1 +
Группа C:
Жила 7: TMDS Data0 +
Жила 8: TMDS Data0 + Экран
Жила 9: TMDS Data0 +
Группа D:
Жила 10: TMDS Clock +
Жила 11: TMDS Clock + Экран
Жила 12: TMDS Clock +
Группа E:
Жила 14: CEC
Жила 17: Utility/HEAC +
Жила 19: SCL
Жила 13: SDA
Жила 15: DDC/CEC земля / HEAC экран
Жила 16: +5V питание
Жила 18: HPD / HEAC -
19 контактов и чаще всего исполняются в трёх форм-факторах:
1. Бытует мнение, что разъемы с позолоченными контактами лучше отображает видео и аудио информацию. На самом деле золото наносят для защиты контактов от образования налета окиси (коррозии), которая сильно увеличивает сопротивление и способствует плохому сигналу. Но подобную защиту дают и другие катодные (никелирование, хромирование) покрытия металла, которые в свою очередь более стойкие к частому извлечению разъема, а золото из-за своей мягкости относительно быстро стирается. Не могу сказать со 100% уверенностью, но думаю, что на контакты HDMI разъема сейчас позолоту не наносят, а покрывают их нитридом титана. Покрытые контакты нитридом титана на вид сложно отличить от позолоченных и в своих свойствах он прочнее, а значит его использование вполне обоснованно. Так что если вы планируете использовать кабель в каких-то влажных условиях, то наверно стоит купить шнур с таким покрытием контактов, а если такой надобности нет, то можете взять и с другим покрытием, на качестве передачи сигнала это не отразиться.
2. Цифровой сигнал в целом не столь требователен к кабелю (сигнал либо проходит в абсолютно полном качестве, либо не проходит никак - без вариантов), но так называемые артефакты могут возникать из-за нарушения технологии (например, сечение проводников не соответствует действительности) или если при передаче сигнала на большое расстояние не используются усилители сигнала. В спецификации не указывают какой должна быть максимальная длина HDMI кабеля, ведь разного размера "шнурки" могут одинаково хорошо передавать сигнал в зависимости от качества исполнения и конструкции. Например, активные однонаправленные кабели HDMI длиной в 40 метров имеют встроенный репитер для усиления сигнала, а при использовании обычного шнура более 15 метров (если нет звука или плохое изображение) специалисты рекомендуют использовать усилитель-эквалайзер HDMI. Качество сигнала во многом зависит от площади сечения проводников. Например, кабель категории "Standart" длиной в 5 метров могут сделать из проводника площадью поперечного сечения 28 AWG (0.081 мм 2 ), а при усовершенствовании конструкции и использовании проводника 24 AWG (0.205 мм 2 ) длина шнура для максимально эффективной передачи сигнала может равняться 12-15 метрам. Диаметр и экранирование HDMI кабеля В общем чем длиннее кабель вы будите использовать, тем толще должен быть диаметр проводника. Как правило, диаметр обозначают в соответствии с Американским калибром проводов AWG (чем выше значение, тем тоньше проводник). Из различных источников удалось выяснить, что лучше придерживаться следующих значений: 5 м — 7 мм (28AWG) 10 м — 8 мм (26AWG) 15 м — 9 мм (24AWG) 20 м — 10 мм (22AWG) Это конечно не правило и возможно эти числа у вас вызовут сомнения, но я думаю, что в соотношении длины и калибра все-таки стоит ориентироваться на эти цифры.
3. Экранирование кабеля HDMI помогает защитить его от внешних и внутренних наводок. На рисунке выше изображен оптимальный метод экранирования. По принципу витой пары (характеристики витой пары), каждая сигнальная пара (два проводка - плюсовой и минусовой) переплетается с "землей" на всем протяжении провода. Такой подход экранирования дает возможность снизить наводки от самой сигнальной жилы. А для защиты от внешних помех и наводок используется экранирование из фольги и оплетки. Ферритовые фильтры на кабеле HDMI Не лишним будет так же если на кабеле будет присутствовать ферритовый фильтр в виде колец или цилиндра. Это дополнительный внешние фильтры используются для подавления высокочастотных внешних помех. И наконец, если все проводники имеют нормальную площадь сечения, а экранирование в целом выполнено качественно, то хороший шнур HDMI не может быть в принципе тонким. Оптимальная толщина кабеля в миллиметрах показана выше.
В статье рассмотрены особенности двух современных цифровых интерфейсов HDMI и DisplayPort, способы защиты интерфейсных микросхем от паразитных переходных процессов, методы тестирования и рекомендации по решению возникших при тестировании проблем. Обсуждаются основные правила проектирования устройств с использованием этих высокоскоростных интерфейсов.
Функция
HDMI 1.2
HDMI 1.3
Максимальная пропускная способность
Максимальная полоса частот
Максимальная глубина цвета
Максимальное число цветов
Поддержка DTS и Dolby Digital 5.1
Поддержка Dolby TrueHD и DTS-HD
Максимальная частота выборки звука (2 канала)
Максимальная частота выборки звука (3—8 каналов)
96 кГц (макс. 4 потока)
192 кГц (макс. 8 потоков)
– TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling — дифференциальная передача сигналов с минимизацией перепадов уровней). Технология высокоскоростной передачи цифровых потоков, используемая в интерфейсах HDMI и DVI. Использует три канала, передающие потоки аудио/видео и дополнительных данных с пропускной способностью до 3,4 Гбит/с на канал.
– CEC (Consumer Electronics Control — управление бытовой электроникой). Позволяет передавать команды и управляющие сигналы между участниками связи. Функции CEC встраиваются по желанию производителя. Если все участники связи будут поддерживать HDMI CEC, то можно посылать команды с пульта ДУ всей подключенной технике. К командам относятся функции включения/выключения, воспроизведения, перехода в режим ожидания, записи и др.
– SCL (Serial Data Clock). Тактовый сигнал последовательной передачи данных.
– SDA (Serial Data Access). Сигнал доступа к последовательным данным.
– DDC (Display Data Channel). Канал данных дисплея. Позволяет передавать спецификации дисплея, например название производителя, номер модели, поддерживаемые форматы и разрешения и т.д.
На рисунке 2 изображено устройство кабеля HDMI.
Для интерфейса HDMI была лицензирована встроенная схема защиты цифрового контента (High-Bandwidth Digital Content Protection — HDCP), разработанная компанией Intel и некоторыми другими фирмами для борьбы с пиратством. Технология HDCP должна присутствовать на HD-ресиверах или плеерах/видеомагнитофонах DVD/HD-DVD/Blu-ray, которые используют HDMI.
Сертификация устройств на соответствие требованиям стандарта и защита HDMI-портов от переходных процессов
Для сертификации продукта по стандарту HDMI требуется, чтобы как источник, так и приемник цифрового сигнала прошли тестирование на соответствие требованиям HDMI (HDMI Compliance Test Specification — HDMI CTS). Хотя HDMI CTS включает многие типы тестов, решающее значение имеет испытание устройства-приемника сигнала по т.н. глазковой диаграмме (eye pattern) и измерения отраженного сигнала с помощью временного рефлектометра для устройства-источника. Для соответствия требованиям глазковой диаграммы открытие глаза должно иметь минимальную величину, которая определяется глазковой маской для стандарта HDMI. В соответствии с требованиями на величину отраженного сигнала, дифференциальное сопротивление сигнальных линий HDMI для устройства-приемника должно быть на уровне 100 Ом ±15% при времени нарастания тестового сигнала не более 200 пс. Выполнение этих требований является непростой задачей, т.к. открытие глаза и дифференциальное сопротивление подвержены значительному влиянию паразитных емкостей и индуктивностей.
Кроме требований к целостности сигнала, HDMI-порты, к которым имеется внешний доступ, становятся чувствительны к различного рода переходным процессам, связанным с зарядом и разрядом. Например, они могут быть вызваны непосредственным касанием руки пользователя или «горячим» подключением заряженного кабеля. Встроенная в HDMI-чипы защита от электростатического разряда (ESD) не обеспечивает их достаточную надежность, что вызывает необходимость дополнительной внешней защиты HDMI-портов. Разработчики HDMI-систем вынуждены следовать требованиям по электростатической защите стандарта IEC61000-4-2, в то же время обеспечивая целостность сигнала и поддерживая номинальную величину дифференциального сопротивления сигнальных линий.
Для выполнения таких требований защитное устройство должно иметь как можно меньшее значение емкости, желательно менее 0,5 пФ. Это вызвано тем, что чем меньше емкость устройства защиты, тем незначительнее его влияние на сопротивление дифференциальных линий. Кроме того, устройство защиты должно обеспечивать симметричную разводку платы без разрывов, что позволяет поддерживать целостность сигнала и получить требуемую величину сопротивления сигнальных линий.
Согласно стандарту IEC 61000-4-2, электростатическая защита HDMI-чипов должна обеспечивать уровень защиты не ниже 4. Таким образом, минимальное значение напряжения электростатического разряда, которое должны выдерживать линии питания и портов ввода/вывода HDMI-разъема, должно составлять минимум ±8 кВ (контактный разряд) и ±15 кВ (воздушный разряд). Кроме уровня напряжения защиты от электростатического разряда, следует учитывать и другой важный параметр — напряжение фиксации электростатического разряда. При высокой чувствительности современных микросхем к воздействию выбросов напряжения снижение напряжения фиксации электростатического разряда уменьшает риск выхода микросхемы из строя. Поэтому важно выбирать устройство защиты, обеспечивающее наименьшее значение этого параметра.
Примером устройства защиты, которое удовлетворяет указанным требованиям, является ограничитель переходных процессов RClamp 0524P компании Semtech. Максимальная емкость RClamp0524P составляет всего 0,3 пФ, напряжение питания — 5 В. Этот 10-выводной прибор используется для защиты двух дифференциальных пар 100-Ом линий вне зависимости от количества слоев и толщины печатной платы.
Другими словами, разработчики могут проектировать 100-Ом линии на основе исходных характеристик платы, а защитное устройство RClamp0524P не вызовет каких-либо отклонений значения рассчитанного сопротивления. На рисунке 3 показан пример топологии высокоскоростных дифференциальных линий с использованием ограничителя переходных процессов RClamp0524P.
Для получения наилучших характеристик высокоскоростных HDMI-схем особое значение следует уделять тщательному проектированию печатных плат HDMI-устройств. Наиболее важные правила проектирования таких печатных плат рассмотрены ниже.
Расположение слоев печатной платы
Для создания HDMI-устройства с низким уровнем электромагнитных помех требуется печатная плата с минимальным количеством слоев равным четырем (см. рис. 6). Порядок их следования должен быть следующим (сверху-вниз): слой линий TMDS, слой земли, слой питания и слой сигналов управления.
Рис. 6. Для HDMI-приемников рекомендуется использовать печатные платы с количеством слоев 4—6Такой порядок следования слоев в печатной плате обеспечивает следующие преимущества.
– Разводка высокоскоростных линий TMDS в верхнем слое исключает необходимость использования переходных отверстий, которые вносят паразитную индуктивность, и обеспечивает непосредственную связь HDMI-разъема с входами повторителя, а выходов повторителя — с последующими цепями приемника.
– Размещение сплошного слоя земли рядом со слоем высокоскоростных сигнальных линий позволяет контролировать сопротивление линий межсоединений и обеспечивает необходимый проводящий канал для обратного тока.
– Размещение слоя питания рядом с землей позволяет создать дополнительный высокочастотный развязывающий конденсатор.
– Разводка низкоскоростных линий управления в нижнем уровне обеспечивает большую гибкость при проектировании платы, т.к. для этих сигналов обычно допускаются переходные отверстия.
Если требуются дополнительные слои питающего напряжения или сигнальных линий, добавляют еще один набор слоев питания/земли, располагая их симметрично на плате. Это обеспечивает механическую стабильность и предотвращает деформацию печатной платы. Кроме того, каждую пару слоев питания/земли можно расположить ближе друг к другу, что значительно увеличивает емкость высокочастотного развязывающего конденсатора.
Дифференциальные линии
В HDMI-устройствах используются TMDS-линии для последовательной передачи данных с высокой скоростью. Дифференциальная передача сигналов имеет значительные преимущества перед несимметричной (однополярной) передачей, в частности, существенно меньшие электромагнитные помехи, создаваемые дифференциальными линиями, по сравнению с однополярными линиями. Кроме того, внешние помехи создают на дифференциальных линиях синфазный шум на входе приемника. Приемники с дифференциальными входами чувствительны лишь к разности сигналов и не подвержены влиянию синфазных сигналов. Таким образом, приемники подавляют синфазные помехи и поддерживают целостность сигнала.
Для дифференциальной передачи сигналов на печатной плате необходимо, чтобы зазор между двумя линиями сигнальной пары оставался постоянным по всей длине проводников. В противном случае, изменение зазора может вызвать неустойчивость линий наведенного магнитного поля, что увеличивает электромагнитные помехи. Кроме того, изменение зазора между проводниками вызывает изменения дифференциального сопротивления, что приводит к вероятности отражения сигналов и нарушению их целостности.
Кроме постоянного зазора, оба проводника должны иметь одинаковую электрическую длину для того, чтобы сигналы достигли входов приемника одновременно. Если длина проводников различна, то при передаче сигналов с высокой частотой на земляном слое возникают помехи.
Ширина импульсов помехи равна фазовому сдвигу между двумя сигналами. Максимальное значение этого временного интервала, известного также как фазовый сдвиг сигналов пары, специфицировано в стандарте HDMI для приемника на уровне 0,4 tBIT (для тактовой частоты TMDS 225 МГц) (Один tBIT — это время передачи одного бита данных по шине, или время передачи бита. Это время зависит от скорости передачи и вычисляется следующим образом: tBIT = 1 бит/[скорость передачи (бит/c)]. Например, для скорости передачи 12 Мбит/с время передачи бита примерно равно 83 нс, а для скорости передачи 1,5 Мбит/c — около 667 нс.), или 178 пс. Для HDMI-передатчика этот временной интервал не может быть более 0,15 tBIT (для тактовой частоты TMDS 225 МГц), или 66 пс.
Дифференциальное сопротивление линий передачи сигналов
Дифференциальное сопротивление линий передачи сигналов определяется физическими размерами проводников, их расстоянием до соседней шины земли и толщиной диэлектрика печатной платы. Заданные геометрические размеры должны сохраняться по всей длине проводников.
Эмпирические выражения для расчета дифференциального сопротивления и геометрических размеров сигнальных TMDS-линий приведены в [2]. Для более точной оценки параметров дифференциальных линий используют программные средства расчета на базе уравнений Максвелла (т.н. анализаторы полей), которые определяют электрические и магнитные поля для произвольных линий передачи сигнала. На основе этих расчетов определяются такие параметры как характеристическое сопротивление, скорость передачи сигнала, перекрестные помехи и дифференциальное сопротивление. Некоторые 2D-анализаторы полей также рассчитывают распределение тока внутри проводников.
Неоднородности
Неоднородности — это участки сигнальной линии, где дифференциальное сопротивление проводника отклоняется от номинального значения (100 Ом ±15% для HDMI). Неоднородности вызывают отражения сигнала из-за рассогласования сопротивления, что нарушает целостность сигнала. В первую очередь, это происходит из-за изменений эффективной ширины проводников или зазора между проводниками, вызванных отклонениями геометрии или неправильной разводкой сигнальных линий.
Потенциально неоднородности могут появиться на тех участках платы, где:
– контактная площадка HDMI-разъема соединяется с сигнальной линией;
– сигнальная линия соединяется с переходным отверстием, контактной площадкой компонента или выводом микросхемы;
– сигнальные линии изгибаются под углом 90°;
– сигнальная линия разделяется, чтобы обогнуть какой-либо эле-мент.
Неоднородности можно обнаружить путем измерений дифференциального сопротивления с помощью временного рефлектометра (Временной рефлектометр (time-domain reflectometer — TDR) — это прибор, используемый для снятия характеристик и определения местоположения дефектов в металлических проводниках).
Правила разводки платы
Целью проектирования высокоскоростной печатной платы должна быть минимизация неоднородностей, где это возможно и, таким образом, устранение отражений сигнала. Приведенный ниже набор правил разводки поможет избежать появления неоднородностей и тем самым снизит электромагнитные помехи и сохранит целостность сигнала.
– Уменьшить фазовый сдвиг сигналов в дифференциальных линиях можно путем внесения необходимого числа изгибов в проводники, используя скошенные линии проводников (см. рис. 7).
– Используйте скошенные (под углом 45°) линии вместо прямых углов при изгибе проводников. Прямые углы увеличивают эффективную ширину линий, что вносит изменения в дифференциальное сопротивление линий и создает неоднородности.
– При разводке дифференциальных линий оба проводника следует располагать параллельно.
– При разводке проводника около переходного отверстия или между массивом переходных отверстий следует убедиться, что зазор между ними не прерывает линию обратного тока на нижнем земляном слое.
– Следует избегать металлических слоев и проводников под или между контактными площадками HDMI-разъема для лучшего согласования сопротивления (см. рис. 8). В противном случае это может вызвать снижение дифференциального сопротивления до 75 Ом.
– Используйте по возможности наименьший размер для переходных отверстий сигнальных линий и контактных площадок HDMI-разъема для уменьшения их влияния на дифференциальное сопротивление линий.
– Используйте сплошные слои питания и земли для контроля 100-Ом сопротивления и минимизации помех по питанию.
– Для точного контроля 100-Ом дифференциального сопротивления следует использовать наименьшее расстояние между проводниками, которое обычно определяется производителем печатной платы.
– Следует по возможности использовать минимальную электрическую длину проводников между HDMI-разъемом и устройством для уменьшения ослабления сигнала.
– Используйте качественный HDMI-разъем, сопротивление которого соответствует спецификации.
– Размещайте основной конденсатор (емкостью 10 мкФ) ближе к источнику питания (стабилизаторы напряжения) или к месту подведения питания на печатную плату.
Слои питания и земли
Слои питания и земли печатных плат высокочастотных устройств должны удовлетворять различным требованиям. В режиме постоянного тока и на низкой частоте они должны обеспечивать подачу постоянного потенциала (напряжения питания и земли) на выводы микросхем и нагрузочных резисторов.
На высокой частоте слои питания и, особенно, земли служат различным целям. Для систем передачи сигнала с контролируемым сопротивлением земляная шина должна обеспечивать емкостную связь с дифференциальными линиями соседнего сигнального слоя. Сильная емкостная связь устраняет магнитные поля и, таким образом, минимизирует электромагнитные помехи путем уменьшения излучения поперечных электромагнитных волн. Для установления достаточной емкостной связи земляной слой следует размещать рядом со слоем высокочастотных сигналов.
Для обеспечения низкоомного канала утечки обратного тока, который может наводиться на шину земли от сигнальных линий, слои питания и земли должны быть сплошными, без каких-либо пустот.
Переходные отверстия
Слои печатной платы, которые должны подключиться к переходным отверстиям, непосредственно соединяются с контактными площадками, окружающими отверстие в плате. Слои, которые не должны соединяться с переходными отверстиями, отделяются от них кольцевым зазором. Каждое переходное отверстие имеет емкость на землю, которая оценивается с помощью следующего уравнения:
где D2 — диаметр кольцевого зазора с переходным отверстием в слое земли (дюйм); D1 — диаметр контактной площадки, окружающей переходное отверстие (дюйм); T — толщина печатной платы (дюйм); ε — диэлектрическая постоянная печатной платы; C — паразитная емкость переходного отверстия (пФ).
При соединении развязывающего конденсатора со слоем земли или при соединении слоев земли индуктивность переходного отверстия начинает оказывать заметное влияние на распространение сигналов и становится более важной, чем его емкость. Величина этой индуктивности приблизительно равна:
где L — индуктивность переходного отверстия (нГн); h — длина переходного отверстия (дюйм); d — диаметр переходного отверстия (дюйм).
Т.к. это уравнение содержит логарифм, изменение диаметра переходного отверстия слабо влияет на индуктивность. Достаточно сильно на индуктивность влияет длина переходного отверстия, а также использование нескольких переходных отверстий параллельно. Следовательно, соединять развязывающий конденсатор с землей нужно двумя переходными отверстиями на каждый вывод устройства. Для соединения между земляными слоями с малой индуктивностью используют множество переходных отверстий с регулярным интервалом по всей плате.
Читайте также: