数字家庭影院时代的选择——高速数字接口技术DVI/HDMI

　　随着卫星、地面数字电视广播、家庭DVD的普及以及高清晰度薄型大画面液晶电视机以及等离子电视进入市场，真正意义上可以享受数字家庭影院的音响以及高清晰度、高质量图像视频的时代开始到来。本文阐述了面向被公认为是数字家庭影院的高速数字接口技术的行业标准规格数字视频接口(DVI)以及高清晰度多媒体接口(HDMI)的构成和技术动向。


　　迄今为止，用于电脑主机和显示器之间的信号接口方式仍以传统的模拟方式为主流。液晶显示器通过视频接口接收由视频电缆传来的模拟信号，然后转换成数字信号。因此，信号转换的损耗很大，传输距离也只停留在2-3米。此外，因为需要由数字信号变换为模拟信号，所以花费了更多的成本。DVI是由Intel公司等7家公司组成的DDWG(Digital Display Working Group)所提议的数字显示器用标准接口。DVI使用的是小振幅差动传输技术，通过将图像信号保持为数字信号的状态传送到显示器一侧，就可以得到极高的图像质量，传输距离也可以延伸到10-20米。

图1：采用HDMI技术的家庭影院。 


但是，DVI由于其接头的体积偏大并且不兼容音频信号，故现在主要只被用于电脑和显示器之间的图像数据传送。


　　HDMI是以DVI为基础，可以传输数字音频信号，并增加了对高带宽数字内容保护(HDCP)的支持，被认定为下一代家庭影院的标准数字接口。与DVI相比，HDMI接头更加小型化，并且只需要用一根电缆，就可以在原来的视频信号中加入音频及设备间的控制信号进行传送。另外，还可以支持传统的电视机亮度色差信号(YPbPr)制式，这样可以完全利用以往的视频色彩处理技术。该接口也按标准加载了数字内容保护技术HDCP，可防止数字信号、图像数据的非法复制。


图2：各种形式图像所需的数据传输速
度及各种数字接口的数据传输能力。
 
图1显示了采用HDMI的数字家庭影院组成。DVD播放机及机顶盒等数字图像、声音输出设备与数字液晶电视、等离子电视等大画面高清晰度显示设备之间通过HDMI连接，可构建具有高清晰度电视图像和多声道DVD音频的下一代家庭影院。
　　伴随着电脑及数字家电的普及，i.Link(IEEE1394)及USB等数字接口针对高速数字数据传输应运而生，现在已被广泛应用于数字设备之间的连接。但是，为了保持以无压缩的状态传输高清晰度、高图像质量的视频数据，i.Link及USB的传输带宽(能力)仍不够。图2比较了各种形式图像的数据传输所需要的速度以及各种数字接口的数据传输能力。DVI/HDMI在数据传输能力方面具有极大优势，是适合于高图像质量和高音质声音信号传输的标准接口。

数字接口的优点

图3：DVI/HDMI发送、接收系统的基本结构
 
　　另外，DVI/HDMI在内容保护、防电磁干扰、适应半导体工艺微细化进程等方面同样显示了它的优越性能。表1列出了DVI/HDMI的主要优点。

DVI/HDMI发送、接收接口结构

　　DVI采用了美国Silicon Image公司开发的化传输差分信令(TMDS)编码方式。TMDS具备了包括RGB/ YPbPr色彩数据和给时钟频道在内的共计４个通道(称为１个连接)的系列传输回路。各通道采用50欧姆端接阻抗、0.15V电压差的低振幅差分方式。每个通道拥有1.65Gbps的传输速度，确保了１个连接拥有5Gbps左右的传输速度。显示数据信道(DDC)是用于读取表示接收侧清晰度等显示能力的扩展显示标识数据(EDID)的信号线。搭载HDCP的发送接收设备之间也利用DDC线进行密码键的。这是一个使用了硬件ID的加密系统，发送侧和接收侧以一定间隔相互确认(称为)进行传输。HDMI搭载了不成立或者是中途不成立时图像和音频信号传输立即被中断的强大内容保护技术。 

  　　所示的是HDMI发送接收系统。发送器首先分别将图像、声音信号变换并合成为可以在接收器侧接收的信号形式。然后，进行HDCP加密处理以及T.M.D.S.编码，将并行图像像素数据以及声音数据进行串行化处理。，以小振幅差分信号形式进行传输。在接收侧进行的处理与发送侧顺序相反。

动态高速采样技术

　　ROHM拥有专有的动态高速采样(Dynamic Over Sampling)技术，并使用先进的数字信号处理技术、编解码技术、数字纠错技术、高速色彩空间变换技术，在DVI发送接收的芯片开发的研究开发中已取得显著成果。

　　所示的是面向大型电视、电脑显示器的DVI接收芯片BU6854EKV架构，它搭载了上述ROHM的技术。首先由发送器发送出来的串行差分信号通过动态高速采样回路，被高速采样。因为信号按原来的振幅被采样，所以电路功耗可以大幅降低。其次是在数据再生和同步回路中，从被高速采样的信号中选出正确的数据组进行同步处理，使其成为像素数据。接着，被加密的像素数据在HDCP解码回路中被解码(因为TMDS解码之后的数据是被HDCP加密的)。，包含同步信号在内的图像数据在规定的时间内由芯片输出接口输出。

　　BU6854EKV是符合行业标准规格DVI1.0和HDCP1.0的接收芯片。这一芯片采用0.25um CMOS工艺，其特点如下：
1．除了电脑的VGA～SXGA解析度外，还可以广泛适应用于数字电视的480i、480p、720p、1080i等动画制式；
2．内置数字内容保护HDCP部分，同时也内置了兼具使用方便和安全的ROHM专有密码保护回路；
3．内置与ITU-R BT.601及ITU-R BT.709兼容的色彩空间变换回路、可以将8位RGB像素信号变换为10位YPbPr色差信号进行输出；
4．通过各种用途相对应的外部EEPROM芯片实现对本芯片操作模式的控制，因此，不需要更改芯片的引脚；
5．内置去时钟抖动的PLL，即使使用20米的电缆也可以保证稳定的接收；
6．通过内部部分的化设计，实现了低功耗、高速度；
7．内置可以与VESA的DDC线直接连接的5V输入输出单元，不需要任何的外部变压元器件。
8．因为内置具有良好线性度的无源终端电阻，所以不需要任何外部电阻。

表1：各种数字接口标准的比较。 
 
　所示为HDMI发送、接收信号系统的开发板。该系统是为了HDMI发送、接收信号的开发及系统设计而制作，可对应1080i、720p等多种图像信号形式以及可达8个192KHz数字声道。

未来展望

　　事实上，DVI/HDMI正如在压缩信号网络中所用的i.Link(IEEE1394)那样，将成为图像和声音数字视频传输的高速串行接口标准规格。距离普及化还有众多课题有待家电厂商和半导体厂商来研究和解决。主要的课题包括：
1．使用费及开发方面的成本和市场期望价格的差距；
2．与图像处理等高性能/多功能要求和低功耗的差距；
3．伴随着半导体工艺微细化的发展而带来的模拟电路物理层性能的劣化；
4．因电缆长度而带来的连接性能劣化的对策；
5．与电脑产品的融合所带来对系统安全的损害。