基于手机USB高清视频传输接口技术的设计

时间：2019-10-26

为了应对手机传输高清摄像的挑战，需要在USB标准中定义一个USB音视频类来规范USB视频传输（Video-over-USB）技术。
手机的摄像功能已经从一种新鲜事物发展为主流配置，移动供应商策略性地把高清录像作为他们的高端产品。在手机中整合高清视频将会进一步体现其实用价值，因为它已不仅是一个数码相机，还是一个数码摄像机。
把高清录像放到手机会带来新的问题：如何使高清视频回放。在手机上直接回放视频是很普遍的，但屏幕的尺寸和分辨率的限制使高清视频无法向用户传递其动人的高清体验。和共享移动文档和照片类似，开发人员所面临的挑战是如何分享高清视频而不令其仅限于手机内部。
在手机上采用高清视频输出接口
当前的手机视频输出接口的发展跟不上手机高清视频的传输需求。USB数据传输速度足以传输照片，但连接到高清电视、显示器和其他显示设备的高清视频则需要实时的流传输。与此同时，当前的高清视频手机不是配备标清的模拟视频输出就是采用高清电视所用的高清视频标准，这些都没有专门针对移动手机进行过优化（见表1）。

  表1：各手机厂商的高清视频整合。
传统高清视频标准
  HDMI是当今高清视频的标准之一，到2009年第二季度，超过850家公司取得了HDMI授权。
In-Stat曾预测，在2010年，市面上支持HDMI的设备超过十亿。这些设备包括HDTV、投影机以及诸如媒体播放器和手机等手持设备。HDMI（图1下）采用3个TMDS（化传输差分信号）数据通道和一个单独的时钟通道来传输未压缩的视听信号，快可达10.2 Gbps （3.4 Gbps每通道）。在这样的带宽下，HDMI支持超过1080p数据流从而兴起了数字三维体验。
  基于手机USB高清视频传输接口技术的设计
图1：HDMI结构框图。
  与此同时，另一种高清标准DisplayPort正在迅速渗透市场，它得到诸如惠普、戴尔、苹果等厂商的强大支持。在DisplayPort中，音频、视频和嵌入式时钟信号能在micro-packet微包架构下通过可扩展的1、2或4路通道进行传输。
如图2所示，原始数据流被很好地打包并通过像素的控制和寻址经由数据通道传输。DisplayPort1.2a支持17.28 Gbps的带宽。

图2：DisplayPort结构框图。
在手机中使用传统高清视频标准的问题
HDMI和DisplayPort都是为桌面设备设计的，它们固有的缺点限制了他们在手机和其他便携式电子产品中的使用。这两种标准都需要比较多的引脚――HDMI有19个引脚，DisplayPort有20个引脚，这致使连接器件尺寸比较大。在一些以小尺寸为优势的便携式电子市场中，接插件的大尺寸   将会影响整个设计的体积和形状。
  更多的引脚数同时也意味着需要更高的成本，从而提高了成品的物料清单（BOM）。今天，传统视频标准在手机中的应用率还很低。手机生产商需要重新考虑他们现有的设计，以适应这些额外的接插件。
  传统高清视频标准的另一个缺点就是，它们无法通过同一缆线供电。这对于桌面设备来说并不是一个明显的缺点，因为诸如蓝光播放器、机顶盒、PlayStation 3等桌面设备都是独立供电的。
另外，手机在传输视频流到外部显示设备时也会不断消耗功率。如果手机此时没有通过独立的充电器充电或USB连接，移动视频的回放时间就会收到限制。因此，如果使用传统的高清视频标准，就不可避免的需要在播放长度、便携性和电池寿命之间权衡。
  小型化HDMI
不要小看缩小传统高清视频标准连接器尺寸的作用。HDMI的连接器经历了一系列缩小，它原本是A型连接器，而在HDMI 1.3规格中专为便携式设   备定义了一个小型连接器（B型）。从 A 型的13.9mm x 4.45mm缩小到10.42mm x 2.42mm。
近，HDMI 1.4规范定义了一种新的HDMI微连接器（D型）。HDMI微连接器保留了标准的19脚的A型和C型，但缩小连接器尺寸到2.8mm x 6.4mm，类似于micro-USB连接器（2.94mm x 7.8mm）。在HTC EVO 4G手机中，HDMI微连接器就放置在micro-USB连接器旁边。
  基于USB的高清视频
可以通过常见的USB接口来传输HDMI或DisplayPort视听信号。USB 1.1/2.0已广泛使用在手机中，今年USB手机已经售出了128万台。此外，USB 3.0技术增加了带宽，可以达到大容量高清视频传输。
相比传统高清摄视频标准，USB接口带来了非常适合手机的两个主要优点。USB只需要很少的引脚数目，通过一个TMDS（化传输差分信号）   物理通道即可传输视听信号。引脚数目少使连接器尺寸更小，这对于手机设备来说是很理想的。
此外，引脚数目少可以保证连接器BOM少。更重要的是，USB已经是绝大部分手机中的标准配件，是的数据传输接口和充电口。因此，Video-over-USB概念可以很容易的被厂家采用，而不会显著的提高制造成本。
  其次，USB能够在一根线缆传输大容量的内容，同时还能供电。例如，当视频数据包通过USB接口从网络摄像头流到PC时，电流可以从计算机输送到摄像头来供电。
  应用同样的概念，手机能通过USB接口将整部电影电视传到电视，同时通过电视来供电。回放结束后，手机也充好了电，就可以用作打电话和发邮件等其他用途。类似的观念已经在iPod音乐扩展坞（docking）系统中采用了，使用苹果专有的30脚接头，iPod可以通过外部的扩展坞系统扬声器边播放音乐边充电。
USB音视频类的推动
  几个产业玩家正在开发定制的USB图形实现方式，从而满足这个即将爆发的市场。然而，这些技术的多样性以及独特定制芯片和驱动的需求，使Video-over-USB概念逐渐向主流应用靠近。
  为了快速走向成功，需要在USB规范中定义USB音视频类以使Video-over-USB技术标准化。通过USB为视听信号传输预先定义一个类，可以激励半导体厂商为此构造SoC，而不需要再定制驱动芯片。
和USB大容量存储类（MSC）及人机接口设备类（HID）一样，下当你把手机插到电视上时，只需要简单按一下“播放”，高清视频流就可以开始了。

图3：在传统标准和USB上传输高清视频的比较。

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