【高速PCB电路设计】4.高速电路HDMI原理图概述

前言

• 本章主要介绍高速电路HDMI原理图相关内容。

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一.HDMI介绍

• HDMI（High Definition Multimedia Interface）高清多媒体接口，传输数字信号以及音频信号。HDMI与去掉音频传输功能的UDI(Unified Display Interface)统一显示接口都继承DVI的核心技术“传输最小化差分信号”TMDS，从本质上来说仍然是DVI的扩展。
  

二.HDMI信号说明

• HDMI接口主要有Type A、Type B、Type C、Type D、Type E五种类型，最常见应用最广泛的是HDMI Type A，引脚如下图所示：
  

引脚	作用
1~9	TMDS数据传输实际上用到的引脚，分为0,1,2三组
10~12	TMDS clock传输用到的引脚，如当前Video Timing为480p@60Hz（Htotal：800，Vtotal:525），则TMDS clock = 800x525x60 = 25.2MHz。一个clock分别在三个Channel传输一个像素的R、G、B（8bit）信号
13	CEC引脚，Consumer Electronics Control 用户电气控制，可供厂家自己定制HDMI消息
14	保留引脚，可以为13CEC多提供一个引脚
15~16	I2C引脚，用于DDC（Display Data Channel，主要用于EDID与HDCP的传输）传输。在HDMI的流程中，DDC通信几乎是最先做的（前有Hotplug），因为HDMI的主从两个设备需要通过DDC来获得他们对方设备的EDID，从而得到各种信息，并且通过比较timming以确定以后送出来的timming为最合适的
17	接地引脚
18	5v的AC引脚
19	Hotplug引脚用于监测HDMI设备有没有存在，如果存在（Hotplug为high）那么可以通过DDC去读EDID

• Type A HDMI可向后兼容于现今多数显示器与显卡所使用的DVI-D或DVI-I接口（但不支持DVI-A），这表示采用DVI-D接口的信号来源可以透过转换线驱动HDMI显示屏，但转换并不支持音频发送等功能。

三.HDMI模块框图

• 1、TMDS Channel 0~2：
  三组差分信号，TMDS Clock Channel：差分信号的时钟。
  在一个时钟周期内，每个TMDS通道可以传输10bit数据。
  Source端原始数据为8位，经过转换成10位数据，前8为数据由原始信号经运算后获得，第9位指示运算的方式，第10位用来对应直流平衡(使TMDS发送的"0"、"1"数量保持一致)。
  通过这种算法，会使得数据的传输和恢复更加可靠。
  Sink端接收到10bit数据后再还原回8bit数据。
  
  Pclk Clock：像素时钟，例：1920x1080p/60hz，Pclk Clock=1920108060=124.4MHz
  带宽：1s内传输的数据量（bit），例：1920x1080p/60hz，色深8位，RGB三色就是24bit，
  1920108060*24=2.99GHz
  CTL0~3：=1000后面传输视频数据(Pixel component)
  =1011后面传输数据包(Auxiliary Data）

• 2、**DDC：**一种I2C总线。主要用于读取EDID、HDCP数据。
  EDID:通常是256字节，在Sink设备的EEPROM中存放EDID信息，Source在收到HPD后会通过DDC通道读取EDID得到显示设备的属性。

• 3、CEC:一种单总线。
  CEC是一种单总线双向串行总线，引脚为pin13。
  CEC的作用就是实现TV和各种设备间的通信。
  例如，TV与视频盒子相连，用电视的遥控器进行控制，那么就可以通过HDMI的CEC将这控制信号传送到视频盒子，反之，亦可用视频盒子的遥控器去控制电视。
  有时，TV连接着多个CEC设备，为了区分开来，就需要物理地址和逻辑地址。
  物理地址：通过EDID分配，具有唯一性。
  逻辑地址：指定设备属于什么类型。
  链接: HDMI音视频传输协议

• 4、Utility:自定义的总线，目前没有使用过。

• 5、HPD：热拔插。
  pin19引脚是HPD，作用是检测HDMI两端是否连接，工作过程：
  ①、当HDMI接口连接起来，sink将HPD由低电平拉高。
  
  ②、source检测到HPD被拉高，于是命令DDC开始干活，DDC读取sink的EDID数据，认为咱俩合适，就叫TMDS开始发送视频数据。
  ③、如果sink想强制刷新一波EDID数据，可以再把HPD拉低->拉高
  ④、当HDMI接口断开时，sink无法将HPD信息传达过去，source的HPD自然是一直为低。
  ⑤值得一提的是，由于source的pin18可以向sink提供+5V电源，所以即使sink不开机，sink也可以利用这+5V电源将HPD拉高，进而使source的DDC和TMDS工作。可惜的是，由于HDCP没有工作起来，所以此时TMDS并不能真正的通信起来。

• 6、除此之外还连接着+5V电源线。

补充：

• CEC：Consumer Electronics Control 用户电气控制,CEC可以控制从设备的一些状态，比如开机，可供厂家自己定制HDMI消息，比如DVD与TV，DVD通过HDMI线连接到TV，用TV的遥控器可以控制DVD，令DVD执行某种功能，那么该功能的命令信号就是通过TV与DVD间的CEC引脚传输的。
• DDC：用来获取被接设备的信息EDID（扩展显示标识数据 ）DDC是IIC接口，可以结合HDMI的19管脚（热拔插信号）来读取被接设备的一些有用信息，比如分辨率。FPGA检测到显示器后可以通过DDC读取显示器的分辨率，从而达到智能识别分辨率，FPGA设备可以根据分辨率调整输出（比如我们把笔记本的HDMI接到1080p的显示器和720p的显示器笔记本的输出会自己做调整适应不同的显示器）
• HPD：Hot Plug Detect 热拔插检测，用于HDMI设备是否连接
  HDMI(Receiver)接收端(通常为显示器)，通常是HDMI接收端配置EDID，HDMI(Transmitter)发送端获取EDID信息，配置适合的分辨率，通过TMDS差分信号传输视频数据。

下面是SiI9136 HDMI Transmitter模块框图：

四.HDMI电路图

FPGA端：此段至转换型号为并行信号，注意等长。

转换芯片：


DDC：

连接器端：此段到转换芯片为高速差分信号，注意阻抗、差分、延时、尽可能短等。

结束语

• 以上就是高速电路HDMI原理图概述的内容。
• 推荐牛客网刷题(点击可以跳转)的硬件刷题板块。
  

参考资料：
链接: HDMI音视频传输协议

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