8.3 什么是 HDMI 和双模 DisplayPort

大家好，欢迎观看 TI高精度实验室视频。 在本系列中，我们将讨论高清多媒体接口, 也称为 HDMI，以及双模式 DisplayPort， 它也称为 DP++。 HDMI 和 DP++ 是流行的视频接口，可以 同时将来自视频源的视频和数字音频传输到 HDTV 或 显示器等同步设备。 HDMI 的最新版本是 HDMI 2.1。 不过，我们将聚焦于当今最流行的版本， 即 HDMI 1.4b和 HDMI 2.0。 所采用的商标 HDMI 和 HDMI 徽标是HDMI Licensing Administrator Incorporated 在美国和其他国家/地区的 商标或注册商标。 HDMI 设备有三个主要的信号分量。 第一个是最小化传输差分信令 或 TMDS 通道，它传输视频、 音频和辅助数据。 第二个是热插拔检测信号， 它通知源同步设备已连接。 最后一个是显示数据通道，这是一个基于 I2C 的 通信通道。 源使用该通道来发现同步的 配置和功能。 CEC 是双向以太网通道，HEAC+ 是音频 返回通道。 这两个通道不在该 TI 高精度实验室 系列的范围之内，因此将不予讨论。 热插拔检测用于检测何时插入 同步以及启动同步 EDID 数据 读取。 EDID 表示扩展显示标识数据。 它包含特定于设备的信息， 例如供应商和产品 ID、序列号以及受支持的 分辨率等。 在可以读取 EDID之前，不应将 HPD 置位。 在向 HPD 引脚施加 5 伏电压 之后，源将通过EDID 读取同步 设备的功能。 在发生 HPD 事件之后，HDMI 源使用 DDC 通过读取EDID 来确定同步的 功能和特性。 然后，源能够调整其发送到 同步的参数。 这包括颜色深度和分辨率等决定 数据速率的参数。 如果没有成功的HPD 事件发生， 则源无法通过 DDC 读取 EDID 信息，不会将数据传输到 同步。 至少可以说，如果未正确实现 HPD， 则在显示器上看不到视频输出。 HDMI 使用最小化传输差分信号 协议。 它是一个直流耦合 100 欧姆差分 信号接口。 对于 HDMI 1.4b，每个TMDS 数据通道可 支持高达 3.2 千兆位/秒的数据速率，总数据速率为 10.2 千兆位/秒。 这允许以 30 帧/每秒的速率支持高达 4K 的 分辨率。 HDMI 2.0 将数据速率增加至高达每个 通道 6 千兆位/秒，总数据速率为 18 千兆位/秒。 因此，这允许以60 帧/秒的速率 支持高达 4K 的分辨率。 对于要认证为HDMI 1.4b 或 HDMI 2.0 设备的设备，它必须通过合规性测试，这些测试用于测试 TMDS 信号的完整性。 如果您希望您的设备获得 HDMI 认证， 则需要满足合规性。 由于与 HDMI 1.4b 和HDMI 2.0 的高数据速率 相伴的信号完整性问题，这些合规性测试 可能难以通过。 如果合规性测试失败， 则可能需要重新设计系统。 DP++ 或双模式DisplayPort 是与 HDMI 非常类似的接口。 DP++ 发送器可以逻辑输出 DP 或 TMDS 信号。 如果您观看了 DisplayPortTI 高精度实验室 视频，那么您已经知道DP 是交流耦合接口， 而 HDMI 是直流耦合。 要将 DP++ TX 连接到HDMI 同步，需要 使用一个适配器连接 交流耦合 DP 信号和直流耦合 HDMI 信号。 适配器的一个示例是 DP++ 至 HDMI 加密狗。 与 DP++ 源相结合的适配器本质上是一个 HDMI 源。 在标准 HDMI 连接中，每条线路和每个 TMDS 通道均通过一个与电缆的 特性阻抗相匹配的50 欧姆电阻器 端接至 3.3 伏的电压。 电流源针对数据通道在 400 毫伏和 600 毫伏之间驱动单端 Vswing 电压，针对时钟 通道在 200 毫伏和600 毫伏之间驱动 单端 Vswing 电压。 随着数据速率的增加， 由于 PCB 铜损和介电损耗， 在 TMDS 通道上传输的信号 会发生信号衰减和失真。 不过，无论这些损耗如何，信号的 振幅都必须处于单端 Vswing 电压 范围之内，以符合 HDMI 标准。 由于抖动和码间干扰的增加，根据 HDMI 2.0 标准数据速率增加至高达 18 千兆位的 TMDS通道开始发生 信号失真。 该信号失真不仅会使通过 HDMI 合规性变得困难， 而且会对显示器上的图像质量产生不利 影响。 这可能表现为显示器闪烁、丢帧 和像素化。 此外，允许的称为通道长度的 PCB 布线和HDMI 电缆长度 与数据速率成反比。 随着在更高的数据速率下信号失真增加， 通道长度会减小。 为了支持更长的通道长度和更高的数据 速率，可以使用转接驱动器或 重定时器来帮助减轻信号完整性问题。 有关信号完整性难题以及转接 驱动器和重定时器的 更多信息，请参考有关信号调节的 TI 高精度实验室系列。 选择转接驱动器或 重定时器部分特定于应用。 在视频源应用、PC、游戏系统等中， 大多数抖动是由 PCB 布线长度 插入损耗引起的。 由于信号在经过固定距离时始终 会衰减一定的量，因此建议使用 转接驱动器来校正长布线和电缆导致的 ISI 抖动。 如果额外的抖动在系统中变得很普遍， 也可以使用重定时器。 利用更多的功能，重定时器 可以解决系统中的 大多数抖动问题，但代价是功耗更高。 在视频同步应用 -- HDTV、显示器等 -- 中， 同步通常会面临由不同视频源或 不同质量和长度的 HDMI 电缆引起的不可预测信号输入。 由于良好的重定时器具有自适应均衡功能， 可以解决输入信号的不确定性问题，因此 在此处重定时器将是最佳解决方案。 重定时器将根据输入信号 调整均衡器设置。 重定时器内部的CDR 将有助于消除 ISI 和非 ISI 抖动，并确保良好的信号 质量，而与所使用的 HDMI 电缆的类型或长度无关。 如果已知系统设置是固定的， 则也可以在同步侧使用转接驱动器。 转接驱动器和重定时器的 位置是系统设计中的关键决定因素。 如果将转接驱动器或重定时器放置在 离源发送器或同步接收器太近 或太远的位置，则会对信号调节器的有效性 产生负面影响，从而导致系统性能达不到最佳状态。 转接驱动器的位置取决于 接收器均衡器之前系统的 总插入损耗。 插入损耗来自于 PCB 迹线、通道、连接器、器件封装等等。 接下来的几张幻灯片将以之前 TI 高精度实验室的 “什么是 DisplayPort”演示文稿为基础。 有关更多信息和示例，请回顾该演示文稿。 现在，让我们来看一个实例。 在观察此眼图之前， 请回顾 TI 高精度实验室的“什么 是高速眼图”演示文稿，以便对眼图 有基本的了解。 第一张图片是一个 TMDS 数据 通道的 6 千兆位/秒眼图，该图取自 符合 HDMI 2.0 合规性规格、名为 Worst Cable Emulator and ReferenceCable Emulator 的 示波器软件中的HDMI 源和电缆 仿真器。 眼睛是张开的，因此通过了 HDMI 2.0 最坏情况 眼罩要求。 眼图上的白色方框 用于测量眼图张开的宽度。 对于此视觉演示而言，这并不重要。 将迹线延长 12 英寸， 现在可以看到眼睛完全关闭，因此 未满足 HDMI 2.0最坏情况眼罩要求。 很显然，也没有 满足 400 毫伏至600 毫伏的 Vswing 要求。 根据我们的公式，我们知道 6 千兆位/秒信号插入损耗约为 0.57dB/英寸。 对于 12 英寸布线，在 3GHz 的奈奎斯特频率下这将是 6.9dB 的损耗。 如果在 12 英寸布线的输出端 添加一个转接驱动器，并将转接驱动器均衡器设置为 6.9dB， 以匹配 12 英寸布线的插入损耗， 我们就会看到眼睛再次张开， 并满足 HDMI 2.0最坏情况眼罩要求。 我们还可以看到已满足 400 毫伏至 600 毫伏的 Vswing 要求。 通过如此干净的眼图，我们应该 在输出端看到干净的无抖动视频。 具有自适应 EQ 的重定时器也将产生张开的眼图。 为了回顾我们讨论的内容，我们来做一个小测验。 第一题，判断对错，HDMI 是直流耦合接口。 对。 HDMI 是直流耦合接口，而 DP++ 是交流耦合。 第二题，判断对错，DP++ 源可以直接连接 HDMI 同步。 错。 尽管 DP++ 和HDMI 在功能上 等效，但 DP++是直流耦合接口， 其辅助和 HPD 通道具有不同的电压电平。 因此，需要使用电缆适配器将 DP++ 源连接到 HDMI 同步。 第三题，判断对错，热插拔 检测用于确定同步的功能。 错。 HPD 用于发出信号，表明同步已准备就绪，源可以 读取其 EDID。 然后，源使用DDC 通过读取 EDID 来确定同步的功能 和特性。 第四题，判断对错，最好将转接驱动器 用于同步侧，而不是源侧。 错。 最好将转接驱动器用于源侧， 因为源和转接驱动器输入通常是固定的。 在同步侧，输入的质量 通常未知。 因此，具有自适应均衡功能的重定时器 是最佳选择。 第五题，判断对错，在任何可以使用 转接驱动器的位置，可以使用重定时器。 对。 重定时器具有与转接驱动器 相同的功能，但还具有自适应均衡等附加功能。 第六题，判断对错，正确放置 HDMI 转接 驱动器或重定时器对于系统信号完整性余量的 设计而言很重要。 对。 如果将转接驱动器或重定时器放置在 离源发送器或同步接收器太近 或太远的位置，则会对信号调节器的有效性 产生负面影响，从而导致系统性能达不到最佳状态。 请务必访问我们的 E2E支持论坛，网址为 ti.com/e2e， 在此处我们可以帮助回答有关使用 HDMI 和双模式 DisplayPort 等接口技术进行设计的问题。