HDMI基本原理

如同最顶级的发动机是F1赛车驰骋赛场的保障一样,HDMI标准之所以拥有强大的数据传输能力,和它的传输原理是分不开的,下面我们就看看HDMI标准的传输原理是什么。
    HDMI标准继续沿用了和DVI相同的,由Silicon Image公司发明的TMDS(Time Minimized Differential Signal)最小化传输差分信号传输技术。TMDS是一种微分信号机制,采用的是差分传动方式。这不仅是DVI技术的基础,也是HDMI技术的基础原理。
 
    TMDS差分传动技术是一种利用2个引脚间电压差来传送信号的技术。传输数据的数值(“0”或者“1”)由两脚间电压正负极性和大小决定。

每一个标准的HDMI连接,都包含了3个用于传输数据的TMDS传输通道,还有1个独立的TMDS时钟通道,以保证传输时所需的统一时序。在一个时钟周期内,每个TMDS通道都能传送10bit的数据流。而这10bit数据,可以由若干种不同的编码格式构成。

TMDS对每个像素点中的RGB三原色分别按8bit编码

TMDS数据发送时序结构
    一般来说,HDMI传输的编码格式中要包含视频数据(HDMI1.3版本前每个像素采用24bit)、控制数据和数据包(数据包中包含音频数据和附加信息数据,例如纠错码等)。TMDS每个通道在传输时要包含一个2bit的控制数据、8bit的视频数据或者4bit的数据包即可。在HDMI信息传输过程中,可以分为三个阶段:视频数据传输周期、控制传输周期和数据岛传输周期,分别对应上述的三种数据类型。

HDMI带宽和TMDS的关系
    而在HDMI标准中所规定的带宽,在1.0版本就设定为最高4.96Gbps。那么这一数值是怎么的来的呢?和TMDS又有什么关系呢?我们看下面的公式:

这是一个适用于所有串口传输接口带宽计算的公式。在所有的数字电路中,都有一个负责提供基本频率的元器件——晶振,它就像是一个精确的闹钟一样,电路中所有的元器件都按照它的节奏统一行动。比方说,某一运算电路的晶振频率是100Hz,就是说这一电路在一秒钟内可以进行100次运算过程。由此可见,晶振的工作频率越高,每秒所能处理的运算次数就会越多,数据的处理能力也就会越强大。而HDMI标准中,这个原理同样适用。

HDMI编码图例:3个TMDS分别传输像素点的RGB数据
    HDMI电路中的时钟频率,在最初制定时范围从25MHz-165MHz之间,也就是说一个TMDS通道每秒最多能传输165MHz×10bit=1.65Gbit的数据,3个TMDS通道一秒就可以传输1.65×3=4.95Gbit的数据,再加上控制数据,用标准方法表示就是4.96Gbps的带宽。而如果用像素点来表示,那就是一秒可以传输显示1.65G个像素点(一个完整的像素点信息由R/G/B三原色信息构成)所需要的数据量。
   
    在数字音频方面,HDMI灵活的支持符合IEC60985 L-PCM标准的32kHz、44.1kHz和48kHz、16bit量化的立体声数字音频信号和IEC 61937标准的采样率为192KHz,24bit量化的单路无压缩PCM数字音频信号,或者8路96kHz的声音数据流。此外,在家庭影院中常用的DolbyDigital5.1和DTS数字音频格式也能通过HDMI直接传输。

<think>嗯,用户想了解HDMI接口原理图的设计方法或规范。首先,我需要回顾一下HDMI的基本知识。HDMI是高清晰度多媒体接口,用于传输高清视频和音频。设计原理图时,必须考虑信号完整性、电源管理、兼容性等因素。 根据引用中的信息,像sil9022、sil9034、IT6604、IT6801这些芯片都是常用的HDMI处理芯片,它们通过I2C协议与系统通信。设计时需要注意I2C总线的正确连接,包括SCL和SDA线的上拉电阻,确保通信稳定。引用3提到即便不使用音频部分,也要保证供电和接地,这可能是因为芯片需要完整的电源来正常工作,避免不稳定。 电源部分,HDMI接口通常需要5V供电,同时芯片可能还需要3.3V或1.8V的内核电压。引用3中的警告说明电源设计不当可能导致芯片无法正常工作,所以必须仔细处理电源引脚和去耦电容。 信号线路方面,TMDS差分对是关键,必须保持等长和阻抗匹配,通常差分阻抗控制在100Ω±10%。HDMI还有HPD(热插拔检测)和DDC(显示数据通道),这些线路也需要正确连接,HPD通常通过上拉电阻到5V,而DDC就是I2C总线,连接到EDID存储器。 ESD保护也不能忽视,HDMI接口容易受到静电损坏,所以TVS二极管是必要的,尤其是在热插拔的场景下。引用中提到的芯片如IT6801支持HDCP,设计时要确保相关电路符合规范,比如HDCP密钥的存储,但引用4提到IT6801FN已经预编程了HDCP密钥,这可能简化设计。 此外,PCB布局方面,差分线要走线对称,减少过孔,避免交叉干扰。参考设计很重要,比如厂商提供的参考原理图和布局指南,能帮助避免常见错误。例如,引用2和4提到的IT6604和IT6801的数据手册应该包含详细的设计规范。 用户可能还关心测试和调试部分,比如使用示波器检查信号质量,或通过I2C工具读取EDID信息。引用3提到的Linux I2C驱动框架可能对软件调试有帮助,但用户的问题主要针对硬件设计。 总结下来,设计HDMI接口原理图需要关注电源、信号完整性、ESD保护、协议兼容性,并参考具体芯片的文档。同时,注意那些容易被忽视的细节,比如音频部分供电即使不用也要连接,避免潜在问题。</think>### HDMI接口原理图设计方法与规范 #### 一、基础设计要求 1. **信号完整性要求** - **TMDS差分对**:HDMI包含3对TMDS差分信号(时钟+数据)和1对时钟信号,需严格等长(误差<5mm),阻抗控制为$100Ω±10\%$$,走线避免直角或交叉[^1][^2]。 - **HPD(热插拔检测)**:需通过上拉电阻连接至5V电源,典型阻值为$10kΩ$[^3]。 2. **电源与接地设计** - **接口供电**:HDMI接口要求5V供电(±5%误差),电流能力≥50mA[^1]。 - **芯片供电**:根据芯片规格(如IT6604、IT6801FN)设计内核电压(如3.3V/1.8V),需添加去耦电容(如$0.1μF$并联$10μF$)[^4]。 - **PS警告**:即使不使用音频功能,也必须保证音频相关供电和接地引脚连接[^3]。 3. **ESD防护** - 在HDMI接口端添加TVS二极管(如$PESD5V0$),钳位电压≤$15V$,防止静电损坏[^2]。 #### 二、关键电路模块设计 1. **I2C通信电路** - **DDC通道**:用于EDID读取和HDCP密钥交换,需连接SCL/SDA线至EEPROM,并配置$4.7kΩ$上拉电阻[^1]。 - **驱动配置**:Linux I2C驱动框架需匹配从机地址(如sil9022地址为$0x39$)。 2. **HDCP支持** - 若使用IT6801FN等芯片,其已预编程HDCP密钥,无需额外存储器件[^4]。 - 需验证HDCP握手协议(如通过I2C监控工具)。 3. **音频电路(可选)** - **I2S接口**:若启用音频功能,需连接I2S时钟/数据线至DAC,注意阻抗匹配。 - **S/PDIF输出**:支持压缩音频时,需预留同轴或光纤接口。 #### 三、PCB布局规范 1. **差分对走线** - 差分线间距≥2倍线宽,与其他信号间距≥20mil。 - 参考层需完整地平面,避免跨分割。 2. **接地策略** - HDMI屏蔽层通过$1MΩ$电阻并联$1000pF$电容接地,抑制高频噪声。 - 芯片接地引脚就近连接至电源地平面。 #### 四、验证与调试 1. **信号质量测试** - 使用示波器测量TMDS差分眼图,要求峰峰值≥$400mV$,抖动<0.2UI。 - 验证HPD信号上升时间(典型值<10ms)。 2. **协议兼容性测试** - 通过HDMI CTS(合规性测试套件)验证EDID、HDCP等功能。 - 使用MHL转HDMI适配器测试IT6801FN双模式兼容性。 #### 五、参考设计示例 以IT6801FN为例的简化原理图片段: ``` HDMI Connector IT6801FN TMDS0+ ────────────► RX0+ TMDS0- ────────────► RX0- ...(其余差分对同理) HPD ────┬───────► HPD └─10kΩ─┴─5V DDC_SCL ──────► SCL DDC_SDA ──────► SDA TVS阵列:每个信号线对地添加PESD5V0 ```
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