HDMI与DisplayPort接口的深度比较
发布时间：2010-3-29 10:41
发布者：李宽
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在过去的几年间，高速数字视频接口行业已经获得了巨大的发展动力。1999年推出的数字视频接口(DVI)为我们今天所见的高速接口奠定了基础。DVI的用处是从 PC传输视频信息至显示器。当时，LCD显示器刚刚开始在市场上普及。DVI标准从未真正取代与其性质相同的VGA接口，但至今我们仍然可以在市场上见其踪影。HDMI源于DVI，但增加了音频和强制性内容保护。该接口专为消费市场设计，一推出就获得成功，受到消费市场的热烈欢迎，并迅速成为数字互联领域的事实标准。 2006年5月，DisplayPort标准的1.0版推出，标志着行业中的一个转折点。DisplayPort与其他标准最大的不同，就是该标准无需版权费。它是一个完全公开的标准，任何人都可以随意使用，并根据自己的需求对其进行修改。DisplayPort很快击败另一个源于DVI的接口标准——UDI(统一显示接口) ，并在PC市场中受到关注。同时，它也鼓励了其他相似新标准的推出，如数字高清互动接口(DiiVA)。DiiVA与DisplayPort的基本概念相似，不过DiiVA增加了USB和以太网功能。目前，二者都在中国政府相关部门的考虑范围内，有可能会成为中国消费类数字接口标准的基础。 目前市场变幻莫测。USB3.0将数据传输速率提升至4.8Gbps，完全能够传输未经压缩的视频数据。但考虑到其传输距离短以及缺乏可扩展性，USB3.0代替HDMI或DisplayPort的可能性并不大。与此同时，英特尔正在准备推出可提供10Gbps传输速率的Light Peak高速光纤技术，能够将所有接口都统一在其标准中，未来可能达到40Gbps或更高速率。这些标准最终能否彻底取代同样也在不断增长的HDMI和 DisplayPort现在还不好说，不过今天，先让我们将目光瞄准HDMI和DisplayPort，目前业界对二者的未来发展存在各种不同猜测，它们会成为未来的行业标准吗？两个标准有必要同时存在么？在这篇文章中，我也对带领大家深入了解它们各自的性能。 链路结构 虽然HDMI和DisplayPort看起来有着同样的功能，又同样都是高速数字串行链接，但是在结构上它们却完全不同。 物理特性 HDMI和DisplayPort在相同的基础架构以及差分同轴双绞线上运行，都使用高速低电压差分信号来传输数据，但二者的相同点仅此而已。虽然从外表来看这两个标准十分相似，但结构上却有着巨大的不同。这些不同决定了链路的性能与其成本、兼容性、鲁棒性以及易执行能力。 HDMI 标准现定义了四种连接器，A至D。除了Type B外，其余都是19针。Type C与D针对便携应用和小体积设备。 两个标准所使用的线缆略有不同。HDMI1.0至1.3使用4个屏蔽同轴差分对、 4个单端控制信号，电源(+5V)以及地线。HDMI1.4增加了音频回传通道和以太网通道，所以信号的构架有所不同。HDMI1.4使用的是4个同轴对、1个非屏蔽差分对、3个单端信号、电源(+5V)以及地线。这意味着，HDMI1.4和HDMI1.3使用不同的线缆。如果在HDMI1.4系统中使用一根非HDMI1.4线缆，那么音频回传和以太网的功能将会丧失。但是，HDMI1.3的所有功能以及HDMI1.4的其他新功能(如3D)则都可以保留。 DisplayPort定义了两种接头，全尺寸(Full Size)和迷你(Mini)。两种接头都有20针，但迷你接头的宽度大约是全尺寸的一半， 它们的尺寸分别为7.5mm x 4.5mm与16mm x 4.8mm。建立完整链路需要5个 同轴对、3 个单端信号，以及电源与地线。DisplayPort本身的可扩展性允许在更少导线的情况下建立 低带宽的DisplayPort链接，但是很少有人这么做，因为这有可能给终端用户带来令人困惑的兼容性问题。 时钟 任何工作的数字链路，都少不了同步发送器和接收器的一个共同时钟，即链路时钟。HDMI和DisplayPort对该问题的解决方案完全不同。 HDMI利用一个同轴对向接收器发送同步时钟信号。时钟差分对是链路数据传输率的1/10，等于视频信号的像素时钟频率(在深色彩模式中，时钟可能是像素时钟频率的1.25/1.5或2倍)。当然，在不同的视频分辨率、刷新速率以及比特深度下，该数据也有所变化。最高时钟频率受特定的HDMI标准控制，但所有HDMI标准的最低时钟频率都是25MHz。如果像素时钟频率低于25MHz，视频将会横向复制像素，直到时钟频率达到最小值以上。HDMI1.3与1.4的最高时钟频率是340MHz，而HDMI1.0至1.2a则是165MHz。 DisplayPort 则使用8B/10B编码，这是一种通信中的常用方式，能够将链路时钟嵌入至数据流中。这样做的优势在于不需要专门占用一个同轴对，在接收端的信息同步和时钟恢复更容易，而且链路更可靠。但这样做也有缺点，这种方式使得链路时钟完全与音频、视频和其他信号源分开。这样一来，发送端和接收端都必须有专用的硬件来将被传输的音视频数据流从原本的信号传输率转换为固定链路时钟。 数据传输 HDMI将信号编码成三个串行位流，并通过三个差分对传输。这些串行位流的数据传输率是发送器与接收器之间传输时钟的10倍。串行位流使用了名为TMDS 的编码技术，其功能是减少跃变数量，同时防止有过长的0或1串出现所导致的DC wandering或信号重同步问题。音频信号是在视频行消隐时传输的，同时带有参考值以便音频时钟能在接收端恢复。这就对视频水平消隐期的大小有了严格的要求，它必须确保足够带宽来传输音频信号。 与以太网相似，DisplayPort使用一种数据包结构来传输数据。这使得 DisplayPort可以通过成为通道的串行位流来传输多种信号。1、2或4个通道可以用来传输数据，而每个通道都与嵌入的1.62Gbps、 2.7Gbps或5.4Gbps(DisplayPort1.2)的链路时钟同步。当链路接通时，发送器与接收器之间互相沟通来决定数据传输率和通道数量。这样做意味着可以解决线缆或其他通信通道中受到的可能产生链路完整性问题的干扰，但这样一来就无法保证总是以最高数据传输率来运作。通常这并不是问题，如果较高数据传输率无法工作将导致链路不稳定，那么带宽较低的链路总比不稳定的链路要强。DisplayPort这种能够沟通并决定可行性连接速度的能力，表示其可以在困难情况下始终保证正常运行，而与其相比，在同样的情况下HDMI只会停止工作。 内容保护 所有HDMI 版本都使用高带宽数字内容保护(HDCP)来加密链路数据并提供内容保护。DisplayPort1.0要求使用可选的128-bit AESDisplayPort内容保护(DPCP)，但自1.1版本之后其也开始使用HDCP。 辅助通道 / 数据控制 所有的HDMI版本都提供被称为CEC(消费电子控制)的低速控制通道，该通道用来在设备间传输命令，如播放、停止、快进等。HDMI1.4通过增加 一个差分对提升了CES的能力，将其作为音频回传通道和以太网通道。 DisplayPort使用AUX(辅助通道)作为设备之间的双向通信总线，比CEC的带宽要多得多。DisplayPort1.0和1.1的最高带宽是1Mbps。DisplayPort1.2则将其增加到 720Mbps，使其可以支持USB和以太网。AUX同样可以建立链路并进行链路培训来优化速度和链路的可靠性。 电磁干扰 EMI是任何电子系统都要考虑的重点。HDMI与DisplayPort都使用低电压信号来减少电磁干扰，但仅有这一点是不够的。HDMI还使用TDMS 信号来减少电磁干扰。因为TMDS能够减少跃变数量，所以有助于减少电磁干扰。但仍然存在一个问题，在固定时钟频率上所有跃变还是会发生，从电磁干扰图中可以很容易看到在这个频率谐波上的能量毛刺。因此，HDMI不得不大量依靠屏蔽来减少总的电磁干扰并满足EMI标准。 DisplayPort 在设计之初就考虑到了如何减少电磁干扰。该标准使用两种技巧来达到此目的。首先，利用数据扰频。它与TMDS相似，能够帮助减少跃变数量和周期；其次就是扩频时钟(SSC)，在固定范围内调节链路时钟，从而将电磁干扰分散在较大范围。这样，DisplayPort可以比HDMI更容易满足电磁干扰标准，并且可以使用更便宜的较细线缆。 互联互通 既然都源于DVI，且本质上有相同的通信架构和电气特性，所以HDMI与DVI和DVI-D可以互相兼容。这样在连接这两个标准时所需要的线缆在技术要求上就比较简单。 因为想达到互联互通，DisplayPort研发出了一种称为DP++的延伸器。为了DisplayPort 与HDMI共同合作，业内人士定义了协议和链路层兼容模式，这样只需使用一个相对较简单的电平位移器类的装置就可以在DisplayPort和HDMI的低电压之间进行调整。使用该方式可以制造出比较便宜的转换器。该方法的缺点在于：并非所有的DisplayPort设备都支持DP++，这可能会给普通的终端用户带来困扰，因为他们所购买的DisplayPort至HDMI转换器无法正常工作。 特性 HDMI的每个版本都很清晰地定义了接口能做什么，精确的数据类型和特性都得到了很详细的描述。而DisplayPort则重视提供基础链路和公开的标准，并不关注解释功能究竟需要如何来实施。HDMI1.0指出了基本的音视频传输层；HDMI1.1和1.2(a)加入了支持DVD Audio和Super Audio CD功能。HDMI1.3是第一次真正的大幅度改版，把带宽从4.92Gbps增加到了10.2Gbps。该版本还增加了新的视频色彩格式(Deep Color 和xvYCC)、自动话音同步、更先进的音频(Dolby TrueHD和DTS-HD)，以及对CEC命令列表的更新。HDMI1.4增加了音频回传通道、以太网通道、3D支持以及对4k X 2k 分辨率的支持。 DisplayPort1.2把数据传输率从10.8Gbps提升到21.6Gbps；增加了多流功能；将辅助通道速率提升至720Mbps，使其能够支持USB2.0 和以太网；并添加了对多个音频模式(Dolby MAT、DTS HD、中国DRA标准)以及3D的支持。新规范中一个明显的遗漏，就是没有明确指出如何在速度提升的辅助通道中传输USB或以太网数据。具体细节将在不久的将来添加到DisplayPort1.2 中，但这很可能会在短时期内影响DisplayPort1.2设备的推广。 设计HDMI和DisplayPort电路时的挑战 虽然HDMI和DisplayPort都是数字链路，但像其他与现实世界接触的事物一样，它们也面临着模拟问题，而电路工程师们开发一个工作系统时也必须考虑到这点。布线和连接器传输效应是削弱低电压差分信号(用来传输数据)的重要因素，PCB设计与发送和接收设备之间的信号完整性问题也至关重要。不仅如此，两个标准都有各自的独特挑战。 眼开 对于低电压差分信号链路来说，在接收数据前甚至是在时钟恢复前，必须做好差分对的正负信号分离工作，又称“眼开”。 
图 1: 眼图 不论任何系统，如仔细设计发送器与接收器的输入都可以很大地提高眼开的可能性。接收器的敏感性更为重要，因为它可以正确的感应到并解码已关闭的“眼睛”。所有这些都只需差分信号传输中的一个细微但可测量的变化。 时钟恢复 如上所述，HDMI在链路中传输视频像素时钟。该时钟频率是链路时钟的1/10，因为低速，所以可以更容易得到好的眼图。但事实上这并不重要，重要的是数据。时钟传输通道与TMDS数据通道不同，发送器与接收器需要密切关注来确保小心地管理抖动和跨通道斜率。发送端输入的像素时钟需稳定下来并增长十倍。如果这中间有太多抖动，接收端将无法锁定时钟并再现稳定链路时钟。在接收端也是相同，它需小心管理并控制抖动来确保准确的时钟恢复和高速链路时钟的再生。这就将重点放在PPL的使用和电压调节上。 
图 2: HDMI 发送器与接收器概括 DisplayPort 在发送端的时钟产生使用了PLL，但参考是一个稳定的晶振源，而且输出必须在严格范围内运作。与HDMI电路不同，DisplayPort时钟嵌入在数据流中，从而降低了对密切关注抖动和跨通道偏斜的需求。但接收端的时钟提取与重建就更为复杂些，每个差分对需要一个再生电路。总的来说，减轻传输效应的稳定时钟恢复在DisplayPort中更容易实现。 
图 3: DisplayPort发送器与接收器概括 数据恢复 一旦建立好了稳定的链路时钟，就可以开始从链路中恢复数据。由一个HDMI时钟去采集3路TDMS差分数据。因此，跨通道偏斜可以导致单个时钟源不能被每个TDMS数据通道所使用。这增加了接收端设计的困难和复杂性，为此必须规定如何决定每个通道的最佳相位关系。 HDMI的主数据流是视频数据，可以很容易地从接收器中萃取。但音频流却还嵌入在视频中，需要被重建。因此还需要一个额外的PLL和FIFO构架。音频数据接收器本身并不难，但萃取音频时钟和重建稳定低抖动的音频时钟对音频效果至关重要。 将时钟嵌入至数据流中使得DisplayPort能够有效地减少跨通道偏斜问题，因为这样时钟恢复可以口对口的对准每个数据通道。复杂的是将萃取的数据流混合成一个统一的数据流并拥有单个稳定时钟。可以借助FIFO简单解决这个问题。因为所有数据流通过打包形式传输，需要FIFOS重新组建成连续的数据流。与HDMI接收器相比，这样做需要更多的硅架构，但是由于电路属于数字领域，可以很容易地使用硅工艺技术进行压缩。 系统设计 如今，可以很容易地从重多供应商那里购买到 HDMI与DisplayPort解决方案。硅谷数模半导体（Analogix）是少有的几家企业可以同时提供两种标准的全套解决方案和连接这两种标准的转换解决方案。这些解决方案的目的都是为了能使客户更好地，更容易地实施HDMI或DisplayPort，并且保证最高水平的兼容性与互联互通。系统设计师在选择发送器或接收器时需要了解它与同一供应商或其他供应商提供的接收或发送器一起的运作情况如何。 Analogix一直通过一流的模拟电路设计努力追求最高的互联互通性，并与其他供应商密切合作，积极参与业内Plug Test活动。这使得Analogix拥有业界领先的解决方案，并已以为众多客户证明了更强的工作性能。于此同时Analogix还拥有经验丰富的系统设计师作为后盾，负责优化PCB版面设计和系统设计。 互联互通是非常重要的，但Analogix在其他领域里也有创新。 HDMI的天性是高功耗，所以很难结合到低功耗的设备中，如，手机或便携设备。Analogix创造了CoolHD?，业界唯一一款零功耗HDMI发送器，来解决这一大问题。CoolHD?可以在不牺牲电池寿命的情况下让便携设备在大屏幕上播放高清内容。发送器不从便携设备摄取任何功耗。并且，因 Analogix的接收器有着非常高的接收敏感度，可以运作低电压摆动的DisplayPort链接，并无需预加重和去加重电路。 Analogix 同时还提供业内仅有的一款真正单芯片DisplayPort至VGA转换解决方案。此款芯片在大大降低了BOM成本的同时还减小了芯片体积。 总结 看起来HDMI和DisplayPort是具有相同功能的，而他们又都有自己的定位。HDMI是个受HDMI组织和版权严格控制的标准。它不能成为专有的应用，而且所有的数据结构和可用的模块都是被定义好的。对于HDMI， 它建立了一套指定的测试设备和应用步骤。每年有近10亿台设备的增长量，其标准严格地按照客户及业界的需求制定，它也被好莱坞、欧洲、日本、韩国和北美采用，作为已经存在的互连互通标准。 从技术角度来说，DisplayPort是更好的，且对于更长和更细的线缆具有良好的鲁棒性。它可以很容易地、自由地降低制程。就计算机市场来说，它的开放性模式和可扩展性特点，对于更高带宽、多数据流和其他数据流是不二的首选。DisplayPort预计将代替VGA接口，而且将渐渐取代DVI和HDMI。从改变中国互连互通标准的角度来讲，它开放的结构限制了其进入其他国家的市场。然而，对于需要高速数字互连互通的大范围嵌入式应用，DisplayPort开放的结构给了它很大的灵活性。 目前，两个标准将彼此互补共存。在终端市场，HDMI将占有优势；而在IT和嵌入式应用方面，DisplayPort将拥有绝对先机。 作者: 硅谷数模公司营销副总裁Graham Loveridge |
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