Конспект
Теория. Электрические цепи. Создание платы.

Схемы устройств
Принципиальные схемы.

Радиодетали
Резисторы. Конденсаторы. Микросхемы. Разъемы.

Инструменты
Материалы и инструменты, необходимые для работы.


HDMI разъем

История создания цифрового сигнала и HDMI разъема

История передачи сигнала в цифровом формате берет начало с 1928 года благодаря работам американского инженера-телефониста родом из Швеции Гарри Найквиста, который выделил полосу пропускания импульсного сигнала через провода. За счет высокого КПД и большой дальности передачи технология преобразования аналоговых сигналов в импульсный код каждый год с развитием технологических возможностей постоянно усовершенствовалась. Первая цифровая аудиозапись на ленте с кодированием и декодированием в звук была представлена компанией SONY в 1969 году на 2-х дюймовой ленте для видеомагнитофона, однако, появление аудиосигнала в современном понимании формата mp3 появилось лишь только в 1994 году. Формирование и запись цифрового видеосигнала было осуществлено за счет наработок в компаниях Panasonic и SONY на DV и MiniDV видеокассетах в середине 90-х годов. Активное развитие кодирования видеосигнала в цифровые данные с улучшением качества и скорости обработки изображения привело в 1999 году к принятию единого мирового стандарта для телевидения высокой четкости. Аналоговый видеосигнал раскладывался на 1125 строк, каждая строка преобразовывается в цифровой сигнал и выводится на экран. Так возник сигнал 1080i. Одновременно утверждается новый формат разъема для передачи цифровых данных DVI, который должен был заменить устаревший VGA.

Когда в начале 2002 года появились первые мультимедиа устройства с передачей цифрового видео и звука, появилась потребность в едином интерфейсе, способном одним кабелем передавать мультимедиа сигнал. Для его проектирования, ведущие японские компании Philips, Hitachi, Sony, Thomson, Panasonic и Silicon Image выделили ведущих инженеров. Так в декабре 2002 года появился первый цифровой интерфейс, способный передавать одновременно и видеоданные, и цифровой многоканальный звук. За счет своей универсальности его назвали аббревиатурой от High Definition Multimedia Interface (Мультимедиа Интерфейс Высокого Разрешения), то есть HDMI.

HDMI интерфейс в версии 1.0 имел возможность передавать сигнал со скоростью 4,9 Гбит/с, цифровое видео с разрешением 1080р и частотой прогрессивной развертки 60Гц, а так же 8-и канального звука 192 кГц/24 бит. Для сравнения, скорость передачи интерфейса подключения жестких дисков SATA II составляет 3 Гбит/с, а SATA III до 6 Гбит/с. HDMI пришел на смену разъему SCART и аналоговому интерфейсу RCA (тюльпаны). В период с конца 2002 года по сентябрь 2013 года постепенное совершенствование протокола передачи данных оптимизировало разъем до версии 2.0 без изменения физических размеров, за исключением применения mini-HDMI и micro-HDMI. К основным изменениям стоит отнести:
- поддержка защиты звуковых данных для формата DVD-Audio для мультимедиа плееров,
- с версии 1.3 (июнь 2006 г.) увеличена пропускная способность интерфейса до 10.2 Гбит/с., а так же добавлена поддержка аудио форматов Dolby TrueHD и DTS-HD Master Audio, был спроектирован разъём mini-HDMI (Type C),
- в версии 1.4 (май 2009 г.) появилась поддержка Ethernet-сети на скорости 100 Мбит/с., поддержка 3D, спроектирован разъем micro-HDMI (Type D),
- версия 1.4 а,b (март 2010 – октябрь 2011) – улучшения производились в сторону поддержки 3D, поддержка видео формата 1080р на частоте развертки 120Гц.

4 сентября 2013 года был анонсирован HDMI разъем версии 2.0. Его особенностью стала увеличенная скорость передачи данных до 18 Гбит/с, что позволит производить полноценную передачу Full HD 3D видеоконтента с разрешением 4К (3840×2160 с частотой 60Гц). Кроме того, новый интерфейс научили передавать до 32 каналов аудио сигнала с несущей частотой 1532 кГц (натуральное звучание). Впервые на HDMI 2.0 осуществлена поддержка картинки с соотношением 21:9.

История изменений HDMI интерфейса приведена в таблице ниже:

<
Версия HDMI 1.0 1.1 1.2
1.2a
1.3
1.3a
1.3b
1.3b1
1.3c
1.4
1.4a
1.4b
2.0
Передача аналогового sRGB + + + + + +
Поддержка YCbCr 4:2:2/4:4:4 + + + + + +
Звук 8 каналов LPCM, 192 kHz, с битрейт 24 - bit + + + + + +
Поддержка Blu-ray Disc и HD DVD формата в Full HD разрешении + + + + + +
Двунаправленная шина управления устройством CEC + + + + + +
Поддержка DVD-Audio - + + + + +
Поддержка Super Audio CD (DSD) - - ++++
Передача полутонов цветности с разрядностью 30/36/48-бит --- +++
Система улучшения оттенков xvYCC ---+++
Система синхронизации аудио сигналов (Auto lip-sync)---+++
Поддержка аудио кодека Dolby True HD ---+++
Поддержка аудио кодека DTS-HD Master Audio ---+++
Расширение функциональности шины управления устройством CEC ---+++
Передача 3D через HDMI ----++
Поддержка сети Ethernet ----++
Двунаправленная аудио шина (ARC) ----++
4K разрешение с количеством кадров 30 fps ----++
4K разрешение с количеством кадров 60 fps -----+
Поддержка цветовой палитры стандарта Rec. 2020 -----+
Поддержка YCbCr 4:2:0 -----+
Передача 32 каналов аудио сигналов-----+
Передача аудио сигнала на частоте 1536 кГц -----+
Передача многопотокового аудио 4-м устройствам -----+
Передача видео для 2 устройств (Dual View) -----+
Поддержка пропорций 21:9 -----+

Разновидности HDMI разъемов и кабелей

Разновидность HDMI кабелей

На упаковке современных HDMI кабелей версия протокола указывается крайне редко, поскольку его спецификация рядовому пользователю ничего не скажет, зато мы сможем увидеть, держа кабель в руках, такие слова, как: STANDARD, ETHERNET, AUTOMOTIVE, HIGH SPEED и HIGH SPEED with ETHERNET. Что же означают все эти выражения? Итак:

HDMI STANDARD – кабель со спецификацией 2.0 (версии ниже промышленностью не выпускаются), используемый для подключения бытовой мультимедиа аппаратуры для передачи видео в FULL HD разрешении и высококачественных цифровых аудиосигналов. Данный кабель имеет 1-ю категорию (Category 1).

Кабель стандартного образца с функцией приема-передачи данных через интернет или внутренней LAN сети. Гнездо такого порта дополнительно маркировано буквами HEC. Технология передачи интернета к устройству посредством HDMI кабеля широкого применения пока не находит, поскольку экономической выгоды нет. Гораздо проще снабдить тот же телевизор обыкновенным гнездом RG45 и подключить всемирную сеть через витую пару и сетевую карту, либо через Wi-Fi.

AUTOMOTIVE переводится, как «самоходный». Данный кабель предназначен для использования в современных автомобильных видеосистемах. Его отличительная черта – улучшенное экранирования от помех бортовой электроники и двойная изоляция для экстремальных условий работы (гибкость, перепад температур и влажности). Как правило, это один из самых дорогих HDMI кабелей.

Обыкновенный HDMI кабель стандарта 2.0 с дополнительным экраном и увеличенным сечением проводников для устойчивой передачи данных. По сути HIGH SPEED (повышенная скорость) – это обыкновенный маркетинговый ход для увеличения стоимости кабеля и аргументации качественных материалов. Так же существует модификация данного кабеля с передачей ETHERNET сигналов. Кабель идет с категорией 2 (Category 2).

По своему физическому исполнению HDMI кабель выпускают длиной от 30 см. до 20 метров. При использовании специализированных HDMI усилителей с независимым питанием (HDMI-репитеров) расстояние можно увеличить до 35 – 40 метров.

При покупке кабеля длиной более 7 метров особое внимание необходимо уделять его толщине. Чем толще сечение проводников (а, соответственно, и кабеля в целом) и плотнее экранная оплетка, тем меньше потерь и стабильнее картинка (не рассыпается) при передаче сигнала. Особенно этот эффект может проявляться при передаче видеосигнала большой плотности, например, когда идет FULL HD динамическая картинка с высоким видео битрейтом. Как правило, качество исполнения HDMI кабеля и разъема (напыление позолоты или посеребрение) на картинку и звук абсолютно не влияют, если длина кабеля составляет до 2,5 – 3 метров. Большее длины увеличивают его стоимость в разы, как и качество исполнения и примененных материалов (чистота меди, дополнительное экранирование и т.д.)

Довольно часто спрашивают о том, что это за «бочонки» возле разъемов? Это фильтрующие дросселя для защиты устройств от высоковольтных статических помех и внешних наводок. Дросселями комплектуются кабеля либо хорошего качества, либо длиной более 1,5 м. Автор этой статьи стал жертвой дешевого HDMI кабеля, подключенного между спутниковым тюнером и телевизором. При замене принимающей головки на антенне, статическое электричество через экран вывело из строя главный процессор телевизора. В результате он ремонту не подлежал. При наличии защитных дросселей подобной ситуации бы не произошло. В этой связи мы рекомендуем обращать внимание при покупке HDMI кабеля на подобное дополнение и выбирать именно такую модификацию.

Разновидность HDMI разъемов

На сегодняшний день существует 4 типа HDMI разъемов Type A, B, C, D.

HDMI type A – основа всех версий от 1.0 до 2.0. Он представляет собой 19-и контактный разъём, который совместим с переходником DVI-D, за тем исключением, что при применении переходника передача цифрового звука не представится возможной. Данный разъем применяют в очень широком спектре различной бытовой аппаратуры, где необходима передача цифровых аудио и видео сигналов: видео плеерах, звуковых ресиверах, телевизорах.

HDMI type B отличается наличием в разъеме 29 контактов. В быту он используется крайне редко, поскольку был вытеснен типом А.

HDMI type C или mini-HDMI – его основное отличие заключается уменьшенном варианте от type A. Большое применение данный разъем получил в различных портативных медиа плеерах, смартфонах, КПК, видеокамерах. Данный тип разъема был выпущен, начиная с версии 1.3 в июне 2006 года.

HDMI type D или micro-HDMI – применяется в современных фотоаппаратах, портативных web камерах, мобильных устройствах. Данный тип разъема впервые был применен в мае 2009 года. Первые разъемы данного типа были выпущены компанией Molex.

Принцип передачи данных по HDMI

Для понимания работы HDMI необходимо уяснить такие термины, как TMDS Data, CEC, SCL, SDA и DDC. TMDS Data (англ. Transition-minimized differential signaling) –технология высокоскоростной передачи данных, используемая в интерфейсах DVI и HDMI, а так же в других цифровых устройствах. TMDS представляет собой последовательную двухпроводную шину дифференциальной передачи электрического сигнала от источника (передатчика, например плеера или видеокарты) к приемнику (монитору или LCD панели). Передача импульсов осуществляется синхронно. Т.е. есть тактовый сигнал прямоугольных импульсов повышенной частоты, на основании которого передаются «пачки» импульсов, заставляющие включать через специальные драйверы светодиоды матрицы засвечиванием одного из трех цветов (R-красный, G-зеленый, B - синий), или нескольких цветов для передачи оттенков или полутонов. Если панель FullHD (1920х1080), то матрице передаются сигналы на управление специальными TFT транзисторами светодиодов, количество которых составляет 1920*3 (RGB)=5760 шт. Приемом сигналов и управлением свечения занимается микросхема-драйвер контроля работы LCD панели, иначе называемая «скалером». По линии TMDS от передатчика к приемнику передаются сигналы управления матрицей. Чем выше опорная частота генератора и больше количество линий (проводов) TMDS, тем более скоростным станет управление экраном. Чем выше цветовая «битность», тем больше управляющих импульсов проходит по шине TMDS. Для того чтобы управление драйвером не сбивалось относительно опорной частоты генератора, необходимо его контролировать сигналом синхронизации для строк (HSYNC) и кадров (VSYNC). Из рисунка видно, что импульсы поступают на операционный усилитель в дифференциальном включении, отсюда и определение названия шины. Данная топология делает линию помехозащищенной от воздействия внешних сигналов. CEC (Consumer Electronics Control) – линия передачи управляющего сигнала для контроля устройством. Теоретически с ее помощью можно объединить все домашние устройства через HDMI воедино и управлять ими с помощью универсального программируемого пульта управления. SCL (Serial Data Clock) – линия передачи тактовых сигналов, о которых упоминалось выше. SDA (Serial Data Access) – осуществляет передачу опорных данных. DDC (Display Data Channel) – линия передачи данных о названии и спецификации приемника (монитора, телевизора). По этой линии передатчик (компьютер, например) понимает, какие драйверы необходимо установить для корректного управления устройством. HDMI интерфейс параллельный, так как содержит 4 линии TMDS data (7 линий для HDMI type B), а так же TMDS Clock, по которой передаются тактовые (опорные) сигналы генератора, о которых упоминалось выше.

Распиновка HDMI разъема

Назначение контактов можно определить из таблицы ниже:

Type A(standard) Type B Type C(mini) Type D(micro) Назначение
1 1 2 3 TMDS Data2+
2 2 1 4 TMDS Data2 Shield
3 3 3 5 TMDS Data2-
4 4 5 6 TMDS Data1+
5 5 4 7 TMDS Data1 Shield
6 6 6 8 TMDS Data1-
7 7 8 9 TMDS Data0+
8 8 7 10 TMDS Data0 Shield
9 9 9 11 TMDS Data0-
10 10 11 12 TMDS Clock+
11 11 10 13 TMDS Clock Shield
12 12 12 14 TMDS Clock-
13 TMDS Data5+
14 TMDS Data5 Shield
15 TMDS Data5-
16 TMDS Data4+
17 TMDS Data4 Shield
18 TMDS Data4-
19 TMDS Data3+
20 TMDS Data3 Shield
21 TMDS Data3-
13 22 14 15 CEC
14 23 17 2 В версии HDMI 1.0 – 1.3c сигнал HEC В версии HDMI 1.4 и выше линия Ethernet
24 Резерв
15 25 15 17 SCL (I2C Serial Clock for DDC)
16 26 16 18 SDA (I2C Serial Data for DDC)
17 27 13 16 DDC/CEC/HEC Ground (Земля)
18 28 18 19 +5V Power (max 50mA)
19 29 19 1 Hot Plug Detect (All versions) HEC Data+ (HDMI 1.4+ with Ethernet)