中心議題：
- HDMI與DisplayPort的比較
- 設(shè)計HDMI和DisplayPort電路時的挑戰(zhàn)
- HDMI與DisplayPort的系統(tǒng)設(shè)計
在過去的幾年間，高速數(shù)字視頻接口行業(yè)已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展動力。1999年推出的數(shù)字視頻接口(DVI)為我們今天所見的高速接口奠定了基礎(chǔ)。DVI的用處是從PC傳輸視頻信息至顯示器。當(dāng)時，LCD顯示器剛剛開始在市場上普及。DVI標(biāo)準(zhǔn)從未真正取代與其性質(zhì)相同的VGA接口，但至今我們?nèi)匀豢梢栽谑袌錾弦娖溘櫽?。HDMI源于DVI，但增加了音頻和強制性內(nèi)容保護。該接口專為消費市場設(shè)計，一推出就獲得成功，受到消費市場的熱烈歡迎，并迅速成為數(shù)字互聯(lián)領(lǐng)域的事實標(biāo)準(zhǔn)。
2006年5月，DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)的1.0版推出，標(biāo)志著行業(yè)中的一個轉(zhuǎn)折點。DisplayPort與其他標(biāo)準(zhǔn)最大的不同，就是該標(biāo)準(zhǔn)無需版權(quán)費。它是一個完全公開的標(biāo)準(zhǔn)，任何人都可以隨意使用，并根據(jù)自己的需求對其進行修改。DisplayPort很快擊敗另一個源于DVI的接口標(biāo)準(zhǔn)——UDI(統(tǒng)一顯示接口) ，并在PC市場中受到關(guān)注。同時，它也鼓勵了其他相似新標(biāo)準(zhǔn)的推出，如數(shù)字高清互動接口(DiiVA)。DiiVA與DisplayPort的基本概念相似，不過DiiVA增加了USB和以太網(wǎng)功能。目前，二者都在中國政府相關(guān)部門的考慮范圍內(nèi)，有可能會成為中國消費類數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。
目前市場變幻莫測。USB3.0將數(shù)據(jù)傳輸速率提升至4.8Gbps，完全能夠傳輸未經(jīng)壓縮的視頻數(shù)據(jù)。但考慮到其傳輸距離短以及缺乏可擴展性，USB3.0代替HDMI或DisplayPort的可能性并不大。與此同時，英特爾正在準(zhǔn)備推出可提供10Gbps傳輸速率的Light Peak高速光纖技術(shù)，能夠?qū)⑺薪涌诙冀y(tǒng)一在其標(biāo)準(zhǔn)中，未來可能達到40Gbps或更高速率。這些標(biāo)準(zhǔn)最終能否徹底取代同樣也在不斷增長的HDMI和DisplayPort現(xiàn)在還不好說，不過今天，先讓我們將目光瞄準(zhǔn)HDMI和DisplayPort，目前業(yè)界對二者的未來發(fā)展存在各種不同猜測，它們會成為未來的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嗎？兩個標(biāo)準(zhǔn)有必要同時存在么？在這篇文章中，我也對帶領(lǐng)大家深入了解它們各自的性能。
鏈路結(jié)構(gòu)
雖然HDMI和DisplayPort看起來有著同樣的功能，又同樣都是高速數(shù)字串行鏈接，但是在結(jié)構(gòu)上它們卻完全不同。
物理特性 HDMI和DisplayPort在相同的基礎(chǔ)架構(gòu)以及差分同軸雙絞線上運行，都使用高速低電壓差分信號來傳輸數(shù)據(jù)，但二者的相同點僅此而已。雖然從外表來看這兩個標(biāo)準(zhǔn)十分相似，但結(jié)構(gòu)上卻有著巨大的不同。這些不同決定了鏈路的性能與其成本、兼容性、魯棒性以及易執(zhí)行能力。
HDMI標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)定義了四種連接器，A至D。除了Type B外，其余都是19針。Type C與D針對便攜應(yīng)用和小體積設(shè)備。
兩個標(biāo)準(zhǔn)所使用的線纜略有不同。HDMI1.0至1.3使用4個屏蔽同軸差分對、 4個單端控制信號，電源(+5V)以及地線。HDMI1.4增加了音頻回傳通道和以太網(wǎng)通道，所以信號的構(gòu)架有所不同。HDMI1.4使用的是4個同軸對、1個非屏蔽差分對、3個單端信號、電源(+5V)以及地線。這意味著，HDMI1.4和HDMI1.3使用不同的線纜。如果在HDMI1.4系統(tǒng)中使用一根非HDMI1.4線纜，那么音頻回傳和以太網(wǎng)的功能將會喪失。但是，HDMI1.3的所有功能以及HDMI1.4的其他新功能(如3D)則都可以保留。
DisplayPort定義了兩種接頭，全尺寸(Full Size)和迷你(Mini)。兩種接頭都有20針，但迷你接頭的寬度大約是全尺寸的一半， 它們的尺寸分別為7.5mm x 4.5mm與16mm x 4.8mm。建立完整鏈路需要5個 同軸對、3 個單端信號，以及電源與地線。DisplayPort本身的可擴展性允許在更少導(dǎo)線的情況下建立 低帶寬的DisplayPort鏈接，但是很少有人這么做，因為這有可能給終端用戶帶來令人困惑的兼容性問題。
時鐘
任何工作的數(shù)字鏈路，都少不了同步發(fā)送器和接收器的一個共同時鐘，即鏈路時鐘。HDMI和DisplayPort對該問題的解決方案完全不同。
HDMI利用一個同軸對向接收器發(fā)送同步時鐘信號。時鐘差分對是鏈路數(shù)據(jù)傳輸率的1/10，等于視頻信號的像素時鐘頻率(在深色彩模式中，時鐘可能是像素時鐘頻率的1.25/1.5或2倍)。當(dāng)然，在不同的視頻分辨率、刷新速率以及比特深度下，該數(shù)據(jù)也有所變化。最高時鐘頻率受特定的HDMI標(biāo)準(zhǔn)控制，但所有HDMI標(biāo)準(zhǔn)的最低時鐘頻率都是25MHz。如果像素時鐘頻率低于25MHz，視頻將會橫向復(fù)制像素，直到時鐘頻率達到最小值以上。HDMI1.3與1.4的最高時鐘頻率是340MHz，而HDMI1.0至1.2a則是165MHz。
DisplayPort則使用8B/10B編碼，這是一種通信中的常用方式，能夠?qū)㈡溌窌r鐘嵌入至數(shù)據(jù)流中。這樣做的優(yōu)勢在于不需要專門占用一個同軸對，在接收端的信息同步和時鐘恢復(fù)更容易，而且鏈路更可靠。但這樣做也有缺點，這種方式使得鏈路時鐘完全與音頻、視頻和其他信號源分開。這樣一來，發(fā)送端和接收端都必須有專用的硬件來將被傳輸?shù)囊粢曨l數(shù)據(jù)流從原本的信號傳輸率轉(zhuǎn)換為固定鏈路時鐘。
數(shù)據(jù)傳輸
HDMI將信號編碼成三個串行位流，并通過三個差分對傳輸。這些串行位流的數(shù)據(jù)傳輸率是發(fā)送器與接收器之間傳輸時鐘的10倍。串行位流使用了名為TMDS的編碼技術(shù)，其功能是減少躍變數(shù)量，同時防止有過長的0或1串出現(xiàn)所導(dǎo)致的DC wandering或信號重同步問題。音頻信號是在視頻行消隱時傳輸?shù)?，同時帶有參考值以便音頻時鐘能在接收端恢復(fù)。這就對視頻水平消隱期的大小有了嚴(yán)格的要求，它必須確保足夠帶寬來傳輸音頻信號。
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與以太網(wǎng)相似，DisplayPort使用一種數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)來傳輸數(shù)據(jù)。這使得DisplayPort可以通過成為通道的串行位流來傳輸多種信號。1、2或4個通道可以用來傳輸數(shù)據(jù)，而每個通道都與嵌入的1.62Gbps、2.7Gbps或5.4Gbps(DisplayPort1.2)的鏈路時鐘同步。當(dāng)鏈路接通時，發(fā)送器與接收器之間互相溝通來決定數(shù)據(jù)傳輸率和通道數(shù)量。這樣做意味著可以解決線纜或其他通信通道中受到的可能產(chǎn)生鏈路完整性問題的干擾，但這樣一來就無法保證總是以最高數(shù)據(jù)傳輸率來運作。通常這并不是問題，如果較高數(shù)據(jù)傳輸率無法工作將導(dǎo)致鏈路不穩(wěn)定，那么帶寬較低的鏈路總比不穩(wěn)定的鏈路要強。DisplayPort這種能夠溝通并決定可行性連接速度的能力，表示其可以在困難情況下始終保證正常運行，而與其相比，在同樣的情況下HDMI只會停止工作。
內(nèi)容保護
所有HDMI 版本都使用高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(HDCP)來加密鏈路數(shù)據(jù)并提供內(nèi)容保護。DisplayPort1.0要求使用可選的128-bit AESDisplayPort內(nèi)容保護(DPCP)，但自1.1版本之后其也開始使用HDCP。
輔助通道 / 數(shù)據(jù)控制 所有的HDMI版本都提供被稱為CEC(消費電子控制)的低速控制通道，該通道用來在設(shè)備間傳輸命令，如播放、停止、快進等。HDMI1.4通過增加 一個差分對提升了CES的能力，將其作為音頻回傳通道和以太網(wǎng)通道。
DisplayPort使用AUX(輔助通道)作為設(shè)備之間的雙向通信總線，比CEC的帶寬要多得多。DisplayPort1.0和1.1的最高帶寬是1Mbps。DisplayPort1.2則將其增加到720Mbps，使其可以支持USB和以太網(wǎng)。AUX同樣可以建立鏈路并進行鏈路培訓(xùn)來優(yōu)化速度和鏈路的可靠性.
電磁干擾
EMI是任何電子系統(tǒng)都要考慮的重點。HDMI與DisplayPort都使用低電壓信號來減少電磁干擾，但僅有這一點是不夠的。HDMI還使用TDMS信號來減少電磁干擾。因為TMDS能夠減少躍變數(shù)量，所以有助于減少電磁干擾。但仍然存在一個問題，在固定時鐘頻率上所有躍變還是會發(fā)生，從電磁干擾圖中可以很容易看到在這個頻率諧波上的能量毛刺。因此，HDMI不得不大量依靠屏蔽來減少總的電磁干擾并滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)。
DisplayPort在設(shè)計之初就考慮到了如何減少電磁干擾。該標(biāo)準(zhǔn)使用兩種技巧來達到此目的。首先，利用數(shù)據(jù)擾頻。它與TMDS相似，能夠幫助減少躍變數(shù)量和周期；其次就是擴頻時鐘(SSC)，在固定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)鏈路時鐘，從而將電磁干擾分散在較大范圍。這樣，DisplayPort可以比HDMI更容易滿足電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)，并且可以使用更便宜的較細(xì)線纜。
互聯(lián)互通
既然都源于DVI，且本質(zhì)上有相同的通信架構(gòu)和電氣特性，所以HDMI與DVI和DVI-D可以互相兼容。這樣在連接這兩個標(biāo)準(zhǔn)時所需要的線纜在技術(shù)要求上就比較簡單。
因為想達到互聯(lián)互通，DisplayPort研發(fā)出了一種稱為DP++的延伸器。為了DisplayPort與HDMI共同合作，業(yè)內(nèi)人士定義了協(xié)議和鏈路層兼容模式，這樣只需使用一個相對較簡單的電平位移器類的裝置就可以在DisplayPort和HDMI的低電壓之間進行調(diào)整。使用該方式可以制造出比較便宜的轉(zhuǎn)換器。該方法的缺點在于：并非所有的DisplayPort設(shè)備都支持DP++，這可能會給普通的終端用戶帶來困擾，因為他們所購買的DisplayPort至HDMI轉(zhuǎn)換器無法正常工作。
特性 HDMI的每個版本都很清晰地定義了接口能做什么，精確的數(shù)據(jù)類型和特性都得到了很詳細(xì)的描述。而DisplayPort則重視提供基礎(chǔ)鏈路和公開的標(biāo)準(zhǔn)，并不關(guān)注解釋功能究竟需要如何來實施。HDMI1.0指出了基本的音視頻傳輸層；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，把帶寬從4.92Gbps增加到了10.2Gbps。該版本還增加了新的視頻色彩格式(Deep Color 和xvYCC)、自動話音同步、更先進的音頻(Dolby TrueHD和DTS-HD)，以及對CEC命令列表的更新。HDMI1.4增加了音頻回傳通道、以太網(wǎng)通道、3D支持以及對4k X 2k 分辨率的支持。
DisplayPort1.2把數(shù)據(jù)傳輸率從10.8Gbps提升到21.6Gbps；增加了多流功能；將輔助通道速率提升至720Mbps，使其能夠支持USB2.0 和以太網(wǎng)；并添加了對多個音頻模式(Dolby MAT、DTS HD、中國DRA標(biāo)準(zhǔn))以及3D的支持。新規(guī)范中一個明顯的遺漏，就是沒有明確指出如何在速度提升的輔助通道中傳輸USB或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。具體細(xì)節(jié)將在不久的將來添加到DisplayPort1.2 中，但這很可能會在短時期內(nèi)影響DisplayPort1.2設(shè)備的推廣。
設(shè)計HDMI和DisplayPort電路時的挑戰(zhàn)
雖然HDMI和DisplayPort都是數(shù)字鏈路，但像其他與現(xiàn)實世界接觸的事物一樣，它們也面臨著模擬問題，而電路工程師們開發(fā)一個工作系統(tǒng)時也必須考慮到這點。布線和連接器傳輸效應(yīng)是削弱低電壓差分信號(用來傳輸數(shù)據(jù))的重要因素，PCB設(shè)計與發(fā)送和接收設(shè)備之間的信號完整性問題也至關(guān)重要。不僅如此，兩個標(biāo)準(zhǔn)都有各自的獨特挑戰(zhàn)。
眼開 對于低電壓差分信號鏈路來說，在接收數(shù)據(jù)前甚至是在時鐘恢復(fù)前，必須做好差分對的正負(fù)信號分離工作，又稱“眼開”。
圖 1: 眼圖
不論任何系統(tǒng)，如仔細(xì)設(shè)計發(fā)送器與接收器的輸入都可以很大地提高眼開的可能性。接收器的敏感性更為重要，因為它可以正確的感應(yīng)到并解碼已關(guān)閉的“眼睛”。所有這些都只需差分信號傳輸中的一個細(xì)微但可測量的變化。
時鐘恢復(fù) 如上所述，HDMI在鏈路中傳輸視頻像素時鐘。該時鐘頻率是鏈路時鐘的1/10，因為低速，所以可以更容易得到好的眼圖。但事實上這并不重要，重要的是數(shù)據(jù)。時鐘傳輸通道與TMDS數(shù)據(jù)通道不同，發(fā)送器與接收器需要密切關(guān)注來確保小心地管理抖動和跨通道斜率。發(fā)送端輸入的像素時鐘需穩(wěn)定下來并增長十倍。如果這中間有太多抖動，接收端將無法鎖定時鐘并再現(xiàn)穩(wěn)定鏈路時鐘。在接收端也是相同，它需小心管理并控制抖動來確保準(zhǔn)確的時鐘恢復(fù)和高速鏈路時鐘的再生。這就將重點放在PPL的使用和電壓調(diào)節(jié)上。[page]
圖 2: HDMI 發(fā)送器與接收器概括
DisplayPort在發(fā)送端的時鐘產(chǎn)生使用了PLL，但參考是一個穩(wěn)定的晶振源，而且輸出必須在嚴(yán)格范圍內(nèi)運作。與HDMI電路不同，DisplayPort時鐘嵌入在數(shù)據(jù)流中，從而降低了對密切關(guān)注抖動和跨通道偏斜的需求。但接收端的時鐘提取與重建就更為復(fù)雜些，每個差分對需要一個再生電路?？偟膩碚f，減輕傳輸效應(yīng)的穩(wěn)定時鐘恢復(fù)在DisplayPort中更容易實現(xiàn)。
圖 3: DisplayPort發(fā)送器與接收器概括
數(shù)據(jù)恢復(fù) 一旦建立好了穩(wěn)定的鏈路時鐘，就可以開始從鏈路中恢復(fù)數(shù)據(jù)。由一個HDMI時鐘去采集3路TDMS差分?jǐn)?shù)據(jù)。因此，跨通道偏斜可以導(dǎo)致單個時鐘源不能被每個TDMS數(shù)據(jù)通道所使用。這增加了接收端設(shè)計的困難和復(fù)雜性，為此必須規(guī)定如何決定每個通道的最佳相位關(guān)系。
HDMI的主數(shù)據(jù)流是視頻數(shù)據(jù)，可以很容易地從接收器中萃取。但音頻流卻還嵌入在視頻中，需要被重建。因此還需要一個額外的PLL和FIFO構(gòu)架。音頻數(shù)據(jù)接收器本身并不難，但萃取音頻時鐘和重建穩(wěn)定低抖動的音頻時鐘對音頻效果至關(guān)重要。
將時鐘嵌入至數(shù)據(jù)流中使得DisplayPort能夠有效地減少跨通道偏斜問題，因為這樣時鐘恢復(fù)可以口對口的對準(zhǔn)每個數(shù)據(jù)通道。復(fù)雜的是將萃取的數(shù)據(jù)流混合成一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流并擁有單個穩(wěn)定時鐘?？梢越柚鶩IFO簡單解決這個問題。因為所有數(shù)據(jù)流通過打包形式傳輸，需要FIFOS重新組建成連續(xù)的數(shù)據(jù)流。與HDMI接收器相比，這樣做需要更多的硅架構(gòu)，但是由于電路屬于數(shù)字領(lǐng)域，可以很容易地使用硅工藝技術(shù)進行壓縮。
系統(tǒng)設(shè)計
如今，可以很容易地從重多供應(yīng)商那里購買到 HDMI與DisplayPort解決方案。硅谷數(shù)模半導(dǎo)體（Analogix）是少有的幾家企業(yè)可以同時提供兩種標(biāo)準(zhǔn)的全套解決方案和連接這兩種標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換解決方案。這些解決方案的目的都是為了能使客戶更好地，更容易地實施HDMI或DisplayPort，并且保證最高水平的兼容性與互聯(lián)互通。系統(tǒng)設(shè)計師在選擇發(fā)送器或接收器時需要了解它與同一供應(yīng)商或其他供應(yīng)商提供的接收或發(fā)送器一起的運作情況如何。 Analogix一直通過一流的模擬電路設(shè)計努力追求最高的互聯(lián)互通性，并與其他供應(yīng)商密切合作，積極參與業(yè)內(nèi)Plug Test活動。這使得Analogix擁有業(yè)界領(lǐng)先的解決方案，并已以為眾多客戶證明了更強的工作性能。于此同時Analogix還擁有經(jīng)驗豐富的系統(tǒng)設(shè)計師作為后盾，負(fù)責(zé)優(yōu)化PCB版面設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計。
互聯(lián)互通是非常重要的，但Analogix在其他領(lǐng)域里也有創(chuàng)新。HDMI的天性是高功耗，所以很難結(jié)合到低功耗的設(shè)備中，如，手機或便攜設(shè)備。Analogix創(chuàng)造了CoolHD?，業(yè)界唯一一款零功耗HDMI發(fā)送器，來解決這一大問題。CoolHD?可以在不犧牲電池壽命的情況下讓便攜設(shè)備在大屏幕上播放高清內(nèi)容。發(fā)送器不從便攜設(shè)備攝取任何功耗。并且，因Analogix的接收器有著非常高的接收敏感度，可以運作低電壓擺動的DisplayPort鏈接，并無需預(yù)加重和去加重電路。
Analogix同時還提供業(yè)內(nèi)僅有的一款真正單芯片DisplayPort至VGA轉(zhuǎn)換解決方案。此款芯片在大大降低了BOM成本的同時還減小了芯片體積。
總結(jié)
看起來HDMI和DisplayPort是具有相同功能的，而他們又都有自己的定位。HDMI是個受HDMI組織和版權(quán)嚴(yán)格控制的標(biāo)準(zhǔn)。它不能成為專有的應(yīng)用，而且所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和可用的模塊都是被定義好的。對于HDMI， 它建立了一套指定的測試設(shè)備和應(yīng)用步驟。每年有近10億臺設(shè)備的增長量，其標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格地按照客戶及業(yè)界的需求制定，它也被好萊塢、歐洲、日本、韓國和北美采用，作為已經(jīng)存在的互連互通標(biāo)準(zhǔn)。
從技術(shù)角度來說，DisplayPort是更好的，且對于更長和更細(xì)的線纜具有良好的魯棒性。它可以很容易地、自由地降低制程。就計算機市場來說，它的開放性模式和可擴展性特點，對于更高帶寬、多數(shù)據(jù)流和其他數(shù)據(jù)流是不二的首選。DisplayPort預(yù)計將代替VGA接口，而且將漸漸取代DVI和HDMI。從改變中國互連互通標(biāo)準(zhǔn)的角度來講，它開放的結(jié)構(gòu)限制了其進入其他國家的市場。然而，對于需要高速數(shù)字互連互通的大范圍嵌入式應(yīng)用，DisplayPort開放的結(jié)構(gòu)給了它很大的靈活性。
目前，兩個標(biāo)準(zhǔn)將彼此互補共存。在終端市場，HDMI將占有優(yōu)勢；而在IT和嵌入式應(yīng)用方面，DisplayPort將擁有絕對先機。
