Tmds что это ddc

Интерфейсы. DVI и HDMI. Когда нужна хорошая картинка

ИНТЕРФЕЙСОМ ПО «ПИРАТАМ»

Технический прогресс в области хайтека набирает скорость подобно истребителю-перехватчику. Еще недавно цифровая электроника ассоциировалась исключительно с громоздкими ЭВМ в вычислительных центрах, а сегодня сотовые телефоны, ноутбуки и плазменные дисплеи уже ни у кого не вызывают удивления. Правда, пути совершенствования радиоэлектронной аппаратуры иногда бывают довольно странными, и в начале XXI века в продаже появляются аудиоусилители класса Hi End, на кожухах которых, как на довоенных радиоприемниках, гордо выстраиваются радиолампы-самовары. Но это так – игрушки для богатых, а на самом деле, после того, как цены на мощные микропроцессоры упали до уровня 20 долларов за штуку, переход к цифровым методам создания, обработки, хранения и передачи видео- и аудиоинформации стал неизбежен. С точки зрения схемотехники цифровая аппаратура сложнее аналоговой, однако ее функциональные возможности гораздо шире, а некоторые из них принципиально недостижимы при аналоговой обработке сигнала.

Переход на цифровые форматы аудио и видео обусловлены их техническими и пользовательскими преимуществами по сравнению с аналоговыми.

К техническим преимуществам относят:

С точки зрения схемотехники цифровая аппаратура сложнее аналоговой, однако ее функциональные возможности гораздо шире, а некоторые из них принципиально недостижимы при аналоговой обработке сигнала

К пользовательским свойствам цифрового формата относят:

Понятно, что аналоговые интерфейсы для работы с цифровым сигналом не годятся или подходят плохо, поэтому для него были созданы специальные, цифровые интерфейсы.

К ним относятся последовательный цифровой интерфейс SDI/SDTI, используемый в профессиональной и студийной аппаратуре, а также цифровые видеоинтерфейсы DVI и HDMI.

Последние два интерфейса рассматриваются ниже. Интерфейс HDMI является развитием интерфейса DVI, в нем используются те же базовые технологии, поэтому они и рассматриваются в переделах одной брошюры.

ЦИФРОВОЙ ВИДЕОИНТЕРФЕЙС DVI

Проблема ухудшения характеристик качества сигнала при многократном аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразовании была решена с появлением нового стандарта DVI, который сейчас можно уверенно рассматривать в качестве общепринятого. Группа, разработавшая стандарт — Digital Display Working Group (DDWG) — была создана по инициативе Intel, в нее вошли Compaq, Fujitsu, Hewlett-Packard, IBM, NEC и Silicon Image. Спецификация DVI была представлена в апреле 1999 г, тогда же были продемонстрированы и рабочие решения, использующие стандарт – плазменные мониторы Fujitsu и Phillips, ЖК-мониторы IBM и Compaq и прочие продукты.

Переход от композитного и S-Video к компонентному и RGB-трактам позволил резко увеличить качество изображения, однако лишние преобразования «аналог-цифра-аналог» ощутимо ухудшали качество картинки

Создатели стандарта DVI рассчитывали, что область его применения окажется гораздо шире, чем цифровое соединение компьютера с монитором. В конце 90-х годов ХХ века продолжалось бурное развитие видеотехнологий. В обиход прочно вошли полностью цифровые DLP-проекторы, а LCD и CRT мониторы, если и оставались аналоговыми по принципу формирования изображения, имели цифровые схемы обработки сигнала. В цифровой форме осуществлялось масштабирование изображения и преобразование развертки, необходимое для корректного преобразования количества строк, пикселей и полей. Функции регулировки цветности, яркости, контрастности и других параметров видео также были реализованы цифровыми методами. После того, как фирма Fujitsu начала продавать другим производителям лицензии на плазменные технологии, стало ясно, что выход на рынок еще одного вида высококачественного цифрового дисплея — вопрос недалекого будущего.

В практическую плоскость перешло внедрение телевидения высокой четкости. Размеры экранов росли, увеличивалось их разрешение. Не было только одного — отвечающего текущим и перспективным запросам рынка цифрового видеоинтерфейса. Переход от композитного и S-Video к компонентному и RGB-трактам позволил резко увеличить качество изображения, однако лишние преобразования «аналог-цифра-аналог» ощутимо ухудшали качество картинки, что было особенно обидно из-за абсолютной ненужности АЦП и ЦАП в тракте, состоящем из цифрового источника (DVD, компьютер), цифрового дисплея и цифрового же процессора между ними. Получалось, что АЦП и ЦАП работали только на «провода» между источником и монитором.

Необходимость создания цифрового интерфейса, отвечающего запросам HDTV и имеющего солидный запас на перспективу, стала совершенно очевидной.

Интерфейс DVI — Digital Visual Interface — можно с определенными допусками назвать цифровым RGB-интерфейсом. В одноканальной модификации формата Single Link DVI имеется четыре канала передачи данных: три из них предназначены для передачи информации об основных цветах: синем, зеленом и красном, а четвертый передает сигнал тактовой частоты «Clock». При этом достигается максимальная скорость потока данных, равная 1,65 Гбит/с, или 165 мегапикселей в секунду при 10-битном кодировании (это дает эффективные 8 бит данных), что соответствует разрешению 1600 х 1200 пикселей (UXGA) при частоте обновления полей 60 Гц (или 1920 х 1080 и даже 1920 х 1200). На сегодняшний день это с запасом покрывает потребности современных форматов HDTV.

Еще большую пропускную способность имеет модификация интерфейса Dual Link DVI. Здесь все то же самое, но в двойном размере (кроме сигнала тактовой частоты, которую дважды передавать не нужно). Dual Link DVI способен передавать сигналы QXGA (2048 х 1536 пикселей) при частоте смены кадров 60 Гц.

DVI передает разрешения до 1600 х 1200 (UXGA) при 60 Гц (или 1920 х 1080 и даже 1920 х 1200). Это с запасом покрывает потребности HDTV

Несмотря на явную избыточность Dual Link DVI в отношении современных дисплеев, поддерживающие этот интерфейс устройства производятся (например, большие дисплеи для рабочих станций).

Благодаря технологии DVI появилась возможность удаления аналоговой части с плат видеоадаптеров и перенос её в монитор, что должно сказаться на повышении качества изображения гораздо сильнее, чем устранение влияния помех в соединительном кабеле видеокарта-монитор. Поскольку информация об изображении передается от видеокарты к монитору в цифровом виде, влияние внешних наводок значительно снижается.

РАЗНОВИДНОСТИ DVI

Существуют ещё две разновидности интерфейса DVI: DVI-D и DVI-I, различие между которыми заключается в том, что для обеспечения более широкой совместимости аппаратуры разных поколений в разъеме DVI, помимо трех рядов «цифровых» контактов, могут быть предусмотрены еще и аналоговые, на которые подается обычный аналоговый RGBHV-сигнал (то же, что VGA, на рис. 1 — контакты С1 – С5). Таким образом, вариант интерфейса DVI, включающий аналоговую и цифровую части, называют DVI-I (Integrated), т.е. совмещенный. Таким образом, всего можно встретить 4 разновидности интерфейса:

КАБЕЛЬ DVI

Версии Single Link могут не иметь контактов 4, 5, 12, 13, 20, 21 на разъеме. Версии DVI-D могут не иметь контактов C1, C2, C3, C4, С5 на разъеме.

Разводка разъема DVI (для «полного» интерфейса Dual Link DVI-I) показана на рис. 1, а назначение контактов сведено в таблицу 1.

Таблица 1. Распайка разъема DVI-I Dual Link

* только для Dual Link; ** только для DVI-I

Рис. 1. Разъемы DVI-D и DVI-I

ВНУТРЕННОСТИ: ПЕРЕДАЧА ВИДЕОДАННЫХ (TMDS)

Высокие скоростные характеристики интерфейса DVI достигнуты за счет использования специально разработанного для него алгоритма кодирования сигналов, который называется Transition Minimized Differential Signaling (T.M.D.S) – дифференциальная передача сигналов с минимизацией перепадов уровней.

Рис. 2. Линия связи TMDS

Дифференциальный (или балансный, симметричный) способ передачи, когда по каждому проводнику витой пары проходит один и тот же прямой и инвертированный сигнал, обеспечивает эффективную защиту данных от синфазных помех.

Рис. 3. Балансная линия связи с дифференциальным приёмником

Рис. 4. Балансная линия связи подавляет помехи

На передающей стороне интерфейса DVI находится передатчик T.M.D.S. в котором производится преобразование оцифрованного RGB-сигнала и формирование последовательного потока данных в каждом из каналов. На приемной стороне, наоборот, происходит полное восстановление цифровых потоков по каналам R, G, B, а также сигнала Clock.

Формат передачи всегда один: цветовое пространство RGB, глубина цвета 24 бита (по 8 бит на компоненту). Для высоких разрешений поддерживаются частоты кадров до 60 Гц (прогрессивной развертки).

При восстановлении используется автоматическая компенсация потерь в кабеле и перетактирование (реклокинг, устранение джиттера, т.е. дрожания фазы цифрового сигнала).

Рис. 5. Сигнал до и после восстановления
(Нажмите на фото для увеличения)

Восстановление эффективно только если деградация сигнала не превышает некоторого порогового значения. В этом случае цифровой сигнал восстанавливается практически полностью, без потерь и ошибок. Однако ситуации стоит лишь немного ухудшиться (например, берем кабель немного большей длины) — и сигнал восстановить не удается, а картинка испещряется помехами, «разваливается», а то и вовсе пропадает. Это явление называется «эффектом обрыва» и характерно именно для цифровых сигналов.

Рис. 6. «Эффект обрыва»

В результате, при использовании кабелей разумной длины и репитеров (приёмников-передатчиков сигнала с его промежуточным восстановлением) можно транслировать цифровой сигнал на практически неограниченные расстояния — без потерь!

Рис. 7. Использование репитеров

Чем выше разрешение сигнала (а, значит, и скорость передачи данных в каналах TMDS), тем больше потери в кабеле и (при прочих равных) короче может быть используемый кабель. Стандарт DVI не оговаривает возможную длину кабеля и разрешение сигнала, при котором такая длина будет работать. Реальные качественные кабели DVI обычно хорошо работают при длинах и разрешениях, не превышающих показанные ниже на графике (приведен для интерфейса версии Single Link):

Рис. 8. Разрешения против длин кабелей

В некоторых случаях будут работать и более длинные кабели, однако это в каждом конкретном сочетании аппаратуры требует экспериментального подтверждения.

Чтобы преодолеть ограничения на длину кабеля, можно:

Рис. 9. Интегрированный оптоволоконный кабель (слева, длина до 100 м), передатчик и приемник для использования с отдельным оптическим кабелем (справа, длина кабеля до 500 м)

ВНУТРЕННОСТИ: СЛУЖЕБНЫЙ КАНАЛ (DDC)

Если служебный канал DDC не работает, видеоданные в каналах TMDS могут блокироваться

Интерфейсы DVI-D и DVI-I, помимо описанных выше цифровых каналов, содержат еще один, предназначенный для обмена информацией между оснащенным видеопроцессором источником (например, PC с видеокартой) и дисплеем. Канал DDC (Display Data Channel) предназначен для передачи подробного «досье» дисплея процессору, который, ознакомившись с ним, выдает оптимальный для данного дисплея сигнал с нужным разрешением и экранными пропорциями. Такое досье, называемое EDID (Extended Display Identification Data, или подробные идентификационные данные дисплея), представляет собой блок данных со следующими разделами: марка изготовителя, идентификационный номер модели, серийный номер, дата выпуска, размер экрана, поддерживаемые разрешения и собственное разрешение экрана.

При запуске DVI-совместимого источника активизируется процесс HPD (Hot Plug Detect, или опознание активного соединения). После этого источник производит считывание блока данных EDID. В случае если монитор отказывается выдать информацию о себе, канал T.M.D.S блокируется.

При использовании аппаратуры, соответствующей стандарту и стандартных кабелей, для простой схемы включения (источник–кабель–монитор) такая схема нормально работает. Однако в более сложных случаях канал DDC может и не работать — например, если между выходом и дисплеем установлены коммутаторы, усилители-распределители и др. элементы сложных AV-систем. В этом случае возникает проблема: как заставить работать выход, например, видеокарты ноутбука, при отсутствии служебного канала.

Рис. 10. Устройство — эмулятор EDID и его применение
(Нажмите на фото для увеличения)

«Обмануть» видеовыход можно с помощью специального устройства. Такой прибор хранит блок данных EDID в своей внутренней памяти и выдаёт его оттуда по запросу видеокарты. При этом видеоданные проходят через прибор «прозрачно». Если эмулятор предварительно «обучить» (прочитав реальный EDID из реального дисплея), источник сигнала будет «думать», что постоянно подключён к дисплею, и выдавать данные на выход.

Во многие коммутаторы и усилители-распределители для сигналов DVI и HDMI подобные эмуляторы уже встроены, что облегчает труд установщика. Заметим, что наличие эмулятора ни в коем случае не обеспечивает работу системы шифрования видеоданных HDCP, для которой наличие «живого» канала DDC обязательно.

ВНУТРЕННОСТИ: ШИФРОВАНИЕ ДАННЫХ HDCP

Разработанная фирмой Intel криптографическая система HDCP (Highbandwidth Digital Content Protection) — это метод защиты цифровых данных высокого разрешения. Она обеспечивает возможность в зависимости от конкретного случая установить разные уровни защиты, благодаря чему она не ограничивает свободу обращения с видео данными в пределах одобренных действующим законодательством рамок. Так, например, HDCP не обеспечивает защиту от копирования и искусственно не ухудшает качества копий. Под жесткий запрет подпадают следующие действия: копирование программ со снятой защитой, получение незащищенного цифрового потока высокого разрешения. Разрешены повторители и разветвители сигнала, но при этом они должны «обменяться паролями» друг с другом и получить взаимное одобрение, что возможно только в том случае, если все устройства обладают HDCP-совместимостью.

На диске Blu-Ray или в DVB-потоке записана специальная метка, при наличии которой плейер или ресивер обязан включить шифрование данных на своём цифровом выходе

Заметим, что HDCP не привязана, например, к шифрованию данных на Blu-Ray диске или потока в DVB-приёмнике. Это иные технологии. На самом диске или в DVB-потоке просто записана специальная метка, при наличии которой аппарат (плейер или ресивер) обязан включить шифрование данных на своём цифровом выходе.

Система HDCP может работать как с интерфесом DVI, так и с HDMI. Правда, для (в основном) компьютерного интерфейса DVI система HDCP применяется крайне редко, тогда как для потребительского интерфейса HDMI кодирование HDCP используется повсеместно (и для большинства видеопрограмм — в обязательном порядке).

HDCP защищает права потребителя, ограждая его от потока низкосортной
видеопродукции

Необходимо особо отметить, что HDCP работает не только на правообладателей киноматериалов, но и защищает права потребителя, ограждая его от потока низкосортной видеопродукции (например, по- лученной через Интернет), качество которой несовместимо с современными форматами телевидения высокого разрешения.

Работает HDCP по сложной схеме, предусматривающей прежде всего наличие своих «секретных» кодовых комбинаций в каждом передатчике и приемнике DVI/HDMI. В единой системе допускается наличие до 127 пар передатчиков и приемников и до 7 уровней разветвления (или ретрансляции). Для того чтобы канал DVI/HDMI активизировался, должен успешно пройти процесс взаимной аутентификации каждой пары передатчиков и приемников. Для этой задачи используется всё тот же служебный канал DDC.

При работе HDCP аналоговые выходы могут выдавать картинку высокого разрешения, либо низкого разрешения, либо вовсе не выдавать картинку — на усмотрение производителя

Первый этап процесса аутентификации – обмен кодовыми комбинациями, которые «зашиты» в микросхемы оборудования и недоступны пользователю. Кодовые комбинации должны обладать правдоподобностью, для проверки которой производится вычисление математической суммы R0. В передатчике вырабатывается псевдослучайная последовательность AN, которая вместе с т. н. «вектором выбора кода» (KSV) отсылается на приемник. Аналогично с приемника поступает подобное сообщение на передатчик. В случае положительного результата проверки KSV (в их структуре, помимо всего прочего, обязательно должны присутствовать 20 нулей и 20 единиц) на обеих сторонах запускаются генераторы кодов, вырабатывающие 24-разрядные шифровальные коды, соответствующие определенным значениям «секретного» параметра Ks. Синтезированные в передатчике и приемнике значения R0 и Ks сравниваются.

Значения KSV являются индивидуальными для каждого отдельного устройства. Существует также «черный список» взломанных кодов, который хранится в памяти устройства и пополняется при проигрывании новых BluRay-релизов (один из способов). При совпадении индивидуальных данных конкретного аппарата с данными из этого списка процесс инициализации немедленно блокируется. Таким образом, единожды замеченный в попытке обойти запреты DVD/BluRay-плейер станет персоной нон-грата в любой системе, при условии, что кто-то данную попытку заметит и сообщит куда следует.

Весь процесс «запуска» работы интерфейса DVI/HDMI (считывание EDID, настройка выхода) и cистемы HDCP (аутентификация) может занимать до нескольких секунд. В это время изображения на дисплее нет.

Когда на цифровом выходе плейера или спутникового ресивера идет видеопоток с кодированием HDCP, его аналоговые выходы могут выдавать картинку высокого разрешения, либо низкого разрешения, либо вовсе не выдавать картинку — на усмотрение производителя аппарата. К сожалению, в документации описание такого поведения можно найти крайне редко.

Концептуальная сложность всей системы (DVI/HDMI, DDC/EDID, HDCP) оказывается на порядки выше, чем всех ранее использовавшихся аналоговых интерфейсов. Хотя при массовом производстве это практически не приводит к удорожанию аппаратуры (и теоретически даже должно её удешевить), проблемы совместимости и даже простой работоспособности аппаратуры, особенно от разных производителей, теперь оказываются крайне актуальными. Особенности «прошивок» аппаратуры и ошибки в реализации интерфейсов способны свести на нет все преимущества самой дорогой и совершенной современной техники.

Перед приобретением комплекта аппаратуры с интерфейсом DVI/HDMI и поддержкой HDCP обязательно включите её и проверьте во всех режимах, в том числе и при воспроизведении контента с включенной защитой HDCP

Рекомендуем перед приобретением аппаратуры с интерфейсом DVI/HDMI и поддержкой HDCP обязательно включить её (весь комплекс — источники сигнала, промежуточные коммутаторы, распеределители, AV-ресиверы, дисплеи и все соединительные кабели) и проверить во всех режимах, в том числе и при воспроизведении контента с включенной защитой HDCP.

БУДУЩЕЕ DVI И HDMI

По оптимистичным прогнозам Intel, стандарт DVI и HDMI будет актуален как минимум следующие десять лет.

Вытеснение старых интерфейсов набирает обороты. В не столь уж отдаленном будущем дело, скорее всего, дойдет до отмирания аналоговой части видеоаппаратуры. Для интерфейса HDMI, идущего на смену DVI, это уже свершилось (аналоговой части там нет).

ИНТЕРФЕЙС HDMI

Развитием интерфейса DVI является мультимедийный интерфейс высокой четкости HDMI (High Definition Multimedia Interface). Видеочасть HDMI, а также служебный канал DDC полностью совместимы с DVI, но вид у него совершенно другой, т.к. использован другой разъём. HDMI – это более совершенный интерфейс, чем DVI, в первую очередь, благодаря возможности передачи многоканального звука. Дополнительно HDMI снабжён управляющим интерфейсом CEC (его нет в DVI).

HDMI – это более совершенный интерфейс, чем DVI, в первую очередь, благодаря возможности передачи многоканального звука

Так же, как и DVI, интерфейс HDMI может быть одноканальным (Single Link) и двухканальным (Dual Link) (для этих версий используются разные разъёмы). Линии связи TMDS и служебный канал DDC работают в точности так же, как и в DVI.

Пропускная способность HDMI (как и DVI) достигает 5 Гбит/с. Этого достаточно для видеосигнала 1080p и двух каналов несжатого цифрового звука в PCM до 48 кГц либо 5.1 каналов в Dolby Digital или DTS. Передача аудио осуществляется в смеси с видео, используются те же линии TMDS (никаких дополнительных проводников для аудио в кабеле нет).

Рис. 11. Сравнение кабельных вилок HDMI и DVI (справа)

Разъем HDMI более компактный, однако лишен фиксаторов, и (при использовании сколько-нибудь длинных и тяжёлых кабелей) склонен выпадать из своей розетки.

КАБЕЛЬ HDMI

Последняя на момент выпуска брошюры версия стандарта HDMI 1.3a описывает 3 разновидности разъёма:

Самый распространённый тип — стандартный Single Link (Type A). Другие типы разъёмов встречаются пока редко. Разводка такого разъема показана на рис. 12, а назначение контактов сведено в таблицу 2.

Таблица 2. Распайка разъема HDMI (Type A, Single Link)

Рис. 12. Кабельная часть разъёма HDMI Type A

ВНУТРЕННОСТИ: TMDS, DDC, HDCP

Технологии передачи видеоданных (TMDS), служебнный канал (DDC), cистема шифрования (HDCP) аналогичны описанным для интерфейса DVI.

Длины кабелей и максимальное разрешения оказываются аналогичными таковым для DVI — см. рис. 8. Для преодоления ограничений по длине можно использовать те же методы что и для DVI (рис. 13).

Рис. 13. Оптический кабель для удлинения HDMI (Type A) до 100 метров

В дополнение ко всем видеорежимам DVI интерфейс HDMI поддерживает:

При использовании режима удвоения скорости передачи, начиная с версии 1.3 возможно следующее:

ВНУТРЕННОСТИ: ПЕРЕДАЧА АУДИО

Аудиоданные передаются вместе с видео по тем же линиям связи TMDS. Аудиопоток «нарезается» на пакеты и передается в неиспользуемых участках видео (во время интервалов гашения по горизонтали и вертикали).

Рис. 14. Аудиопоток передается пакетами в интервалах гашения видео

ВНУТРЕННОСТИ: КАНАЛ УПРАВЛЕНИЯ (СЕС)

Многие производители электроники объявили о поддержке канала управления СЕС

Дополнительная линия связи СЕС (Consumer Electronics Control) может использоваться для управления потребительской электроникой. Благодаря ей все соединенные по интерфейсу HDMI приборы (до 10 штук) объединяются в управляющую сеть. Предусмотрены типовые команды управления (Пуск, Стоп, Перемотка, команды для меню, тюнеров, ТВ и т.д.), которые приборы могут передавать друг другу. Это позволяет управлять одним аппаратом (скажем, проигрывателем Blu-Ray) с пульта другого (скажем, телевизора), автоматизировать некоторые процессы и т.д. С выходом версии HDMI 1.3 многие производители электроники объявили о поддержке данного канала управления.

СОВМЕСТИМОСТЬ ИНТЕРФЕЙСОВ

Стандарт HDMI оговаривает полную совместимость всех версий интерфейсов (сверху-вниз и снизу-вверх):

Рис. 15. Кабель-переходник и адаптер DVI-HDMI

К сожалению, такую великолепную совместимость демонстрируют далеко не все имеющиеся на рынке устройства. Например, некоторые широкоэкранные дисплеи для домашних кинотеатров не поддерживают цветовое пространство RGB (необходимое для DVI и HDMI 1.0) и понимают лишь ограниченное количество видеорежимов (против минимально требуемого стандартом). При этом на таких дисплеях красуется логотип «HDMI» и провозглашается поддержка версии 1.3.

Заметим также, что расширенные возможности версии HDMI 1.3а, в основном, являются необязательными, и поэтому «соответствовать» требованиям этой новейшей версии стандарта оказывается легко — достаточно выполнить лишь минимальные требования (фактически — требования к версии 1.0). Поэтому при покупке аппаратуры обязательно убедитесь, что она действительно имеет те расширения, которые Вам нужны — цифра 1.3а в спецификации ещё ни о чём, к сожалению, не говорит.

Источник