HDMI基础知识,包括InfoFrame的简单介绍

在這高畫質數位視訊的時代裡,相信已經有不少人對HDMI端子都略有所聞了吧!一些特別喜愛AV的玩家們,也應該早已品嘗到HDMI端子所帶來的震撼影音效果了。高畫質數位視訊的美麗畫面,透過HDMI端子的傳送,由於減少了類比與數位之間的傳輸格式轉換,確實帶給了消費者們對影音享受的另一番美麗新天地。從最早期的數位電視廣播,到可以預錄的數位電視錄放影機DVHS,以及新科技的藍光DVD等等,都已經可以將高解析度的數位電視節目透過HDMI端子呈現在消費者面前,這些節目的解析度從720P、1080i甚至是1080P所呈現出來的畫質都是極富立體感、透明的、栩栩如生的,宛如透過一扇窗來欣賞我們這真實美妙的世界。不過,當然少不了一個高階的數位視訊顯示器來搭配演出,因此這些搭配著HDMI端子的數位顯示器也隨著這股風潮開始在市面上爭奇鬥艷一番了,包括電漿電視、液晶電視,投影機、各種技術的內投影電視等等,真是不勝枚舉啊!

        談到這裡,讀者們應該發現了,對於帶領著高畫質數位視訊時代的來臨,HDMI端子著實扮演著一個重要的關鍵角色。其實HDMI端子簡單的說就是一種連接線啦!現在市面上常見的一些訊號連接線,從AV端子、S Video到色差線,都是類比傳輸的連接線,如果使用這些線材來傳遞訊號,一定少不了從數位轉類比再從類比轉數位的轉換過程;一旦訊號經過轉換,必然會有失真產生,也就是說無法到達原影重現的最高境界了。DVI端子可說是HDMI的前輩,是最早用來傳送數位視訊的,但是由於體積大,又只能傳送影像訊號,因此並不適合應用在消費性電子產品上,不過由於大家對高畫質數位視訊的渴望,HDMI傳輸介面便在眾人的努力下問世了。除了傳輸方式的不同外,另外還有一個相當被重視並廣泛探討的問題,那就是著作權保護的技術,這些技術也慢慢的走出檯面運用在數位傳輸上。在影音娛樂這個業界裡,都贊同數位傳輸的介面是將來發展的趨勢,原因有二:一是它提供了比現在類比傳輸介面更優越的內容重現能力,也就是幾無失真的傳輸方法。另一個原因就是它提供內容保護的機制(HDCP),以防止高畫質數位訊號遭受盜拷。在這篇文章中,筆者想要為大家進一步介紹新數位影音傳輸介面HDMI (High Definition Multimedia Interface, 高畫質多媒體傳輸介面)。

HDMI端子概觀
        首先在為各位介紹HDMI端子的規格跟演進的種類前,我們先總觀一下HDMI端子連結訊號的系統架構。HDMI系統包含著兩個單元,訊號發送端(Source)與訊號接收端(Sink),Source端必須遵守有關Source端的規範,而Sink端就必須遵守有關Sink端的規範,這兩者的規範都是相當嚴謹而具體的。Source端與Sink端之間,是利用TMDS資料格式(TMDS Channel)來傳輸影音資料的,TMDS序列傳輸技術,一個獨立的TMDS 「資料鏈」(link)包括了三對數位訊號通道,分別傳遞紅、綠、藍三個顏色的資料,再加上同步訊號與時脈。在傳遞前,系統會先將8-bit的數位資料轉成10-bit的TMDS序列,然後接收端再將10-bit的序列資料轉成8-bit的可用資料。因此,為了傳輸數位的RGB資料必須使用三個TMDS訊號,最後形成一個TMDS「資料鏈」。在傳遞的時候,因為每個數位訊號通道已經形成TMDS序列,便可以很方便的一個位元一個位元的傳遞出去,而每個通道的傳輸速率可以達到每秒1.65個Gigabits (Gbps)。以一個獨立的「資料鏈」其傳輸的頻寬可以高達每秒4.95個Gbps(R + G + B),如果說用RGB構成一個畫素的話,可用的頻寬就是1.65 Gpixels/sec,這樣夠快了吧!

        事實上,HDMI是可以支援在同一條連接線上傳輸兩個「資料鏈」的,這樣做只需要多三個數位視訊通道,而同步訊號與時脈是可以被共用的,這樣一來可用的頻寬又加倍了,這樣的線我們稱做Dual-link,而只支援一個資料鏈的線通常稱做Single-link。另外,HDMI端子提供了一組DDC通道,是用來交換資料建立出正確的影音連結(Link)用的,Source端會透過DDC通道來讀取Sink端的延伸顯示器辯識資料區(E-EDID),EDID包含了有關顯示器的詳細資料,例如顯示器名稱、可支援的解析度等等。HDMI還包括了一個可用的控制信號,它是一個雙向的通道,當連結所有具有HDMI介面的設備時,很自然的便可以形成一個鏈環,所有的設備都可以互相溝通,有一點像iLink的味道,它的通訊協定是以在歐洲相當流行的AV.Link標準為基礎的,叫做CEC (Consumer Electronics Control)。CEC是相當有用的信號,可以讓我們家裡獨立的一些影音設備如DVD播放器,擴大機,電視等等設備,只需要一個遙控器,就可以讓它們合作無間的工作在一起,非常方便,並且它可以將一連串的控制命令組合成單一指令,例如下達一個指令叫「播放DVD」,那麼就會有一連串的動作產生,包括按下DVD的播放鍵,打開電視,選擇電視到正確的影像來源等等,如配圖所示,可讓讀者對HDMI介面有個概觀的認識。

HDMI端子的規格
        HDMI端子的規格基本上是由幾家大廠共同制定的,有Hitachi,Matsushita,Sony,Silicon Image、Toshiba、Philips、Thomson等等。最早制定出來的規格HDMI 1.0,是HDMI端子的基礎規格,可以說是一棵大樹的根吧!它是在2002年的12月公佈出來的,吸引著許多消費性電子大廠的目光並躍躍欲試。在Silicon Image的傳收IC出現的帶動下,研發搭載HDMI端子的產品,便默默地在各家廠商的研發中心裡進行著。HDMI 1.0的內容主要包含著六大部分: 1. 實體層(Physical Layer),2. 資料的傳收格式(Signaling and Encoding),3. 相容的視訊格式(Video),4. 支援的音訊種類(Audio),5. 訊號格式的控制(Control and Configuration),6. CEC通道的支援(Consumer Electronics Control)。在實體層,首先談到的,便是HDMI端子的接頭與接線,傳輸訊號的實體物件。在HDMI1.0的規範裡,接頭分為兩種:Type A跟Type B。對於端子接頭的規範,第一點便是可搭載的視訊不同,Type A的端子只能搭載在HDMI 1.0規範中有提到可支援的視訊訊號,而Type B便沒有限制,可以傳輸任何的視訊訊號,此項規範對於Source端或Sink端皆相同。第二個不同是:Type A的HDMI端子只支援Single TMDS Link,而Type B可以支援Dual-Link,因此Type A的速度可達165Mpixels/sec;若要傳送速度高於165Mpixles/sec就必須使用Type B的端子接頭了,也就是說大於1080p的訊號只能用Type B端子。在規範裡,HDMI端子是可以相容DVI訊號(DVI-D)的。讓我們看看下圖,實際見識一下HDMI Type A與Type B端子的不同之處。
在資料的傳收格式方面,HDMI 1.0規定使用TMDS Link來傳送資料,以一個Single Link來看,共有四個TMDS通道,包括三個資料通道(Data Channel)以及一個辨別解析度用的時脈通道(Clock Channel),HDMI可以透過TMDS Link來傳送影像資料、聲音資料以及控制用資料。對於傳送格式方面,由於比較偏向細節的技術層面,在此筆者便點到為止。接下來,為了保證HDMI機器的相容性,也就是說只要有HDMI設計的機器在訊號的傳送與接收方面,都不會發生問題,HDMI 1.0在相容的視訊格式上有明白的規定。

第一、傳送的任何視訊格式必須符合EIA/CEA-861B標準。
第二、所有的HDMI傳送端(Source)必須至少支援下面三種視訊中的其中一種:
640x480p @ 59.94/60Hz
720x480p @ 59.94/60Hz
720x576p @ 50Hz
第三、有搭載HDMI輸出的機器,只要有任何輸出端子能夠輸出下列其中之一的視訊格式,都必須能夠從HDMI輸出該視訊格式(無論是色差端子或S端子等等)
1280x720p @ 59.94/60Hz
1920x1080i @ 59.94/60Hz
720x480p @ 59.94/60Hz
1280x720p @ 50Hz
1920x1080i @ 50Hz
720x576p @ 50Hz
第四、只要能支援60Hz輸入的HDMI設備,都必須支援640x480 @ 59.94/60Hz跟480p @ 59.94/60Hz,若進一步有支援HDTV的話,便必須支援1280x720p @ 59.94/60Hz 或 1920x1080i @ 59.94/60Hz其中一種。
第五、只要能支援50Hz輸入的HDMI設備,都必須支援640x480 @ 59.94/60Hz跟576p @ 50Hz,若進一步有支援HDTV的話,便必須支援1280x720p @ 50Hz 或 1920x1080i @ 50Hz其中一種。
第六、有搭載HDMI輸入的機器,只要有任何輸入端子能夠輸入下列其中之一的視訊格式,都必須能夠從HDMI輸入該視訊格式(無論是類比或數位的端子)
1280x720p @ 59.94/60Hz
1920x1080i @ 59.94/60Hz
1280x720p @ 50Hz
1920x1080i @ 50Hz

        有了這些規格,讀者們便可以簡單自我檢視一下,自己的設備是不是真正符合HDMI的規範了,下表為HDMI 1.0規定HDMI需支援的視訊種類:
在影像畫素傳送的壓縮方式上,一條HDMI線可以傳送三種不同的壓縮方式:YCbCr 4:4:4, YCbCr 4:2:2以及RGB 4:4:4。一個HDMI的接收端必須能夠接受這三種不同的方式,而在HDMI 1.0則只有8 bits資料的傳輸。在色彩表現空間(Color Space)的定義上,HDMI 1.0也規範的相當清楚,首先對480i/p、576i/p、 240p與288p,HDMI採用的標準是以SMPTE 170M為基礎的,SMPTE 170M基本上是針對Analog Composite NTSC訊號的規範,?而這些屬於SMPTE 170M的SD訊號,在色彩表現空間的座標轉換上,如YCbCr轉RGB,是使用ITU-R BT.601-5中規範的方式來轉換,除非在資料交換的封包裡(AVI InfoFrame)有特別的色座標定義。針對HD的訊號如1080i,1080p及720p,HDMI 1.0則是使用ITU-R BT.709-4。
接下來,讓我們談談支援的音訊種類(Audio)部分,HDMI在音訊資料的傳送上,它的封包格式是接近IEC 60958或IEC 61938標準的,IEC是一個國際性的標準制定組織,主要範圍是與電氣技術相關的標準。HDMI 1.0對音訊主要的規範如下:
第一、有搭載HDMI輸出端子的設備,只要有任何的聲音輸出端子,就必須能夠在HDMI端子輸出聲音。(此項規定只有在Type B的端子上有例外)
第二、任何有音訊從HDMI端子輸出的設備,都要有支援兩聲道L-PCM輸出,取樣頻率可以是32kHz、44.1kHz或48kHz,取樣大小至少要為16 bits。
第三、HDMI端子在L-PCM或經過編碼的聲音資料輸出上,可以支援32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz跟192kHz的取樣頻率。
第四、有搭載HDMI輸入端子的設備,只要有任何的聲音輸入端子,就必須能夠在HDMI端子輸入聲音。
第五、可以接收音訊輸入的設備,都要在搭載的HDMI端子上有支援兩聲道L-PCM輸入,取樣頻率可以是32kHz、44.1kHz或48kHz。
第六、HDMI接收端必須在E-EDID資料裡定義可以接收的音訊資料。

        在此要特別提出的一點是,HDMI對音訊的傳送其實跟視訊的解析度息息相關的,這是因為音訊資料並沒有專用的解碼時脈(Clock),必須借用視訊資料的時脈,因此並非所有的解析度都能夠支援到八聲道/192kHz。基本上,對於Audio的支援,在EIA CEA-861B裡,都有詳細的規範,包括聲道,喇叭的配置等等,因此在HDMI 1.0裡,便可以支援到最多8個聲道/192kHz,以及壓縮多聲道音訊包括AC3、MPEG1、MP3、MPEG2、AAC、DTS以及ATRAC等。

        最後筆者要提到的是,訊號格式的控制以及CEC通道的運用,在HDMI的交換資料裡,有三個不同的交換通道,TMDS、DDC跟CEC通道。在TMDS通道裡,除了攜帶的影音資料外,有所謂的InfoFrame扮演著重要的角色,來描述幫助HDMI訊號的建立。在此筆者想特別提出來談的InfoFrame有兩個,一個叫做AVI InfoFrame,專門掌控Video訊號,另一個是Audio InfoFrame,用來定義音訊格式,AVI InfoFrame的全文是Auxiliary Video information InfoFrame;若要筆者翻譯的話,顧名思義就是『輔助視訊建立的資料』。這個資料裡面,包含著傳送的視訊訊號解析度的完整資料(與定義在EIA/CEA-861B規範裡面的相同),因此HDMI可以更精確的將視訊重建起來。同理Audio InfoFrame也是在重建音訊上,扮演著相同的角色,可以提供的資料有聲道的個數、音訊的壓縮格式(AC3或DTS等)、取樣頻率等等。有了這兩個InfoFrame,使得HDMI在訊號的重建上,又更健全完整了。

        在DDC通道上,HDMI的傳送端會去讀取儲存HDMI的接收端的E-EDID資料,用來判斷接收端可以接收的訊號種類、訊號格式有哪些。這些資料是很重要的,一旦HDMI端子無法正確交換這些資料,就不會有HDMI訊號傳送了,另外,也會影響到可輸出的解析度,例如原本DVD播放機可以輸出HDMI 1080i的訊號,當EDID有錯誤時,就不能輸出了。最後CEC通道,CEC在HDMI的訊號的傳送裡,其實是不需要的,也就是說HDMI設備們可以選擇要不要用到這個通道,CEC通道的主要目的是讓一個HDMI設備可以去控制其他的HDMI設備,有點像iLink的控制功能,因此可以衍生出來的功能便有一鍵播放(One touch play)、控制選台器、抓取設備系統資料等等,不過目前筆者還沒真正看到此CEC通道的運用。以上是HDMI最初版的大概內容,因為HDMI後續發展的版本眾多,筆者在這先讓讀者了解HDMI規範的根本,接下來要描述更多的HDMI規格,會著重在版本的不同之處,可以讓讀者們知道自己的設備可以支援到哪些HDMI的功能。

HDMI 1.1
        在2004年5月20日制訂完成,與1.0版的不同處主要有以下幾項:
第一、將端子的電器特性與尺寸定義的更清楚完整,並且對支援的視訊定義的更嚴謹,主要為Type A端子上的限制,限制只能傳送在規範中的視訊訊號或者EDID裡面有定義的視訊,Type B則無限制。
第二、定義DVD-Audio的支援,並新增控制封包ACP(Audio Content Protection)、ISRC等,以及將InfoFrame與CEC通道定義得更明確。
第三、加入數位內容保護機制(HDCP版本1.10)的描述定義,並在EDID裡,新定義欄位HDMI VSDB,可用來更清楚區分DVI與HDMI的機器。
基本上,HDMI1.1本著1.0的規範,對於視訊種類的支援能力是一樣的,並沒有改變。

HDMI 1.2
        在2005年8月22日完成,與前版的主要不同點如下:
第一、HDMI端子在1.2版有一個新增的音訊支援,就是Super Audio CD,在1.2中將Super Audio CD定義出來,可支援高達八聲道的音訊資料,讓Super Audio CD在HDMI端子上,也得到了發展空間。
第二、移除掉在Type A端子上只能傳送規範中的視訊訊號的限制,如此一來Type A端子也可以自由自在的傳送PC訊號了。當然頻寬還是限制在165Mpixels/sec以下。
第三、對於端子與線材的機構、電氣需求特性規定的更嚴謹清楚。

HDMI 1.2a
        在2005年12月14日提出,主要為完成CEC通道的所有應用層面的定義,包括特色、指令集和相關的相容性測試規定(Compliance Test)。

HDMI 1.3
        在2006年6月22日正式提出,此版本為目前最新的正式版本,有七個特別重要的更新,也是有重大突破的一次改版,筆者在此提出如下:
第一、可攜帶的影音資料頻寬加倍(Higher-speed single-link),因此一個Single Link的端子(如Type A)就可以支援到高達340Mpixels/sec。
第二、新端子Type C迷你端子的出現,此端子Type A端子相同,都是Single Link,只是更小,可用在行動式裝置上如PDA、手機等等。大小及外觀如下所示:
第三、在三種類型的端子上,所有可以動作的功能與可以傳輸的資料皆相同了。再也沒有特定端子才能傳輸特定HDMI訊號的限制了。
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