数字视频信号基础

数字视频信号基础（白皮书）目录引言...................................................................................... - 2 -DVI –Digital Visual Interface ................................... - 4 -HDMI –High Definition Multimedia Interface ... - 6 -DisplayPort ....................................................................... - 8 -SDI –Serial Digital Interface .................................. - 10 -数字视频信号解析.......................................................... - 11 -保持数字信号的完整性 ................................................. - 13 -延长数字视频信号传输距离的解决方案.................... - 15 -数字内容保护(Digital Content Protection) ........... - 16 -内容提要数字视频信号在AV行业内日趋普及。

它和传统的模拟视频信号相比有很多不同，比如性能指标以及对整个信号链路的时基要求等。

本文对数字视频信号的基础知识以及常见的数字视频信号进行了简要的介绍。

同时，还介绍了如何利用眼图来对数字视频信号的完整性进行直观的量化，以及设计数字AV系统时数字视频信号修整功能的重要性。

引言目前的视频市场中，高分辨率的等离子和LCD平板显示器，以及LCD和DLP投影机占据了绝大部分市场份额。

这些显示设备从设计、架构和运行方面来看，本身就是数字化的。

同样地，驱动这些显示设备的信号源，绝大部分也是数字设备，比如计算机、DVD和蓝光播放器、高清数字录像机或DVR机、以及一些AV信号接收器等。

与之相对的是一些采用复合视频或RGBHV等信号接口的传统模拟视频信号源和显示设备，比如VHS录像机、显像管电视机或显示器等。

要想让数字视频信号源通过模拟信号收发器进行传输，必须先将数字输出信号转换成模拟视频信号，这个过程叫做数模转换，即DAC。

在接收端的数字显示设备必须再把这些模拟信号转换成数字信号，这个过程叫做模数转换，即ADC。

每次DAC和ADC 的转换过程中，都会给视频信号带来一些错误和失真。

通过采用全数字传输系统，无需经过ADC和DAC电路，从而避免这类失真和错误的出现。

参见图1。

采用数字信号传输系统时，数字接收器的电路只需要判断出所收到信号中每个数据位的“高”或“低”状态，便可以完整地复原所传输的信号。

这和模拟传输方式不同，在模拟传输链路中，每一级放大都会带来附加噪声，使信号劣化，因而不可能将视频信号完完全全地复原出来。

采用模拟传输方式时，良好的系统设计可以让原始信号得到比较真实的还原，但是这种还原的结果永远不可能和原始信号完全一致。

而采用数字传输方式时，就可以做到完全一致的信号还原。

参见图2。

因此，数字传输方式能够极大地抑制噪声，最大限度地保证视频信号传输和复制的完整性。

视频信号源和显示设备之间，有很多标准的数字信号传输格式，其中包括：●DVI –Digital Visual Interface（数字图像接口）●HDMI –High Definition Multimedia Interface（高清多媒体接口）●DisplayPort（显示端口）●SDI –Serial Digital Interface（串行数字接口）其中有些标准，比如SDI，已经固定沿用了很多年了；而另外一些，比如HDMI 和DisplayPort，则是相对较新的标准，并且其版本标准目前仍在不断升级改良中。

因此，目前尚无法断定这些格式中哪一个能够最终成为专业AV领域的标准格式。

每种格式都有其自身技术优势和特性，能够满足AV领域内某些特定方面的集成要求。

下面我们分别介绍一下这些格式。

DVI –Digital Visual InterfaceDVI和HDMI是基于一个通用的视频信号架构，叫做TMDS，即Transition-Minimized Differential Signaling（最小化传输差分信号）。

一个DVI TMDS连接中包括三个串行数据通道，分别用于传输红、绿、蓝色彩数据，此外还有第四个通道，用来传输像素速率时钟信号（pixel rate clock），从而给三个色彩通道提供同步时基。

每个DVI连接都可以看成是一个数字化的RGB光栅（raster），支持每种颜色8bit深度以及类似模拟RGB信号的消隐间隔。

水平和垂直同步信息位于TMDS的蓝色数据线路上。

所有的TMDS数据和时钟线路都是差分线路，也就是平衡传输方式，通过DVI线缆中的双绞线进行传输。

为了支持不同的分辨率，在DVI接口的规格标准中，每个插头内提供了一到两个视频连接，也就是通常所说的单链（single link）或双链（dual link）。

单链DVI的最大像素速率为165MHz，相当于4.95Gbps，这远高于WUXGA 1920*1200或HDTV 1080p/60的要求，每种颜色深度为8bit。

采用双链DVI可以获得更高的分辨率和更大的色彩深度，双链DVI最高可以达到330MHz的像素速率和3840*2400的分辨率。

DVI接口的规格标准中，还提供了另外两条用于通信的线路，它们在实现设备之间的DVI信号传输方面有着重要的作用。

参见表1。

DDC（Display Data Channel，显示数据通道）是一个串行连接，用于EDID和HDCP通信。

HPD（Hot Plug Detect，热插拔检测）针脚用于进行带电插拔的检测，例如，电脑可以通过这个针脚，来检测显示器的连接与否，无需人工干预。

DVI接口标准规定了两种类型的插头：一种是标准的DVI-D插头，另一种是同时可以传输模拟RGBHV信号的DVI-I插头。

DVI是一种免版税（royalty-free）标准，有DDWG（Digital Display Working Group，数字显示工作组）制定。

自从1999年4月发布该DVI标准的1.0版以后，未曾出现过后续版本。

HDMI –High Definition Multimedia InterfaceHDMI格式继承了DVI中的TMDS视频信号形式，并将TMDS扩展加入了数字音频和控制信息。

HDMI接口将高清视频、音频和控制信息整合在一个紧凑的插头里，因而在消费类AV市场上获得很大成功。

参见表2。

最常见的HDMI接插件是19针的A型HDMI插头，其中包含单个TMDS连接，外加DDC和HPD线路。

它还带有一个5V的供电线。

另外，HDMI插头中还整合了CEC（Consumer Electronics Control，消费类电子产品控制）线路，用于AV系统中多个设备之间的集成控制。

目前的CEC控制协议还仅限于同一厂家产品间的私有协议。

但是所有CEC协议均采用统一的标准，而且各厂家之间已经开始联合开发制定一个统一的标准控制协议。

HDMI插头还有其它类型：B型插头计划支持双链HDMI，但尚未正式启用；C型是一款微型化的插头，设计用于消费类摄像机等便携设备。

HDMI规格标准和许可是由HDMI Licensing.LLC.公司统一管理的。

和DVI不同，HDMI标准历经了多次版本修订演变。

1.0版的HDMI规格标准发布于2002年6月。

目前的标准是HDMI 1.3,发布于2006年8月。

和之前的版本相比，HDMI 1.3中最大TMDS单链时钟速率倍增至340MHz，相当于10.2Gbps，参见表3。

HDMI 1.3的带宽增加，是它可以支持16bit的色彩深度，也就是所谓的深色（Deep Color），支持扩展色彩空间，支持最新的蓝光光盘的高分辨率环绕立体声，视频分辨率最高可达WQXGA 2560*1600。

1.3版的HDMI同时加入了HDCP（High-bandwidth Digital Content Protection，高带宽数字内容保护技术）,这是一个数字版权管理方案，可以防止对数字音视频内容的非法复制。

再往后一个版本的HDMI 1.4最近刚刚发布预告，其具体参数规格目前已经可以采用了。

参见表4。

DisplayPortDisplayPort是一个连接信号源和显示器的免版税的数字接口，用于PC设备厂家代替HDMI接口的低成本形式。

DisplayPort采用不同于TMDS的另一种数字视频传输架构，因而无法直接和HDMI以及DVI兼容。

但是，20针的DisplayPort插头具有类似HDMI A型和C型插头的特性，因而也可以用来传输HDMI信号，从而使设备能够支持HDMI。

参见表5。

比如，如果某个视频源设备仅带有一个DisplayPort插座，但是该设备本身具备输出HDMI信号的能力，那么就可以通过一个DisplayPort转HDMI的适配器，来连接带有HDMI接口的显示设备。

这种特殊的DisplayPort接插件，被称为“双模”（dual-mode）或“多模”（multi-mode），它们会用一个特殊的符号来标识此类接插件：DisplayPort中的视频和音频信号通过四条差分线路传输，每条线路运行在1.62Gbps或2.7Gbps的速率下，因而整体的最大数据速率可以达到10.8Gbps。

和HDMI 1.3版本一样，DisplayPort也能够支持深色（Deep Color）、多通道高解析音频、以及超出WUXGA 1920*1200和HDTV 1080p/60的图像分辨率。

DisplayPort 接口具有一个差分AUX（辅助）通道，用来进行EDID通信，功能类似于HDMI接口中的DDC通道。

除此之外，DisplayPort也包含了一种和HDCP类似的数字版权管理，叫做DPCP（DisplayPort Content Protection，即DisplayPort内容保护）。

除了零注册费的版本之外，DisplayPort还计划通过统一设备的内部和外部连接，比如一个笔记本电脑的主板和显示器之间的连接，来进一步降低成本耗费。

VESA（Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会）在2006年发布了DisplayPort的最初标准。