中心議題：
- HDMI與DisplayPort的比較
- 設計HDMI和DisplayPort電路時的挑戰(zhàn)
- HDMI與DisplayPort的系統設計
在過去的幾年間，高速數字視頻接口行業(yè)已經獲得了巨大的發(fā)展動力。1999年推出的數字視頻接口(DVI)為我們今天所見的高速接口奠定了基礎。DVI的用處是從PC傳輸視頻信息至顯示器。當時，LCD顯示器剛剛開始在市場上普及。DVI標準從未真正取代與其性質相同的VGA接口，但至今我們仍然可以在市場上見其蹤影。HDMI源于DVI，但增加了音頻和強制性內容保護。該接口專為消費市場設計，一推出就獲得成功，受到消費市場的熱烈歡迎，并迅速成為數字互聯領域的事實標準。
2006年5月，DisplayPort標準的1.0版推出，標志著行業(yè)中的一個轉折點。DisplayPort與其他標準最大的不同，就是該標準無需版權費。它是一個完全公開的標準，任何人都可以隨意使用，并根據自己的需求對其進行修改。DisplayPort很快擊敗另一個源于DVI的接口標準——UDI(統一顯示接口) ，并在PC市場中受到關注。同時，它也鼓勵了其他相似新標準的推出，如數字高清互動接口(DiiVA)。DiiVA與DisplayPort的基本概念相似，不過DiiVA增加了USB和以太網功能。目前，二者都在中國政府相關部門的考慮范圍內，有可能會成為中國消費類數字接口標準的基礎。
目前市場變幻莫測。USB3.0將數據傳輸速率提升至4.8Gbps，完全能夠傳輸未經壓縮的視頻數據。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，英特爾正在準備推出可提供10Gbps傳輸速率的Light Peak高速光纖技術，能夠將所有接口都統一在其標準中，未來可能達到40Gbps或更高速率。這些標準最終能否徹底取代同樣也在不斷增長的HDMI和DisplayPort現在還不好說，不過今天，先讓我們將目光瞄準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)標準嗎？兩個標準有必要同時存在么？在這篇文章中，我也對帶領大家深入了解它們各自的性能。
鏈路結構
雖然HDMI和DisplayPort看起來有著同樣的功能，又同樣都是高速數字串行鏈接，但是在結構上它們卻完全不同。
物理特性 HDMI和DisplayPort在相同的基礎架構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據，但二者的相同點僅此而已。雖然從外表來看這兩個標準十分相似，但結構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標準現定義了四種連接器，A至D。除了Type B外，其余都是19針。Type C與D針對便攜應用和小體積設備。
兩個標準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通道，所以信號的構架有所不同。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系統中使用一根非HDMI1.4線纜，那么音頻回傳和以太網的功能將會喪失。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據傳輸率的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)。當然，在不同的視頻分辨率、刷新速率以及比特深度下，該數據也有所變化。最高時鐘頻率受特定的HDMI標準控制，但所有HDMI標準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，能夠將鏈路時鐘嵌入至數據流中。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的音視頻數據流從原本的信號傳輸率轉換為固定鏈路時鐘。
數據傳輸
HDMI將信號編碼成三個串行位流，并通過三個差分對傳輸。這些串行位流的數據傳輸率是發(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，其功能是減少躍變數量，同時防止有過長的0或1串出現所導致的DC wandering或信號重同步問題。音頻信號是在視頻行消隱時傳輸的，同時帶有參考值以便音頻時鐘能在接收端恢復。這就對視頻水平消隱期的大小有了嚴格的要求，它必須確保足夠帶寬來傳輸音頻信號。
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與以太網相似，DisplayPort使用一種數據包結構來傳輸數據。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據，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。當鏈路接通時，發(fā)送器與接收器之間互相溝通來決定數據傳輸率和通道數量。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據傳輸率來運作。通常這并不是問題，如果較高數據傳輸率無法工作將導致鏈路不穩(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。
內容保護
所有HDMI 版本都使用高帶寬數字內容保護(HDCP)來加密鏈路數據并提供內容保護。DisplayPort1.0要求使用可選的128-bit AESDisplayPort內容保護(DPCP)，但自1.1版本之后其也開始使用HDCP。
輔助通道 / 數據控制 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通道。
DisplayPort使用AUX(輔助通道)作為設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。AUX同樣可以建立鏈路并進行鏈路培訓來優(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標準。
DisplayPort在設計之初就考慮到了如何減少電磁干擾。該標準使用兩種技巧來達到此目的。首先，利用數據擾頻。它與TMDS相似，能夠幫助減少躍變數量和周期；其次就是擴頻時鐘(SSC)，在固定范圍內調節(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準，并且可以使用更便宜的較細線纜。
互聯互通
既然都源于DVI，且本質上有相同的通信架構和電氣特性，所以HDMI與DVI和DVI-D可以互相兼容。這樣在連接這兩個標準時所需要的線纜在技術要求上就比較簡單。
因為想達到互聯互通，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)內人士定義了協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整。使用該方式可以制造出比較便宜的轉換器。該方法的缺點在于：并非所有的DisplayPort設備都支持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，精確的數據類型和特性都得到了很詳細的描述。而DisplayPort則重視提供基礎鏈路和公開的標準，并不關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、以太網通道、3D支持以及對4k X 2k 分辨率的支持。
DisplayPort1.2把數據傳輸率從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；并添加了對多個音頻模式(Dolby MAT、DTS HD、中國DRA標準)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或以太網數據。具體細節(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影響DisplayPort1.2設備的推廣。
設計HDMI和DisplayPort電路時的挑戰(zhàn)
雖然HDMI和DisplayPort都是數字鏈路，但像其他與現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)一個工作系統時也必須考慮到這點。布線和連接器傳輸效應是削弱低電壓差分信號(用來傳輸數據)的重要因素，PCB設計與發(fā)送和接收設備之間的信號完整性問題也至關重要。不僅如此，兩個標準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，在接收數據前甚至是在時鐘恢復前，必須做好差分對的正負信號分離工作，又稱“眼開”。
圖 1: 眼圖
不論任何系統，如仔細設計發(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到并解碼已關閉的“眼睛”。所有這些都只需差分信號傳輸中的一個細微但可測量的變化。
時鐘恢復 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，重要的是數據。時鐘傳輸通道與TMDS數據通道不同，發(fā)送器與接收器需要密切關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確的時鐘恢復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，而且輸出必須在嚴格范圍內運作。與HDMI電路不同，DisplayPort時鐘嵌入在數據流中，從而降低了對密切關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，減輕傳輸效應的穩(wěn)定時鐘恢復在DisplayPort中更容易實現。
圖 3: DisplayPort發(fā)送器與接收器概括
數據恢復 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數據。由一個HDMI時鐘去采集3路TDMS差分數據。因此，跨通道偏斜可以導致單個時鐘源不能被每個TDMS數據通道所使用。這增加了接收端設計的困難和復雜性，為此必須規(guī)定如何決定每個通道的最佳相位關系。
HDMI的主數據流是視頻數據，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構架。音頻數據接收器本身并不難，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重要。
將時鐘嵌入至數據流中使得DisplayPort能夠有效地減少跨通道偏斜問題，因為這樣時鐘恢復可以口對口的對準每個數據通道。復雜的是將萃取的數據流混合成一個統一的數據流并擁有單個穩(wěn)定時鐘。可以借助FIFO簡單解決這個問題。因為所有數據流通過打包形式傳輸，需要FIFOS重新組建成連續(xù)的數據流。與HDMI接收器相比，這樣做需要更多的硅架構，但是由于電路屬于數字領域，可以很容易地使用硅工藝技術進行壓縮。
系統設計
如今，可以很容易地從重多供應商那里購買到 HDMI與DisplayPort解決方案。硅谷數模半導體（Analogix）是少有的幾家企業(yè)可以同時提供兩種標準的全套解決方案和連接這兩種標準的轉換解決方案。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互通。系統設計師在選擇發(fā)送器或接收器時需要了解它與同一供應商或其他供應商提供的接收或發(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計努力追求最高的互聯互通性，并與其他供應商密切合作，積極參與業(yè)內Plug Test活動。這使得Analogix擁有業(yè)界領先的解決方案，并已以為眾多客戶證明了更強的工作性能。于此同時Analogix還擁有經驗豐富的系統設計師作為后盾，負責優(yōu)化PCB版面設計和系統設計。
互聯互通是非常重要的，但Analogix在其他領域里也有創(chuàng)新。HDMI的天性是高功耗，所以很難結合到低功耗的設備中，如，手機或便攜設備。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備在大屏幕上播放高清內容。發(fā)送器不從便攜設備攝取任何功耗。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，并無需預加重和去加重電路。
Analogix同時還提供業(yè)內僅有的一款真正單芯片DisplayPort至VGA轉換解決方案。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
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組織和版權嚴格控制的標準。它不能成為專有的應用，而且所有的數據結構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備和應用步驟。每年有近10億臺設備的增長量，其標準嚴格地按照客戶及業(yè)界的需求制定，它也被好萊塢、歐洲、日本、韓國和北美采用，作為已經存在的互連互通標準。
從技術角度來說，DisplayPort是更好的，且對于更長和更細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、多數據流和其他數據流是不二的首選。DisplayPort預計將代替VGA接口，而且將漸漸取代DVI和HDMI。從改變中國互連互通標準的角度來講，它開放的結構限制了其進入其他國家的市場。然而，對于需要高速數字互連互通的大范圍嵌入式應用，DisplayPort開放的結構給了它很大的靈活性。
目前，兩個標準將彼此互補共存。在終端市場，HDMI將占有優(yōu)勢；而在IT和嵌入式應用方面，DisplayPort將擁有絕對先機。
