HDMI連接器的基礎知識

作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技術支持工程師

生成視頻和音頻輸出的設備可以選擇將其顯示在板載屏幕上或將信號傳輸到外部監視器或顯示器。為了實現后者，需要具有集成連接器的電纜系統。

本文部分概述了互連技術多年來的演變（圖 1）。它始于 1956 年針對電視引入復合[RCA]標準，隨后于 1979 年在 VCR 和家用計算機中采用 S-Video，并于 1987 年在 IBM PC 中采用 VGA。隨后，在20世紀90年代。除了 DVI 之外，這些標準主要使用模擬電纜連接，從而能夠單獨傳輸音頻或視頻信號。本質上，需要多根電纜來確保操作兼容性。

圖 1：音頻和視頻連接器的歷史發展（圖片來源：[CUI Devices]）

DVI 通過引入數字視頻支持推動了該領域的發展。然而，尋求同時傳輸音頻和視頻的用戶仍然不得不使用最多五根單獨的電纜。 2002 年高清多媒體接口 (HDMI 1.0) 標準的出現帶來了突破，該標準將多種電纜整合為一根。

這一演變推動 HDMI 成為當今家庭和工作場所中最流行的音頻視頻信號傳輸格式之一。本文將仔細研究 HDMI 標準、連接器類型、功能等的持續發展。

HDMI 標準概述

自 2002 年推出以來，最初的 HDMI 標準已經經歷了十幾次更新，每次更新都提供了增強功能，例如更快的速度、增加的帶寬、改進的分辨率、支持新的廣播格式和多種連接器尺寸。

HDMI 1.0 最初由 HDMI 論壇開發，旨在簡化音頻和視頻傳輸所需的混亂電纜，同時增強功能。該規范概述了單電纜、數字音頻和視頻連接器接口系統的基本功能。隨著時間的推移，HDMI 技術已發展成為主要的數字接口，將超高清顯示器與眾多消費電子產品、個人電腦、移動設備、汽車、商用 AV 設備等無縫連接。

該標準的最新版本 HDMI 2.1 于 2017 年 11 月推出，支持一系列更高的視頻分辨率和刷新率，最高可達 10K。此外，它還支持高動態范圍 (HDR) 格式，并擁有高達 48 Gbps 的帶寬能力。值得注意的是，盡管有這些進步，物理連接器本身仍然保持不變。

| | 一代 | HDMI 1.0 | HDMI 1.3 | HDMI 1.4 | HDMI 2.0 | HDMI 2.1 |
| ---------- | ------------ | ----------- | ----------------- | ------------ | ---------------------------------------- |
| 速度 | 4.5Gbps | 9 Gbps | 9 Gbps | 18Gbps | 48Gbps |
| 新功能 | 1080p | 深色 | 4K 30 FPS 和 3D | 4K 60 FPS | 高達 10K、動態 HDR、以太網、可變刷新率 |
| 初始發行 | 2002年12月 | 2006年6月 | 2009年5月 | 2013年九月 | 2017年11月 |

表 1：HDMI 標準進展和規格（圖片來源：CUI Devices）

常見連接器類型

HDMI 電纜由多條屏蔽雙絞線組成，負責傳輸視頻信號，以及用于電源、接地和其他低速設備通信通道的單獨導體。[HDMI 連接器]用于端接電纜并與正在使用的設備建立連接。這些連接器呈梯形，兩個角上有凹痕，以便于插入時精確對齊，與 USB 連接器有些相似。 HDMI 標準包含五種不同的連接器類型（圖 2）：

• A 型（標準）： 配備 19 個引腳和三個差分對，該連接器尺寸為 13.9 毫米 x 4.45 毫米，母頭版本稍大。它具有與 DVI-D 的電氣向后兼容性。
• B 型（雙鏈路）： 該連接器包含 29 個引腳和六個差分對，尺寸為 21.2 毫米 x 4.45 毫米。它旨在與非常高分辨率的顯示器一起使用，但由于其尺寸而從未在產品中使用。它還保持與 DVI-D 的電氣向后兼容性。
• C 型（迷你）： 與 A 型（標準）相比，尺寸更小，尺寸為 10.42 毫米 x 2.42 毫米，但具有相同的功能和 19 針配置。它是為便攜式設備設計的。
• D 型（微型）： 尺寸緊湊，尺寸為 5.83 mm x 2.20 mm，帶有 19 個引腳。它與微型 USB 連接器有相似之處，專為小型便攜式設備量身定制。
• E 型（汽車）： 采用鎖定片設計，可防止振動引起的斷開，外殼可防潮和防塵。針對汽車應用，提供繼電器版本以方便與消費類 A/V 產品連接。

所有這些連接器類型均提供公頭和母頭版本，可靈活滿足各種連接需求。它們可以是直的或直角的，方向可以是水平的或垂直的。母連接器通常集成到源設備和接收設備中。此外，適配器和耦合器易于使用以適應不同的連接配置。對于苛刻環境中的應用，還提供堅固耐用的連接器版本，確保惡劣條件下的耐用性和可靠性。

圖 2：HDMI 連接器類型（圖片來源：CUI Devices）

HDMI 引腳配置

除 B 型外，各種 HDMI 連接器類型均包含 19 針。然而，它們傳送的信號的引腳配置因類型而異。因此，在特定類型內，存在向后兼容性。然而，在電纜設計或組裝過程中必須小心謹慎，以確保不同信號使用正確的引腳號。由于不同類型的連接器不能相互插接，因此不會出現交叉連接問題。

下面的圖 3 顯示了典型的 A 型引腳配置。各個引腳能夠傳輸數據信號、時鐘信號、低壓電源、控制信號、CEC 或 HEC。

圖 3：HDMI 引腳配置（圖片來源：CUI Devices）

常見電纜類型

HDMI 電纜有多種類型，包括：

• HDMI 類別 1 – 標準速度電纜：
  • 標準（類別 1）：基本 HDMI 電纜
  • 標準以太網（類別 1）：與標準電纜相同，但包含以太網通道
  • 標準汽車（類別 1）：滿足基本電纜要求，但針對汽車應用量身定制
• HDMI 2 類 – 高速電纜：
  • 高速（類別 2）：用于傳輸更高分辨率的視頻信號
  • 高速以太網（類別 2）：與高速電纜類似，但配備以太網功能

最終設計考慮因素

在涉及 HDMI 設備的 PCB 布局中，仔細考慮對于減輕串擾和保持信號完整性至關重要。還應注意采用雙絞線的設計。使用雙絞線的電纜可能會因信號衰減而丟失信號，尤其是在接近 50 英尺的距離上。為了擴展此范圍，可以使用 HDMI 延長器，使距離可達 300 英尺。

此外，HDMI 技術并不適合同時驅動多個設備。它缺乏將多個信號傳輸到單獨設備的能力，并且不能同時傳輸環繞聲和立體聲音頻信號。

結論

HDMI 連接技術是一種出色的解決方案，可以理順雜亂的電纜并簡化系統，同時容納高質量、高帶寬的音頻和視頻信號。標準的演變促進了數據傳輸速度、帶寬以及以太網等重要功能集成的增強。構成該系統的連接器和電纜廣泛應用于家庭娛樂、工作場所通信以及商業和工業領域等各個領域。 CUI Devices 擁有一系列[HDMI 插座連接器]，可幫助工程師滿足 AV 信號設計需求。

審核編輯 黃宇