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Digitale Videoschnittstellen: HDMI/DVI-Schnittstelle

Abstract

Die nachfolgenden Inhalte wurden für eine wissenschaftliche Ausarbeitung an einer Fachhochschule benötigt. Diese musste in Wiki-Syntax erstellt werden - deswegen wurden die Inhalte hier während der Entwicklung zu Arbeits- und Testzwecken gespeichert.

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Digital Visual Interface (DVI) und High Definition Multimedia Interface (HDMI) sind zwei etablierte Schnittstellen zur digitalen Übertragung von Videodaten. Der neuere Standard HDMI bietet darüber hinaus das Feature, über das selbe Kabel zusätzlich auch die dazugehörigen Audiodaten zu übermitteln.

Das Entwicklergremium und viele beteiligte Firmen aus der Industrie forcieren HDMI als neuen, fortschrittlichen Standard besonders im Bereich der Vernetzung von Heimelektronik-Geräten. Die an der Entwicklung und der Verbreitung beteiligten Firmen betonen bei beiden Schnittstellen besonders deren universelle Einsatzmöglichkeiten.

Aus technischer Sicht war eine wesentliche Motivation zur Einführung der digitalen Schnittstellen das Problem der unnötigen Analogwandlung der Signale für die Übertragung (vgl. zu den Vorteilen der volldigitalen Übertragung auch Webers[1]). Um die Vorteile des wenig störanfälligen und verlustlosen digitalen Datentransfer gerade auch im Endanwenderbereich ausnutzen zu können, bedurfte es neuer Verkabelungstechnik, die auch den höheren Bandbreiten von HD-TV und anderer Heimelektronik problemlos gerecht werden sollte.

Diese Ausarbeitung porträtiert die beiden Schnittstellen DVI und HDMI mit ihren Eigenschaften und Besonderheiten und zeigt dabei auch den technischen Aufbau der jeweiligen Verbindungen auf.


Gemeinsamkeiten von DVI und HDMI

Signalübertragung

Sowohl bei DVI, als auch bei HDMI wird bei der Übertragung von Signalen und Daten zwischen zwei unterschiedlichen Typen differenziert. Zum einen werden T.M.D.S. (Transition Minimized Differential Signaling) zur Übertragung der Daten zwischen der Quelle und dem Ziel verwendet und zum anderen DDC (Display Data Channel) zur Verteilung von Monitorinformationen. Die Signalübertragung ist im Gegensatz zum analogen Vorgänger, unter anderem durch die Minimierung der Signalübergänge bei T.M.D.S, weitgehend störungsfrei.


T.M.D.S. Protokoll

Das T.M.D.S. Protokoll (Transition Minimized Differential Signaling) wird zur grundlegenden Datenübertragung verwendet. T.M.D.S. wurde dazu als Standard von der Firma Silicon Image und der Digital Display Working Group entwickelt.

Bei T.M.D.S. wird ein Input Stream codiert und über eine Verbindung übertragen. Die Verbindung besteht aus drei Datenleitungen, sowie einem Taktsignal. Bei hohen Auflösungen können auch doppelte Verbindungen eingesetzt werden, die dann aus sechs Datenleitungen bestehen und sich das Taktsignal teilen. Das Taktsignal verwendet eine zur Videorate proportionale Frequenz.

Pro Kanal und Takt wird ein 8bit langes Wort, codiert mit einem 8B/10B-Codierungsalgorithmus, übertragen. D.h. ein Datenwort mit 8bit Länge wird unter bestimmten Regeln in ein 10bit langes Wort codiert, um einen Gleichspannungsausgleich zu gewährleisten. Es werden so also Interferenzen vermindert und eine stabile Taktrückgewinnung erreicht, was besonders bei längeren oder schlecht abgeschirmten, günstigen Kabeln eine große Bedeutung hat.


Input Stream

Der Input Stream umfasst Video-, Paket- und Kontrolldaten. Die Videodaten bestehen aus den Pixeldaten und umfassen 3x8bit. Die Paketdaten enthalten zusätzliche Daten wie z.B. Audiosamples (nur bei HDMI) oder Infoframes und umfassen insgesamt 3x4bit. Die Kontrolldaten zeigen an, ob es sich beim nächsten Paket um Videodaten oder Paketdaten handelt bzw. dienen auch zur vertikalen und horizontalen Synchronisation. Sie umfassen insgesamt 6bit.

Transmitter

Der Transmitter verarbeitet den eingehenden Input Stream in drei gleichen Encodern.

Encoder

Die drei Datenarten aus dem Input Stream werden im Encoder in drei verschiedene Steuerungsmodi unterteilt:

  1. Video Data
    Die Video Data Periode wird zum Transport der Pixeldaten aus einer aktiven Bildzeile verwendet. Den Video Data Perioden geht eine Control Periode voraus, die anzeigt, dass es sich um eine Videoperiode handelt. Die Codierung der Videodaten erfolgt mittels eines 8B/10B-Codierungsalgorithmus, der die 8bit Videodaten pro Kanal in ein 10bit Wort codiert, was in zwei Phasen abläuft:
    1. Jedes Bit wird entweder mit XOR oder XNOR im Bezug auf das vorausgehende Bit umgeformt, wobei das erste Bit eines Wortes nicht verändert wird. Das neunte Bit zeigt an, welche Umformung als letztes angewendet wurde
    2. Zum Gleichspannungsausgleich können nun die ersten acht Bit noch invertiert werden, was dann im zehnten Bit hinterlegt wird. Dies passiert z.B. dann, wenn zuviele Einsen oder mehr Einsen als Nullen übermittelt wurden.
    Durch eine Wortlänge von 10bit können insgesamt verschiedene 1024 Wörter entstehen.
    • 460 Wörter werden dazu vom Decoder zur Speicherung der 8bit Farbdaten verwendet, für die meisten der 256 Möglichkeiten gibt es also zwei Wörter.
    • 4 Wörter dienen zur Darstellung von Kontrollsignalen (wie z.B. HSYNC und VSYNC).
    • Weitere 560 Wörter dürfen nicht verwendet werden.
    Die Video Data Perioden werden von einem Guard Band eingeführt, das die Erkennung einer neuen Periode verbessern soll. Bei einer Guard Band handelt es sich um ein 10bit langes Muster.
  2. Data Signal
    Das Datensignal unterscheidet sich bei DVI und HDMI. Bei DVI besteht es aus nur einem Signal, das anzeigt ob Control Data oder Video Data übermittelt wird. Bei HDMI ist das Signal wesentlich komplexer und wird im folgenden Abschnitt erläutert.
    1. Data Enabled (DVI)
      Beim Data Enabled Signal (im folgenden Text DE) handelt es sich um ein Signal, das entweder den Status High oder Low annehmen kann und so signalisiert, ob es sich um eine Control Periode oder Video Data Periode handelt.
    2. Data Island (HDMI)
      Die Data Island Perioden werden zum Transport von Paketdaten verwendet. Diese werden mit einem TERC4-Codierungsalgorithmus verschlüsselt. Dieser Algorithmus macht also aus den 4bit langen Wörtern 10bit Wörter. Den Data Island Perioden geht ebenfalls eine Control Periode voraus.
      Die Data Island Perioden werden von einem Guard Band eingeführt, was die Erkennung einer neuen Periode verbessern soll. Nach jeder Data Island findet sich auch noch eine Tailing Guard Band, die eine neue Control Periode einführt bzw. die Erkennung dieser Verbessert.
      Die Data Islands werden in Pakete unterteilt, die jeweils 32 Pixel bzw. 32 Takte lang sind. Ein Data Island Paket ist somit 384bit oder 48Byte groß.
  3. Control
    Die Control Periode umfasst je Kanal 2bit an Informationen, im ersten Kanal sind dies HSYNC und VSYNC zur vertikalen und horizontalen Synchronisation, danach folgenden noch vier weitere Kontrollfelder, die auf zwei Kanäle verteilt sind. Diese 2bit pro Kanal werden über eine Transition Maximised Codierung in 10bit Wörter umgeformt werden. Am Ende einer Control Periode wird angezeigt, ob es sich bei der nächsten Periode um eine Data Island oder Video Data Periode handelt. Dies erfolgt mittels zwei Kombinationen innerhalb der CTLx Werte.
    Eine Control Periode muss als Minimum eine 12 Takte lang sein, sogenannte Extended Control Perioden dürfen 32 Takte nicht unterschreiten und müssen mindestens einen Abstand von 50 Millisekunden aufweisen.


Einfache / doppelte Verbindungen

T.M.D.S. wurde ursprünglich für eine einfache Verbindung mit drei Kanälen für die Grundfarben Rot, Grün und Blau implementiert, die Video- und Kontrolldaten überträgt. Höhere Datenraten erfordern aber eine sogenannte doppelte Verbindung, die insbesondere bei hohen Auflösungen benötigt wird. Die doppelte Verbindung besitzt drei weitere Kanäle, sie teilt sich jedoch dasselbe Taktsignal wie die einzelne Verbindung. Bei der doppelten Verbindung übertragen die drei ersten Kanäle die ungeraden Pixel und die Kanäle vier, fünf und sechs die geraden Pixel.

Decoder

Im Empfangsgerät, der Quelle, ist entsprechend für jeden TMDS Kanal ein Decoder enthalten, der die codierten Signale wieder umformt. Dieser Receiver muss mit der Minimumfrequenz von 25MHz bis zur eignen Maximumfrequenz den Takt anhand des Taktsignals wiederherstellen können. Diese Synchronisation muss innerhalb der 128 nicht sichtbaren Pixel erfolgen.

DDC

DDC wird zur Konfiguration und zum Statusaustausch zwischen der Quelle und dem Ziel verwendet. D.h. die konfiguration und installation des Bildschirmtreibers findet automatisch statt. DVI fordert mindestens das DDC2B Interface zur Übertragung der Monitorinformationen in der EDID (Extended Display Identification Data) Datenstruktur. DDC2B unterstützt eine bidirektionale Kommunikation zwischen Monitor und Grafikkarte.

Weitere gemeinsame Komponenten

DVI

Allgemeine Beschreibung des DVI

Das Digital Visual Interface dient der digitalen Signalübertragung zwischen Monitor und Grafikkarte.

Entstanden ist dieser Standard Ende der 90er mit der immer größeren Verbreitung von DVD-Playern. Die Problematik dabei war, dass nun das Videosignal zwar digital gespeichert wurde, allerdings nur analog übertragen werden konnte. Durch die ständige D/A-Wandlung, bzw A/D-Wandlung musste man einen zusätzlichen Qualitätsverlust in Kauf nehmen. 1999 entwickelte aus diesem Grund die DDWG (Digital Display Working Group), zu deren unter anderem Unternehmen wie Intel Compaq, Fujitsu, HP und IBM zählen, die digitale Schnittstelle. Ein weiterer Vorteil von DVI ist unter anderem, dass dessen Bandbreitenkapazität zur kompressionslosen Übertragung von nativen HD-Videosignalen ausreicht.

DVI kann allerdings nur Videosignale, nicht wie die neuere Variante HDMI auch Audio übertragen, daher wird in der Zukunft diese neuere Variante den alten Standard ablösen.


DVI-Typen

Insgesamt gibt es drei verschiedene DVI-Typen DVI-A, DVI-D und DVI-I.


DVI-A

DVI-A (analog) überträgt nur analoge Signale. Hauptsächlich wird DVI-A als Übergang zum älteren VGA-Standard verwendet, so findet man ein DVI-A Kabel meist als Adapter-Kabel zu VGA oder auch nur die reinen VGA-Adapter. Da DVI-A heute selten vorkommt wird in dieser Ausarbeitung nicht näher darauf eingegangen..

DVI-D

DVI-D (digital) überträgt nur digitale Bildinformationen. Typischerweise kommt DVI-D zum Einsatz, wenn ein hochauflösender Flachbildschirm oder ein Digitalprojektor am PC betrieben werden soll. Im Vergleich zur analogen Übertragung (VGA-Schnittstelle) ist die erreichbare Bildqualität größer. Die DVI-D Anschlüsse unterscheiden sich in der Anzahl ihrer beschalteten Pins.

DVI-I

DVI-I (integrated) überträgt sowohl digitale als auch analoge Video- und Grafikdaten. Auch die DVI-I Anschlüsse unterscheiden sich in der Anzahl ihrer beschalteten Pins.

Entwicklung

Bei der Entwicklung von DVI stand die Idee Pate, eine volldigitale Videoschnittstelle für die Verbindung zwischen Computerdisplay und PC bereitzustellen, die neben dem herkömmlichen VGA-Anschluss ihren Platz findet, ihm gegenüber aber mehrere Vorteile hat.

Die Digital Display Working Group setzte sich dabei vor allem die folgenden qualitativen Ansprüche:

  • Verlustfreie Datenübertragung durch volldigitale Realisierung des Interface (je eine A/D- und D/A-Wandlung zu Übertragungszwecken entfällt)
  • Definition des Standards einfach halten zwecks kostengünstiger Realisierung seiner Implementierungen
  • Den Herstellern von DVI implementierenden Geräten (Computer, Displays) individuellen Freiraum lassen zwecks eigener, anwendungsspezifischer Erweiterungen, die auf dem DVI-Standard aufsetzen[2]
  • Bereitstellung eines Plug-and-Play-Konfigurationsmodus
  • Möglichst geringe Beanspruchung der verfügbaren Bandbreite durch die Overheads der anzusteuernden Displays[3]

Obwohl DVI Standard ist und sich als digitale Schnittstelle etablieren konnte, könnte es bald von HDMI oder DisplayPort verdrängt werden. Das zumindest berichtet das US-Marktforschungsunternehmen In-Stat in einer vielzitierten Studie[4]. In-Stat hat recherchiert, dass DVI im Jahr 2007 in 112 Millionen verkauften Geräten verbaut war, prognostiziert aber für 2011 aufgrund der starken Konkurrenz durch die genannten Alternativen nur noch ca. 3 mio verkaufte Geräte, die DVI anbieten. Ebenfalls auf Recherchen von In-Stat basieren die geschätzten Angaben, dass 2007 fast 90 % der verkauften Digitalfernseher HDMI implementiert hatten – und dass sich die Gesamtzahl 2007 verkaufter, HDMI-fähiger Geräte auf etwa 143 mio belaufen dürfte.

Stecker-Aufbau

Da der DVI-Standard weitgehend auf VESA Standards basiert enthält er unter anderem den TMDS-Standard. Beim Standard TMDS Single Link liegt die max. Bandbreite bei 165 MHz. Bei DVI können zu den drei Kanälen von TMDS drei weitere hinzu kommen, wodurch sich die Bandbreite auf 330 MHz verdoppelt. Dieses so genannte Dual Link Verfahren verteilt die Bandbreite gleichermaßen auf die zwei Links, somit kommt für beide Verbindungen dieselbe Taktleitung zum Einsatz.

DVI-D Stecker

Die DVI-D Anschlüsse sind mit 18 Pins +1 Pin ausgestattet, diese werden als Single Link bezeichnet, oder mit 24 Pins + 1 Pin, diese werden Dual Link genannt. Hier kümmern sich die 24 Pins oder 18 Pins, je nachdem welcher Anschluss gebraucht wird, um die digitalen Bilddaten. Die maximale Kabellänge beträgt 5m. Bei der Verwendung abgestimmter Komponenten können Leitungslängen bis zu 20m realisiert werden. Der DVI-D Single Link Anschluss hat insgesamt 19 Pins, welcher aus 2 Gruppen aus 3x3 Pins und mit einem flachen Pin an der Seite besteht. Diese Konfiguration unterstützt Digitales Video mit der Video Pixel-Rate bis zu 165MHz und alle HDTV Auflösungen bis zu 1080p. Der DVI-D Dual Link Anschluss hat insgesamt 25 Pins. Die Pin Konfiguration ist ähnlich zum DVI-D einfachem Anschluss. DVI-D besteht aus 3 Reihen mit 8 Pins und mit einem flachen Pin an der Seite. Diese Konfiguration unterstützt Video Pixel Raten bis zu 330MHz. Mit der doppelten Bandbreite eines einfachen Anschlusses kann die Konfiguration alle HDTV Auflösungen unterstützen ebenso die hoch auflösenden Computer Graphics und/oder höhere aktuelle Raten[5].

DVI-I Stecker

Auch die DVI-I Anschlüsse haben einen Single Link Anschluss sowie auch einen Dual Link Anschluss. Der DVI-I Anschluss unterscheidet sich zum DVI-D Anschluss darin, dass 4 Pins an dem flachen Pin hinzugefügt worden sind (2 unter und 2 über dem flachen Pin). Bei DVI-I kümmern sich 24 Pins um die digitalen Bilddaten, die 5 an der Seite liefern das analoge Signal. Die 24 Pins sind neben den Leitungen für die reinen Bilddaten die Plug-and-Play-Steuerdaten gemäß DDC enthalten. Insgesamt sind es 23 Pins beim Single Link und beim Dual Link insgesamt 29 Pins. Auch hier beträgt die maximale Kabellänge 5m. Das Limit kann durch hoch performante Hardware bis auf 15 m angehoben werden.

Funktionsprinzip

In dieser Version nicht enthalten


Codierung

In dieser Version nicht enthalten


Farbkomponentenauflösungen

In dieser Version nicht enthalten


Datenübertragung und Datenübertragungsraten

In dieser Version nicht enthalten


Auflösungen

In dieser Version nicht enthalten

HDMI

Allgemeine Beschreibung

Das High Definition Multimedia Interface ist zur Übertragung digitaler Audio-/Video-Signale zwischen verschiedenen Consumer-Elektronikgeräten konzipiert. HDMI bietet eine HD-fähige Bandbreite, so dass die Daten-Streams keiner Datenreduktion unterzogen werden müssen. Deshalb ist die Schnittstelle für den Transfer digitaler Fernsehsignale interessant und wird zunehmend bei neuen Digitalfernsehern zusätzlich zum DVI und den herkömmlichen analogen Schnittstellen (wie z.B. Scart) angeboten. Allerdings ist HDMI auch explizit für die Ansteuerung von Computerdisplays geeignet und bestimmt. Hierbei steht HDMI in Konkurrenz zu Schnittstellen wie USB, VGA und dessen Derivaten, FireWire sowie – auch in diesem Bereich – zum DVI.

HDMI ist bidirektional ausgelegt. Einer der wichtigsten Gründe hierfür ist die wechselseitige Übertragung von Steuersignalen zwischen den verbundenen Heimgeräten.

Die Übertragung von Audiosignalen kann auf bis zu acht Kanälen erfolgen, wobei auf jedem davon PCM-Audio mit 192kHz und 24bit Abtastrate läuft [6] (8-channel digital audio). HDMI unterstützt dabei von Anbeginn wichtige Audiokonzepte wie etwa sämtliche Dolby-Formate (Dolby Digital / Dolby 5.1 audio etc.) [7] sowie DTS-Formate (Digital Theater Systems Mehrkanaltonsystem) mit komprimierten Audiodaten.

Die sieben bei der Entwicklung beteiligten Firmen sind Hitachi, Matsushita, Philips, Silicon Image, Sony, Thomson und Toshiba[8].

Die Filmindustrien, darunter namentlich die Motion Picture Association of America (MPAA), erhoffen sich durch die Einarbeitung des Verschlüsselungsverfahrens HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection) in die HDMI-Übertragungsverfahren effektiveren Schutz ihrer Urheberrechte.

Varianten

Seit der initialen Veröffentlichung des HDMI-Standards als HDMI 1.0[9] wurden in Form von mehreren 1.x-Versionen Verbesserungen des Urstandards implementiert. Die aktuelle 1.x-Version ist HDMI 1.3[10].

Updates von älteren auf die neueste Version der 1.x-Linie sind nach derzeitigem Stand mit Verweis auf den technischen Aufwand solcher Umstellungen vom Entwicklergremium nicht vorgesehen[11].

Die nachfolgende Übersicht gibt nur besonders wichtige Änderungen an, da mit den meisten Aktualisierungen diverse kleinere Modifikationen und Textänderungen in der Spezifikation einhergingen, denen hier jedoch keine besondere Relevanz zugesprichen wird.


HDMI-Version 1.0

Übertragungsfrequenz dieses initialen Standards war 165 MHz, was 4,95 GBit/sec entspricht.

Für HD-Fernsehsignale primär vorgesehenes Videoformat war 1080/p/60. Im Bereich der Computerdisplays werden Auflösungen bis hin zum UXGA-Standard unterstützt[12] (Ultra Extended Graphics Array, 1200/p/>60, vgl. Hottong[13]).

Video:

Subsampling bit/Pixel bit Gesamt
4:4:4 (RGB) 8 24
4:4:4 (YCbCr) 8 36
4:2:2 (YCbCr) 12 36

Anmerkungen zur Tabelle:

  • Auf HDMI dürfen nur RGB 4:4:4, YCBCR 4:2:2 und YCBCR 4:4:4 übertragen werden. HDMI setzt voraus, dass alle sendende und empfangende Geräte zumindest in der Lage sind, mit dem Pixel-Encoding RGB 4:4:4 umzugehen.[14]
  • Die angegebenen Datenwortbreiten[15] für die Videodaten blieben bis einschließlich Version 1.2 unverändert bestehen.


Audio:

max. Kanäle Quantisierung Abtastrate
8 24bit/sample 192kHz


Quelle: http://www.hdtvmagazine.com/articles/2006/07/hdmi_-_a_digital_interface_solution.php

HDMI-Version 1.1

Mit Version 1.1 wurde die Unterstützung für DVD-Audio ergänzt. Da HDMI die Audiodatenübertragung auf bis zu acht Kanälen von Anbeginn unterstützt, erscheint dies konsequent, da DVD-Audio genau zur Wiedergabe solcher Musik im Surround-Sound 5.1 vorgesehen ist[16].
Die Anforderungen an YCBCR-Output wurden gelockert und die Format-Unterstützung um zusätzliche Videoformate erweitert.[17].

Diese erste Aktualisierung des Standards wurde am 20. Mai 2004 veröffentlicht.

HDMI-Version 1.2

Abermals wird ein neues Medium unterstützt: Diesmal ist es die SACD, also die Super Audio Compact Disc. Das Tonträgerformat SACD wurde von Sony und Philips entwickelt. Da beide Firmen im HDMI-Entwicklergremium vertreten sind, verwundert die Unterstützung von SACD bei HDMI nicht. Erstmals erlaubt HDMI im Kontext von Computer-Displayanwendungen die Nutzung des RGB-Farbraums. Version 1.2 erschien im August 2005.


HDMI-Version 1.2a

Wenige Monate später nachgereicht wurde 1.2a im Dezember 2005. Hierin ist die CEC-Funktionalität komplett spezifiziert. CEC steht dabei für Consumer Electronics Control, also die optionale Fernbedienung der HDMI-vernetzten Unterhaltungselektronik [18]. CEC kann dabei die bidirektionale Auslegung von HDMI-Verbindungen für die Steuersignale (beispielsweise "System Standby" / "One Touch Record", usw.) nutzen.

Die neue Version des Standards dokumentiert auch, dass ab gewissen Kabellängen Testvorgänge der Übermittlungsqualität notwendig sind, und führt erstmals eine "Certified Connector List".

HDMI-Version 1.3

Mit Version 1.3 wurde die verfügbare Bandbreite auf 10,2 GBit/sec mehr als verdoppelt. Neue Frequenz ist 340 MHz. Aus Rücksichtnahme auf Geräte, die ihre Videodaten live errechnen, wurde die maximal mögliche Farbtiefe heraufgesetzt. Vor allem die Play Station 3 findet in diesem Zusammenhang oft Erwähnung. Die Dolby TrueHD- und DTS-HD Master-Audioformate werden mit in die Liste der unterstützten Formate aufgenommen (wichtig in Bezug auf die Nutzung der potenziellen DVD-Nachfolger Blu-ray/HD-DVD). Zusätzlich zu den bereits bekannten Steckern führte das Gremium mit diesem bislang aktuellsten 1.x-Release einen kompakteren HDMI-Konnektor ein. Dieser Stecker ist insbesondere für digitale Camcorder gedacht, sowie bei Geräten nutzbar, in deren Umfeld die Abmessungen der Schnittstellen besonders relevant sind.

Video:

Format ggf. bits
1080/p/60 36 bit RGB
1080/p/90
1440/p/x

Auch Computerdisplays nach dem WQXGA-Standard (2560 x 1600 Pixel) können mit 1.3+ angesteuert werden[19]. In dieser bislang höchsten Auflösungsklasse rangieren die 30"-Computerdisplays. Um die neueren Datenraten weiterhin zuverlässig übertragen zu können, wurde mit Version 1.3 zusätzlich eine Unterscheidung der HDMI-Kabel eingeführt. Die bisherigen Verbindungen werden seither als "Standard-HDMI-Kabel" geführt, während die HDMI 1.3-fähigen Kabel mit dem Präfix "High-Speed" verzeichnet sind[20].

Farbtiefe und Bitzahl: Versionsvergleich

Farbtiefe (RGB) Mögliche Farben HDMI <=1.2.x HDMI >=1.3.x
24bit 17M ja ja
30bit 1B ja ja
36bit 69B nein ja
48bit 2800T nein ja

(Datenquelle für die Tabelle: HDTV Magazine online[21])

Die Version 1.3 ist der Entwicklungsstand vom 22. Juni 2006.

HDMI-Version 1.4

Die Standards für HDMI 1.4 werden bereits definiert. Hierbei sollen auch erstmals 3D-Bilddaten übertragen werden können. Auch beschlossen ist bereits, dass die Abmessungen der Stecker sich leider ändern werden.


Stecker-Aufbau und Übertragungskabel

In dieser Version nicht enthalten


In der HDMI Spezifikation werden drei verschiedene HDMI-Stecker Typen unterschieden, Typ A, Typ B und Typ C, die sich jeweils in ihrer Übertragung unterscheiden [22].

  • Typ A ab HDMI Version 1.0.

Der HDMI Typ A basiert auf dem Single Link Verfahren und ist 13,9 mm breit. Die max. Bandbreite beträgt 4,95 GBit/s über 3 TMDS Leitungen und die Datenrate liegt bei 165MHz. Dieser Stecker war bis zur Einführung des Typen C der Standard Stecker.

  • Typ B ab HDMI Version 1.1.

Der HDMI Typ B Stecker basiert auf dem Dual Link Verfahren und ist 21,2 mm breit und verfügt über 29 Pins. Die max. Bandbreite beträgt 10 GBit/s über 6 TMDS Leitungen und die Datenrate liegt bei 165MHz. Dieser hat in der Praxis keine große Bedeutung.

  • Typ C ab HDMI Version 1.3.

Der HDMI Typ C auch MINI HDMI genannt, basiert auf dem Single Link Verfahren und ist bisher der kleinste Stecker, der zu den vorherigen Steckern verwendet werden kann. Er ist 10,42 mm breit. Die max. Bandbreite beträgt 10,2 GBit/s über 3 TMDS Leitungen und die Datenrate liegt bei 340MHz. Zusätzlich zu diesem Typ wurden in der Spezifikiation HDMI 1.3 erstmals zwei Kabel-Klassen eingeführt.

Die von der HDMI Organisation vorgesehene maximale Kabellänge beträgt 15m. Sollen längere Kabel verwendet werden, so müssen diese bessere Hochfrequenzeigenschaften aufweisen, um eine fehlerfreie Datenrückgewinnung am HDMI-Empfänger zu gewährleisten. Lange Übertragungsstrecke ohne Qualitätsverlust Lange Strecken zwischen Geräten und Display bedeuten meist auch Qualitätsverlust.

Auf der CeBIT 2008 wird ein HDMI-Equalizer vorgestellt, der diese Verluste ausgleicht. Wenn die Standardlänge der Übertragungskabel nicht reicht, braucht man eine Verlängerung. Diese liefert der Equalizer, der sowohl mit einem längeren Kabel mit der Quelle – DVD-Player oder PC – verbunden ist, und auch eine verlängerte Verbindung zum Display zulässt[23].

MINI HDMI

Um die Datenrate für HDMI 1.3 weiter zu steigern, wurden zwei Kabelkategorien mit unterschiedlichen Hochfrequenzeigenschaften definiert:

  • Category 1, auch Cat 1 genannt: Cat-1-Kabel übertragen Signale bis zu einer Taktrate von max. 74,25 MHz, was etwa 2,2 Gb/s Datenrate entspricht.
  • Category 2, auch Cat 2 genannt: Cat-2-Kabel sind dazu ausgelegt, Signale zu übertragen, die über einer Taktrate von 74,25 MHz (entsprechend 2,2 Gb/s Datenrate) liegen.

Für die Kategorie 2 wurden von der HDMI Organisation Kabeleigenschaften wie Betriebsspannung, Signallaufzeit- Differenzen, Dämpfung, Übersprechen usw. definiert. Damit wurde sichergestellt, dass auch längere HDMI 1.3 Kabel fehlerfrei funktionieren. HDMI 1.3 ist voll abwärtskompatibel zu den bekannten HDMI Standards und zu DVI. Das heißt, vorhandene DVI-Ausgänge können mit einem simplen HDMI - DVI Adapter bzw. Adapterkabel mit HDMI-Eingängen verbunden werden. Umgekehrt funktioniert es nur mit Einschränkungen. Wenn beispielsweise das Ausgangssignal eines DVD-Players mit dem HDCP-Kopierschutz versehen ist, wird ein Projektor mit DVI-Eingang seinen Dienst verweigern, außer er kann das per HDCP verschlüsselte Signal verarbeiten. Auch muss bei einer DVI – HDMI Verbindung beachtet werden, dass das Ton Signal mit einem zusätzlichen Audio Kabel übertragen werden muss [24]. 

15 mm, 19 pin.

Funktionsprinzip

In dieser Version nicht enthalten


Codierung

In dieser Version nicht vollständig enthalten

  • HDCP

Hinter der Abkürzung HDCP für High-bandwidth Digital Content Protection verbirgt sich ein Schlüsselungssystem, dass den Kopierschutz für Videodaten bei den Schnittstellen HDMI und DVI gewährleistet. Bei HDMI ist dieser Kopierschutz standardmäßig integriert, bei einem DVI Anschluss nur dann, wenn dieser mit dem Zusatz HDCP versheen ist, und/oder wenn es in den technischen Daten aufgeführt ist. Aus der Nutzung des gleichen Kopierschutzverfahrens ergibt sich auch der Vorteil von HDMI bezüglich der Kompatibilität mit DVI, die diesbezüglich damit gewährleistet ist.

Farbkomponentenauflösungen

Bei einer Farbauflösung von 24bit pro Pixel wird der TMDS-Takt mit dem Pixeltakt gleichgesetzt. Da ab HDMI 1.3 auch höhre Farbauflösungen möglich sind, muss hier der TMDS-Takt entsprechend gesteigert werden[25]:

Farbtiefe (RGB) TMDS-Taktrate Pixeltaktrate
24bit 1.0 1:1
30bit 1.25 5:4
36bit 1.5 3:2
48bit 2.0 2:1

Datenübertragung und Datenübertragungsraten

In dieser Version nicht vollständig enthalten

  • DDC (Steuerinformationen)
  • HDMI Audio/Video-Synchronisation


Auflösungen

HDMI arbeitet grundsätzlich auflösungsunabhängig; die beteiligten Devices sollen selbst entscheiden können, in welchem Format sie ihre Daten austauschen.

Die HDMI-Spezifikation legt allerdings aus Kompatibilitätsgründen fest[26], dass zumindest eine der folgenden Videoformate von HDMI-Quellen unterstützt werden sollen:

Auflösung/Bildaufbau Frequenz
640x480p @ 59.94/60Hz
720x480p @ 59.94/60Hz
720x576p @ 50Hz

Geräte, die über HDMI Daten versenden und mindestens eines der folgenden Formate über eine analoge Component-Schnittstelle oder einen volldigitalen Video-Ausgang unterstützen, sollen dieses Format auch über HDMI versenden können:

Auflösung/Bildaufbau Frequenz
1280x720p @ 59.94/60Hz
1920x1080i @ 59.94/60Hz
720x480p @ 59.94/60Hz
1280x720p @ 50Hz
1920x1080i @ 50Hz
720x576p @ 50Hz

In entsprechender Weise gilt für Geräte, die via HDMI Daten empfangen, dass die folgenden Formate auch über das HDMI-Interface empfangbar sein müssen, sofern sie für das betreffende Format eine analoge Schnittstelle oder einen volldigitalen Video-Eingang aufweisen:

Auflösung/Bildaufbau Frequenz
1280x720p @ 59.94/60Hz
1920x1080i @ 59.94/60Hz
1280x720p @ 50Hz
1920x1080i @ 50Hz

Im Übrigen gelten die versionsabhängigen, technisch bedingten Maximalauflösungen:

Die HDMI-Spezifikation empfiehlt zur praktischen Umsetzung des Standards dringend, einen "pass-through"-Modus zu implementieren[27]. Dies ist allerdings keine bindende Anforderung des Standards; das Gremium stellt dies also frei. Im pass-through-Modus soll die HDMI-Datenquelle das Videomaterial unbearbeitet zum Display schicken, ohne Deinterlacing oder Reskalierung. Ausgenommen sind frame-Wiederholungen des Materials zwecks Anpassung an die niedrigste mögliche Bildwiederholrate des Displays. Sollte die direkte Zustellung an das Display unmöglich sein, da dieses das gegebene Format nicht unterstützt, so sollte nach Priorität der bevorzugten Formate umgewandelt werden. Die Priorisierungsliste wird dabei den DTD (Detailed Timing Descriptor) respektive den SVD (Short Video Descriptor) entnommen, wobei die Angaben der DTD erste Priorität haben.

Es kann Fälle geben, in denen der pass-through-Modus nicht angewendet werden kann, da weder das Format von der HDMI-Sink (dem Display) unterstützt wird, noch eine Umwandlung des Formats wie beschrieben möglich ist. Die Empfehlung sieht dann vor, dass die HDMI-Datenquelle das höchstauflösende progressive Format auswählt, welches vom anzusprechenden Display unterstützt wird.

Unterschiede DVI/ HDMI

HDMI ist im wesentlichen DVI mit bestimmten Zusätzen. Diese Zusätze verdeutlichen die Unterschiede von HDMI und DVI.

  • Der größte Unterschied zwischen HDMI und DVI ist, dass HDMI nicht nur die unkomprimierten Video Daten sondern, auch die unkomprimierten Audio Daten auf bis zu 8 Kanälen überträgt.
  • Ein weiterer großer Unterschied ist, dass der HDCP Kopierschutz bei einem HDMI Anschluss bereits integriert ist, dies ist bei einem DVI Anschluss zunächst nicht gegeben. Der HDCP Kopierschutz muss zusätzlich integriert werden.
  • Auch bei der Steckverbindung gibt es einen auffallenden Unterschied. Bei HDMI fallen die Steckverbindungen kleiner aus als bei DVI.
  • Die Übertragung der Videosignale unterscheidet sich insofern, dass bei DVI lediglich nur die RGB und die Synch. Informationen übertragen werden und bei HDMI zusätzlich dazu die YUV Informationen übertragen werden.
  • HDMI unterstützt im Gegensatz zu DVI die CEC (Consumer Electronics Control) Funktionalität.
  • CEA-861B InfoFrames


Quelle: hdmi.org[28]

Quellen

  1. ↑ Webers, Johannes, Handbuch der Film- und Videotechnik, S. 174 "3.6.2.7 Digitale Schnittstellen", Franzis Verlag, Poing 2002, ISBN 3-7723-7117-5
  2. ↑ DVI-Spezifikation, Abschnitt 1.1
  3. ↑ DVI-Spezifikation, Abschnitt 1.2
  4. ↑ http://www.in-stat.com/press.asp?ID=2211&sku=IN0703809MI
  5. ↑ http://www.cs1.net/products/dvi_hdmi_and_hdcp_explained.htm
  6. ↑ http://www.hdmi.org/learningcenter/kb.aspx#16
  7. ↑ http://www.hdmi.org/learningcenter/kb.aspx#37
  8. ↑ http://www.hdtvmagazine.com/articles/2006/07/hdmi_-_a_digital_interface_solution.php#article_container
  9. ↑ http://www.hdtvmagazine.com/articles/2006/07/hdmi_-_a_digital_interface_solution.php#article_container
  10. ↑ http://www.hdmi.org/press/pr/pr_20060622.aspx
  11. ↑ http://www.hdmi.org/learningcenter/faq.aspx#75
  12. ↑ vgl. Vergleichsgrafik zu Auflösungen unter http://www.hdtvmagazine.com/articles/2006/07/hdmi_part_3_-_hdmi_version_13_digital_connectivity_at_its_best.php
  13. ↑ Prof. Hottong, Nikolaus, Script zur Vorlesung DAVT - Hochschule Furtwangen, Fakultät Digitale Medien, Stand WS 2007/2008, Tabelle "Computer-Pixelraster nGA", S. 28
  14. ↑ HDMI-Spezifikation, Abschnitt 6.2.3
  15. ↑ http://www.hdtvmagazine.com/articles/2006/07/hdmi_part_2_-_i_want_my_version_xz.php
  16. ↑ http://de.wikipedia.org/wiki/DVD-Audio
  17. ↑ vgl. HDMI-Spezifikation, Preface » Document Revision History
  18. ↑ http://www.hdmi.org/learningcenter/faq.aspx#94
  19. ↑ vgl. dazu auch die Grafik in http://www.hdtvmagazine.com/articles/2006/07/hdmi_part_3_-_hdmi_version_13_digital_connectivity_at_its_best.php
  20. ↑ http://www.hdmi.org/learningcenter/kb.aspx#49
  21. ↑ http://www.hdtvmagazine.com/articles/2006/07/hdmi_part_3_-_hdmi_version_13_digital_connectivity_at_its_best.php
  22. ↑ http://www.hdtv-praxis.de/modules.php?op=modload&name=PagEd&file=index&topic_id=3&page_id=136
  23. ↑ www.inar.de/blog/cebit-produkte-und-innovation/20080130/home-amp-mobile-solutions-produkte-und-innovationen.html
  24. ↑ http://www.al-kabelshop.de/spezhdmi.html
  25. ↑ vgl. Abschnitt 6.5.2 der HDMI-Spezifikation
  26. ↑ vgl. Abschnitt 6.2.1 der HDMI-Spezifikation
  27. ↑ vgl. HDMI-Spezifikation, Appendix F » Video Scaling Auto-Configuration
  28. ↑ http://www.hdmi.org/learningcenter/faq.aspx#83
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