Для чего HDMI разъем

Мультимедийный HDMI разъем. Все, что вы хотели знать о HDMI, но не знали где и у кого спросить. Поэтому мы представляем здесь обширную подборку информации, касающееся принципов работы стандарта HDMI.

Цель данной статьи – объяснить пользователям принципы работы интерфейса HDMI. Вы должны иметь базовые знания о том, как работает HDMI разъем, чтобы лучше понимать возможные риски и проблемы. Мы не будем рассматривать эволюцию отдельных версий (ревизий) HDMI и то, что они привнесли, поскольку в Интернете есть много ресурсов, посвященных этим вопросам.

HDMI разъем и принцип работы мультимедийного интерфейса высокой четкости

Нас больше интересует общий принцип работы. Как происходит обмен данными, каковы методы проверки, с какими проблемами и рисками можно столкнуться при использовании этого стандарта для подключения аудиовидеоустройств. Также мы вкратце коснемся темы HDMI-кабелей — как необходимого элемента для правильной работы системы. Подробнее о самих HDMI-кабелях вы можете узнать в других статьях нашего сайта.

Оптический кабель HDMI

Терминология HDMI разъем

CEC – аббревиатура от Consumer Electronics Control, при которой один из каналов разъема HDMI предназначен для расширенных функций управления, обычно называемых CEC. Использование производителем функции CEC обеспечивает взаимный контроль между подключенными устройствами. Например, запуск проигрывателя Blu-ray может также включить телевизор. Производители устройств часто описывают функции CEC под собственными системными названиями, представляя их как специфические для конкретного производителя, например BRAVIA Control.

DDC – аббревиатура от Display Data Channel, при которой один из каналов HDMI разъема позволяет оценить возможности устройства, к которому он подключен, для соответствующей настройки параметров сигнала. Например, проигрыватель Blu-ray, использующий DDC, может считывать с чипсета производителя телевизора максимальное разрешение и формат изображения, поддерживаемые данной моделью. Затем он выбирает оптимальный выходной сигнал, соответствующий возможностям подключенного телевизора. Канал DDC является двунаправленным и поддерживает EDID и HDCP.

EDID – сокращение от «Информационные данные расширенного дисплея». Это данные, сохраненные в EEPROM каждого устройства, имеющего порт DVI или HDMI разъем. Устройство-источник проверяет память EDID и считывает информацию, содержащую данные о разрешениях, форматах звука и изображения, частотах или поддержке форматов HDR и так далее. Все конечные устройства, подключенные к HDMI, должны иметь встроенный EDID. Информация, хранящаяся в EDID, передается по каналу DDC с одновременным активацией процесса «квитирования». Задача EDID — предоставить устройствам-источникам информацию о возможностях дисплея. EDID — это всегда односторонняя связь от дисплея к устройству-источнику. Исходное устройство считывает EDID и отвечает соответствующим образом.

Источник — устройство, передающее сигнал HDMI, например плеер, ТВ-тюнер или APPLE TV.

Приемник – устройство, принимающее сигнал HDMI, например телевизор или проектор.

Ретранслятор/усилитель сигнала HDMI, также известный как повторитель HDMI — устройство, которое одновременно принимает и отправляет сигнал HDMI. Это может быть ресивер, разветвитель или усилитель HDMI-сигнала.

TMDS – сокращение от Transition Modulated Differential Signaling, представляет собой технологию передачи данных на высоких скоростях. В системе, где имеется HDMI разъем, данные между приемником и источником сигнала передаются по 4 каналам TMDS. Три из них используются для передачи данных (аудио, видео, вспомогательные данные), а один канал используется для передачи тактовых сигналов.

4K – формат D-Cinema, определяющий разрешение 4096 пикселей по горизонтали и 2160 пикселей по вертикали. В разговорной речи он используется для обозначения потребительских форматов 3840 x 2160 4K, впервые описанных в спецификации HDMI разъем 1.4. Позднее в спецификации HDMI разъем 2.0 оно было названо 2160p и стандартизировано как UltraHD CTA (сокращение от Consumer Technology Association).

ARC — сокращение от Audio Return Channel — это канал, который позволяет телевизору отправлять звук на ресивер, устраняя необходимость в отдельном разъеме SPDIF. Он поддерживает те же аудиоформаты, что и SPDIF, поскольку основан на том же стандарте IEC 60958-1. ARC не поддерживает аудио высокого разрешения и многоканальные форматы PCM. Однако он выпускается в двух версиях: Single Mode и Common Mode. Применяется он, например, для передачи звука из приложений, установленных на телевизоре (например, Netflix), на ресивер.

Single Mode ARC использует один кабель в разъеме HDMI с полосой пропускания, ограниченной 3 Мбит/с, что позволяет передавать форматы 2.0 LPCM и сжатые форматы объемного звучания DTS 5.1 и Dolby Digital. Критичной для работы канала ARC является длина HDMI-кабеля, обычно составляющая 7-8 м для пассивных кабелей.

Common Mode ARC — более совершенный формат, но гораздо менее распространенный. Он основан на той же спецификации SPDIF, но теоретически может достигать пропускной способности 12 Мбит/с. Этого достаточно для поддержки 24-разрядного стереозвука 192 кГц или формата Dolby E-AC-3, известного как Dolby Digital Plus. Более того, он также может передавать MAT (сокращение от Metadata-enhanced Audio Transmission) для систем аудиообъектов, таких как Dolby Atmos.

Kanał zwrotny eARC — канал, представленный в спецификации HDMI 2.1, позволяющий отправлять любой плотный аудиоформат с телевизора на ресивер. Он обеспечивает возможность передавать до 32 каналов 24-битного звука на частоте 192 кГц.

HDCP — аббревиатура High-bandwidth Digital Content Protection, система шифрования, разработанная Intel для защиты авторских прав на аудио-видео материалы во время передачи сигнала между авторизованными устройствами (источник — получатель). Его работа основана на проверке приемника на право получения защищенного контента. Для предотвращения несанкционированного перехвата защищенного контента активизируется кодирование на стороне передатчика и декодирование на стороне приемника. Этот механизм также позволяет выявить устройства, не имеющие права на получение определенных данных. HDCP является требованием стандарта HDMI, и каждое устройство с разъемом должно быть оснащено вышеупомянутыми механизмами. С технической точки зрения это означает необходимость авторизации и обмена ключом шифрования, а также добавления механизма кодирования контента.

Hot Plug Detect (HPD) – функция HDMI разъема, которая позволяет обнаруживать устройство-источник при его подключении к приемнику.

Private Keys — конфиденциальные ключи HDCP, которые никогда не могут быть переданы или раскрыты. Они используются только внутри устройств HDCP во время процесса авторизации. В версии HDCP 1.x они принимают форму 40 (идентификатор устройства), предоставленную компанией DCP (Digital Content Protection LLC). Каждый ключ является 56-битным и должен храниться таким образом, чтобы его нельзя было прочитать (в противном случае устройство потеряет сертификацию HDCP). В версии HDCP 2.2 от закрытых ключей в передатчике отказались, и в каждом приемнике HDCP остались только 1024-битные ключи.

Открытые ключи – находятся как в передатчике, так и в приемнике HDCP, полученные от лицензирующей организации DCP LLC, которыми обмениваются во время авторизации HDCP. В версии HDCP 1.1 ключи называются «Вектор выбора ключа» (KSV), имеют разрядность 40 бит и содержат по одному биту для каждого закрытого ключа (20 бит со значением 1 и 20 со значением 0). В HDCP 2.2 3072-битный открытый ключ находится в передатчике, а 1048-битный открытый ключ — в приемнике.

Комплект для тестирования систем и кабелей HDMI

HDMI разъем — историческая справка

Цифровые интерфейсы, такие как HDM, присутствуют на рынке с начала 2002 года и усовершенствовались по мере развития телевизионного рынка. DVI (сокращение от Digital Visual Interface) предшествовал появлению HDMI и нашел свое применение в основном в мониторах. Спецификация HDMI 1.0 была создана для улучшения разъема DVI и модификации его до меньшего размера. При этом добавилась возможность передачи звука, расширилась цветовая палитра, а также добавилась функция управления потребительскими устройствами (CEC). Спецификация HDMI описывает как физический разъем с точки зрения соединения отдельных контактов, так и метод передачи сигнала по кабелю. Именно этот стандарт стал первым интерфейсом, позволяющим передавать несжатые аудио- и видеосигналы.

HDMI разъем — конструкция

Основная информация о HDMI

HDMI-совместимые приборы можно разделить на три типа: источники, приемники и передатчики/повторители. Каждое устройство имеет один или несколько приемников и/или передатчиков. И он также может содержать как приемник, так и передатчик.

Источник отправляет материал, который будет воспроизводиться приемником. Примеры устройств-источников являются тюнеры спутникового/кабельного телевидения, стримеры и медиа-приставки, проигрыватели Blu-ray и компьютерные видеокарты. Источник может иметь только один передатчик HDMI.

Приемник принимает материал от источника и доставляет его на дисплей для воспроизведения. Примеры реализации HDMI-входов могут служить телевизоры, мониторы и проекторы. Вход HDMI может иметь один или несколько приемников HDCP/HDMI.

Переключатель принимает AV-материал, расшифровывает его, а затем повторно шифрует для окончательной передачи данных. Он также может действовать как регенератор и выполнять обработку сигнала, например преобразование до более высокого разрешения, разделение аудио- видео фрагментов. HDMI-переключатели имеют как входы, так и выходы. Примерами коммутаторов служат AV-ресиверы, которые выводят аудио сигнал, а затем усиливают его, одновременно передавая видеосигнал на телевизор или проектор. Переключатель также может передавать защищенный материал на несколько выходов HDMI для отображения на дисплеях.

Последовательность, инициализирующая связь HDMI

В процессе авторизации блок-источник и ресивер с входом HDMI обмениваются уникальными ключами для определения максимального разрешения (наилучшего формата изображения), правильного аудио формата и соответствия HDCP.

Сам процесс инициирования можно разделить на три отдельных элемента: силовой, тихоходный и высокоскоростной.

Источник питание подтверждает наличие всех устройств. Низкоскоростные протоколы являются наиболее важными, поскольку они идентифицируют приборы, участвуют в процессе оптимизации сигнала и аутентификации при передачи зашифрованных данных. Высокоскоростной этап — это сама передача аудио-видео данных, достигающая скорости до 18 Гбит/с (для HDMI 2.0).

Источник питания

Установление соединения начинается с включения приборов и последующего обнаружения приемным блоком напряжения +5В (допустимый диапазон от 4,7 до 5,2 вольт) на контакте 18 разъема HDMI, которое принимается от источника. Приемный блок отправляет напряжение +5 В обратно на источник на контакте 19, который действует как детектор сигнала HDMI (горячее подключение).

HDMI разъем — низкая скорость

Когда активировано Hot Plug (горячее подключение), источник запросит у приемника свой EDID и в то же время запустит процесс аутентификации HDCP. Приемник отправит свою таблицу EDID с предпочтительными настройками (E-EDID) — разрешением, частотой обновления, аудио-форматы и многое другое.

После считывания EDID и выбора оптимального формата, источник начинает передавать сигнал с изображением, чтобы оно как можно быстрее появилось на экране. Первые 30 кадров не зашифрованы и используются для запуска процесса HDCP. Если передаваемый материал требует защиты HDCP, но идентификация не была завершена — на экране отобразится соответствующее сообщение. А материал, не требующий защиты, например экранные меню, будет отображаться в неизменном виде.

Задача HDCP — гарантировать, что в случае перехвата или прослушивания сигнала во время передачи сам материал не может быть расшифрован. Процесс HDCP начинается с отправки источником своих открытых ключей (HDCP 1.x) или сообщения инициализации (HDCP 2.2) получателю. Получатель отвечает, отправляя открытый ключ вместе с одним битом, который должен быть идентифицирован ретранслятором. Оба устройства затем идентифицируют себя и подключаются с помощью ключей, устанавливая зашифрованное соединение.

Источник использует зашифрованное соединение для защиты аудио-видео контента во время передачи, прочитать который может только авторизованное устройство. Затем источник регулярно время от времени проверяет, правильна ли синхронизация и корректно ли считывает приемник защищенный материал.

HDCP — система защиты от цифрового копирования

Источник всегда имеет контроль над системой HDCP. Расположение соединений между устройствами в системе называется топологией HDCP. Обычно она имеет древовидную (иерархическую) структуру. Каждое соединение «передатчик-приемник» в системе проходит один и тот же процесс аутентификации, но именно источник решает, когда и на какое устройство можно передавать материал.

Иногда HDCP может вызывать проблему, из-за которой устройства не могут установить соединение. Это особенно характерно для приемников высокого разрешения старшего поколения. По данным организации, лицензирующей стандарт HDMI, проблемы чаще всего возникают на источниках. Особенно часто встречаются две проблемы.

Источник должно регулярно отправлять сигнал, запрашивая вход HDMI на ресивере. Даже когда используется другой вход на нашем телевизоре, источник опрашивает неактивный вход, к которому он подключен. Если исходное устройство прекратит опрос или не получит обратной связи, скорее всего, возникнут ошибки аутентификации HDCP, и изображение больше не будет показываться. Этот процесс называется «вечной аутентификацией», и часто, даже не подозревая о его существовании, мы сталкиваемся с тем, что переключив источник на телевизоре и ждем некоторое время, пока появится изображение. В этот момент происходит запрос устройств, участвующих в процессе HDCP.

Вторая проблема — корректная реализация функции HDCP-усилителя в источнике, когда в системе есть прибор, являющееся таким усилителем — например, ресивер домашнего кинотеатра (он принимает сигнал по HDMI и пересылает его). Если реализация неверна, переключение между исходными источниками может привести к ошибкам аутентификации HDCP. В этом случае обычно помогает обновление программного обеспечения на исходном устройстве-источнике.

Спецификация HDCP 2.2 устанавливает определенный лимит на количество приборов в системе. Она позволяет подключить до 4 уровней повторителей HDCP-повторителей и до 32 HDCP-устройств. В более ранних версиях можно было подключить до 128 устройств. Это существенное ограничение для крупных коммерческих установок. Поэтому со временем организация DCP разработала стандарт HDCP 2.2 Pro для ретрансляторов, позволяющий осуществлять прием с последующей передачей AV-сигналов бесконечному числу приемников.

В HDCP 2.2 добавлена функция «проверки местоположения», предназначенная для предотвращения передачи HDMI на большие расстояния. Передатчик отправляет серию случайных чисел (L) на приемник, который должен вернуть правильно рассчитанные значения для этих чисел в течение 20 мс. Если вычисленное значение (L’) не возвращается в течение указанного времени, авторизация HDCP будет немедленно прервана.

Высокоскоростной HDMI разъем

Аудиовизуальный материал перед передачей по трем каналам TMDS в HDMI шифруется по протоколу HDCP. Специально закодированная информация, содержащаяся в кадровых интервалах видеоматериала, содержит данные синхронизации. Приемник, имея данные синхронизации, способен правильно расшифровать передаваемый материал, что сверяется с источником по каналу DDC. Если синхронизация прервана, источник обнаружит это примерно в течение 5 секунд.

EDID

Введение в EDID

Началу передачи сигнала через HDMI предшествуют три процесса: обнаружение физического соединения (Hot plug), Plug and Play (EDID) и защита материала для транспортировки.

EDID был создан VESA (Video Electronics Standards Association) для поддержки функциональности Plug and Play (простота использования). EDID находится в небольшой микросхеме постоянной памяти, называемой EEPROM, в приемнике или на входе повторителя HDMI (например, ресивера или сплиттера). Все приемники HDMI, соответствующие спецификации, должны иметь поддержку EDID. Типичный HDMI EDID состоит из двух блоков по 128 байт.

EDID в приемниках

Как мы описывали ранее, канал DDC имеет низкую скорость (<100 кбит/с). Данные передаются от приемника к источнику через двунаправленную шину I2C вместе с процессами HDCP и проверкой синхронизации часов.

EDID (Расширенные идентификационные данные дисплея) содержит информацию, сохраненную производителем панели или другого приемника, позволяющую, среди прочего, определить: физические размеры монитора, максимальную частоту отклонения по горизонтали и вертикали, точку белого, форматы аудио и видео, задержки синхронизации по губам.

HDMI также предлагает более сложные возможности, называемые E-EDID (от слова Enhanced, что означает «продвинутый»). Этот режим включает в себя не только возможности приёмника, но и предпочитаемый им формат сигнала. Корректная связь между таблицей EDID в приемнике и источником по каналу DDC необходима для корректной работы передачи данных через разъем HDMI.

Для установщика доступа к EDID предоставляется две полезные информации:

1. относительно изучения функций, поддерживаемых дисплеем (телевизора, проектора)
2. дает возможность протестировать оборудование, чтобы проверить, как оно будет работать в системе с источником, знающим его EDID (очень важный подготовительный момент перед установкой)

Возможность узнать о поддерживаемых функциях дисплея очень важна, поскольку технические характеристики и руководства могут быть устаревшими или их даже трудно получить. В такой ситуации самым простым способом является проверка EDID. Прочтение его в доступной и понятной форме, позволяет лучше понять, какие сигналы и в каком виде будет принимать дисплей.

Эмуляция дисплея на основе его EDID также полезна для установщиков. Определение того, является ли ресивер, проигрыватель дисков или HDMI-разветвитель «несовместимым» с устройством отображения. Многие производители спутниковых тюнеров (поскольку они являются наиболее частым источником проблем) обновляют свое программное обеспечение за одну ночь. В результате, проблемы в работе видеосистем вылезают уже на следующий день. Некоторые производители испытательного оборудования (например, MURIDEO) предлагают продукты, позволяющие загружать EDID и эмулировать его в тестовых средах.

EDID в сплиттерах

Данные, считанные из таблиц EDID

Ниже приведены некоторые данные, которые SOURCE считывает из таблиц EDID

Что может пойти не так с EDID?

• Источник HDMI не может прочитать EDID или читает его неправильно.
• Приемник HDMI не поддерживает формат видео, передаваемый источником.
• Источник не выводить видеосигнал или выдает неправильный видеосигнал.
• HDMI-передатчики/переключатели нарушают передачу данных EDID или меняют форматы.
• HDMI-передатчики/переключатели не способны объединять большое количество таблиц EDID с нескольких устройств.
• HDMI-сплиттер имеет постоянно закодированный EDID или получает EDID от первого подключенного устройства.
• Приемник декларирует в своем EDID цветовой режим YCbCr, но поддерживает не все режимы (4:4:4, 4:2:2, 4:2:0), а только один

Требования к пропускной способности

Информация о необходимой пропускной способности имеет решающее значение для работы HDMI-кабелей. Поскольку передача данных происходит через кабели HDMI, они являются «узким местом» в системе передачи контента между передатчиком и приемником. Появление стандарта HDR вместе с доработкой HDMI 2.0 позволило передавать большие объемы данных, доходящие до 18 Гбит/с. Длина кабельной трассы увеличивает количество ошибок, а некоторые решения, используемые производителями кабелей, не обеспечивают кабели соответствующей защитой. Поэтому крайне полезно знать пропускную способность вашего HDMI-кабеля и форматы изображений, которые вы собираетесь отправлять на приемник по этому кабелю.

Проблемы HDMI и их решения

1. Определение проблемы

Чтобы правильно диагностировать причину проблемы, сначала необходимо определить саму проблему. Если мы неправильно предположим, какой аспект системы нуждается в исправлении, будет сложно найти причину проблемы.

Поэтому первый шаг должен включать в себя:

• запись наблюдаемых симптомов
• составление заметок, документирующих все зависимости и переменные, влияющие на работу системы
• рассмотрите источник проблемы: работала ли система когда-либо должным образом? Если да, то что изменилось, кабели hdmi, новые устройства?

2. Выявление причины

Имея базовые знания о том, как работает HDMI, вы, с большой долей вероятности сможете определить причину проблем. Ниже мы перечислили 4 наиболее распространенные проблемы, связанные с подключением HDMI, и их причины.

• мигающее изображение – ошибка HDCP

Если процесс авторизации HDCP завершается неудачно, источник будет постоянно пытаться авторизовать принимающее устройство и передавать незащищенное видео (контент низкой ценности). Процесс попытки одобрения передачи происходит в среднем каждую 1 секунду.

• нет изображения – ошибка горячего подключения

Если напряжение, полученное источником на линии «горячего» подключения, выходит за пределы диапазона, указанного в стандарте (от +2,0 В до +5,3 В), то источник не обнаружит приемник на другой стороне и не инициирует сеанс передачи.

• неверный формат – ошибка EDID

Если EDID неправильно считывается источником из разъема приемника, устройство-источник будет передавать некорректный или низкокачественный сигнал на основании неверной информации о возможностях обработки видеосигнала приемного устройства.

• «Искрение» или «снег» на изображении — проблема физического уровня (HDMI-кабель, розетка, разъем)

Если HDMI-кабель или цифровая схема в устройстве имеют низкое качество или недостаточную пропускную способность, частота битовых ошибок увеличится, и в отображаемом изображении появятся ошибки.

3. Временное решение проблемы

• Инициирование «горячего подключения» путем физического отсоединения кабеля HDMI и его повторного подключения. Эта действие приведет к повторному считыванию EDID и сертификации HDCP.
• Выключите все устройства, а затем по одному включите AV-устройства. Начиная с устройств в конце цепочки соединений, позволяя каждому устройству стабильно считывать предыдущие элементы в цепочке до тех пор, пока не будет включено следующее устройство.
• Включайте повторители только после включения всех предшествующих им устройств и убедившись в их стабильной работе. Как только повторитель начнет работать стабильно, убедитесь, что на принимающем устройстве выбран активный выход и вход.
• Уменьшаем разрешение изображения.

4. Элементы, позволяющие окончательно решить проблему

• замена кабелей HDMI на более высокого качества. Уделите внимание выбору правильных кабелей для передачи. Лучше всего будет проверить и протестировать их перед установкой. если возможно, используйте кабели наименьшей длины.
• используйте устройства коррекции HDMI рядом с гнездами приемника
• добавьте разветвитель HDMI или другое устройство буферизации HDMI между источником и приемником для стабилизации сигнала. Некоторые приемники возвращают +5 В (контакт 18) через контакт Hot Plug (контакт 19 HPD) через резистор 1000 Ом, что вызывает проблемы с идентификацией. Использование буферного устройства между ними, часто позволяет решить проблему.
• заменить компоненты и устройства предыдущего поколения. В этом случае как источники так и приемники получат преимущества от новой версии программного обеспечения и новой ревизии HDCP.
• заменить усилители HDMI
• подключите кабели HDMI к другим разъемам телевизора/ресивера. Порты HDMI часто имеют разные характеристики приема и передачи, поэтому сигнал может вести себя по-разному при подключении к другому разъему.
• обновите программное обеспечение на своих устройствах
• заменить проблемные устройства на другие