劉力：高級工程師；畢業于清華大學無線電系，后進入中國科學院自動化研究所工作；曾參加國家重點科技項目的研發，現任北京利國電子公司總經理。聯系作者：liguo@liguo.com.cn
現在數字信號的應用越來越多，但許多用戶對數字信號本身的一些特點及在應用中的一些特殊性沒有清楚的認識，因此實際使用中會遇到許多新的問題，由于數字信號應用是近年來才出現的新方式，包括生產廠家，研發人員對數字信號本身及應用中出現的問題也不是一下就能全部了解，有一個“摸著石頭過河”的過程，這也給產品的工程應用造成了許多麻煩。北京利國電子公司在這個行業中進入的比較早，而且所有產品都是自主研發的自主產權的產品，在產品研發和應用過程中遇到過許多問題，實話說，也交了許多學費，不敢說都明白了，但多少對這些領域有了一些了解。近幾期文章中，想就數字應用中的許多問題作一些解釋，希望能讓用戶了解，有哪些問題是數字信號本身就具有的，有哪些是一些廠家混淆概念造成的，當前的技術水平能到什么程度，在使用中該如何設計等問題。文章中包括如下一些內容，如同行們在應用中有哪些疑問，可與我們聯系，那時在文章中可著重說明一下。文章主要有五個部分。
第一部分：數字信號自身的特點
VGA信號與DVI信號、HDCP信號、HDMI信號MiNi-HDMI(包括1.3，1.4信號)、DP信號、視頻信號與SDI/HDSDI信號，以及信號中的視頻信息、數據信息與控制信息，兼容問題，數字診斷包應用，重建時間等。
第二部分：分配器的應用問題。包括EDID信號本身，EDID的學習，EDID的集合，EDID的COPY。
第三部分：數字信號的傳輸問題。
● 電纜方式：包括本身的驅動能力，利用中繼延長，電纜本身的特性，包括芯線的粗細，級聯中的問題，長度要求，接頭焊接要求等。
● 網線傳輸：傳輸的特點，對網線的要求，傳輸距離，屏蔽問題，接地要求等。
● 光纖傳輸：傳輸的特點，單/多模原理，單纖/多纖的原理，波分/數字疊加，對光纖要求，光纖設備應用中滿載功率供電的問題，光的分配與切換問題，光的中繼問題。
第四部分：信號的格式轉換
● 模擬與數字的轉換，帶寬損失，信息損失，自動識別的誤差。
● 數字信號之間的轉換，DVI與SDI，DP。
● 分辨率轉換Scaler的問題。
第五部分：數字切換問題，包括光矩陣的問題
● DVI/HDMI的切換。
● SDI/HDSDI的切換。
● 現行數字矩陣的規模，芯片的極限。
● 多媒體切換，DVI核心與SDI核心，DP核心，分辨率及信號格式的轉換，光/電的轉換。
● VGA核心的切換。
一、數字信號自身的特點
1、SDI/HD-SDI信號
該類信號是以原廣電行業中Video信號進化來的，是一路串行的數字信號，其碼流按照SMPTE 292M/259M中的規定，支持270Mbit/s，360Mbit/s，540Mbit/s以及1.485Mbit/s，以SMPTE259M標準為例，在標清情況下(720×576)對Video信號進行8bit 4:2:2采樣，Y采樣時鐘為13.5Mhz U/V采樣時鐘是6.75Mhz，對應的亮度寬度帶是6Mhz，得到的是13.5 Mhz+6.75Mhz+6.75Mhz＝27Mhz的并行8bit數據，再采用最小非歸零(TMDS)編碼，(相當于將8bit并行變成10bit的串行)，得到的是270Mbit/s的串行數字，如果對16:9顯示比例的Video圖像，由于行的長度增加，因此采樣的點數增加，串行碼流達到360Mbit/s。540Mbit/s的來源不清，(看起來是360Mbit/s×1.5＝540Mbit/s，難道是16:9的圖像按照8bit·4:4:4采樣得到的？)一般SMPTE259M的標準只給出了270M和360M的標準。
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高清(1920×1080)SMPTE292M標準，得到的是HD-SDI標準，其對應的亮度帶寬Y＝30MHZ，分量(不用U/V表示，用CbCr以示區別)為15MHZ，Y的采樣時鐘為74.85M，經過采樣再經過8bit到10bit的并/行轉換，得到的HD-SDI碼流為 74.25×10+74.25÷2×10×2＝1.485G。因此一般的SDI/HD-SDI標準我們采用的是SDI：SMPTE259M，270M/360M和HD-SDI：SMPTE292M/1.485G，這一點在后面到的SDI矩陣以SDI為核心的多媒體矩陣中有重要意義。
總結：SDI/HD-SDI是針對標清/高清Video信號的單路串行信號，(其中音頻信號一般情況下，我們不是很關心)，其起源是8bit·4:2:2 Y/U/V采樣，是Y/U/V色域其傳輸距離用同軸電纜SDI可達300M，HD-SDI可達100M，包含幾種分辨率如：480i、576i(SDI)、720p、1080i、1080p(HD-SDI)。
2、DVI信號
DVI信號是與VGA信號一致的，在顯卡中，將并行的8bit RGB信號直接經過并/串轉換，形成的是DVI信號，而經過D/A轉換則形成VGA信號。因此可以理解為：DVI信號是數字形式的VGA信號，其分辨率眾多，符合VESA標準，其碼流是與分辨率和場頻有關的，是在該分辨率和場頻時像素時鐘的10倍(像素時鐘是在8bit并行時的時鐘，經過8bit到10bit的并/串轉換)，下面是幾種典型情況下的像素時鐘。
新的DVI標準也支持了視頻信號如720p、1080p，DVI支持1600×1200×60。
在DVI信號中，除了有顯示用的RGB信號，由于碼流較快，還要傳輸像素時鐘的信息，它利于接收端反向生成并行RGB的信號。因此，DVI信號是四路串行的高速碼流。
由于要面對眾多分辨率以及IT行業中的許多需求，DVI信號中不僅僅包括供顯示用的RGB信號和時鐘信息，還包含了許多數據信息和控制信息等數據包，控制信息用于控制當前傳輸的信息是RGB信號還是數據信號，而數據信息中包括有：數字音頻信號，輔助數據和信息等。DVI信號的接口形式如下圖
DVI的接口形成如下圖：
DVI-D Receptacle connector
DVI-I Receptacle Connector
pin1-TMDS Data 2- pin12-TMDS Data 3- pin22-TMDS Clclk Shielld
pin2-TMDS Data 2+ pin13-TMDS Data 3+ pin23-TMDS Clock+
pin3-TMDS Data 2/4 Shield pin14-+5V Power pin24-TMDS Clock-
pin4-TMDS Data 4- pin15-Ground pinC1-Analog Red Video Out
pin5-TMDS Data 4- (+5V,Analog H/V Sync) pinC2-Analog Green Video Out
pin6-DDC Clock pin16-Hot Plug Detect pinC3-Analog Blue VIDEO UT
pin7-DDC Data pin17-TMDS Data 0- pinC4-Analog Horizontal Sync
pin8-Analog Vertical Sync pin18-TMDS Data 0+ pinC5-Analog Common Ground
pin9-TMDS Data 1- pin19-TMDS Data 0/5 Shield Return(R,G,B Video Out)
pin10-TMDS Data 1+ pin20-TMDS Data 5-
pin11-TMDS Data 1/3 Shield pin21-TMDS Data 5+
從圖中可看到，除了有7組平衡的TMDS通道外(通道0、1、2和C組成單鏈路DVI通道，最大碼流達1.65G，如果加上通道3、4、5則形成雙鏈路通道，最大碼流可達3.3G，目前雙鏈路的情況應用的很少，分辨率可達2048×1526等)，還包括有DDC通道與HOT plug通道，而DDC通道中的EDID數據主要用于描述設備特性，包括接收端本體的分辨率兼容分辨率等特性。
總結：DVI信號是由VGA信號演化，為RGB色域，8bit·4:4:4形成，至少包括四路高速串行碼流及若干輔助信號，比如Y/U/V為基礎的SDI信號帶寬色彩要好，但傳輸要復雜和困難的多，驅動能力在1,600×1,200時只有5-7米。
3、HDMI信號
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HDMI信號是新形成的信號格式，由DVI信號發展而來，因此全面向下兼容單鏈路DVI信號。
DVI信號與HDMI信號的管腳對應，是在8bit·4:4:4的RGB信號基礎上，比DVI信號增加了許多新的特性，除了有DDC通道EDID數據外，還增加了HDCP信號以及CEC通道，并且在EDID數據中也增加了大量的內容，下面就幾種新問題解釋一下：
1) 顏色空間：HDMI顯示時，可按照RGB色域進行顯示，也可按照Y/U/V色域進行顯示。
2) 音頻特性：在傳輸的音頻信號中，有幾個聲道，是按那種頻率進行的采樣等信息，以便后端的恢復。
3) Deep Color：RGB信號可按8bit顯示，也可按10bit、12bit顯示，因此可傳輸更高質量的圖像，但此時的數據碼流要加大，最大到2.25G。
4) 最大分辨率支持1,600×1,200×60，1,920×1,080×60，1080p等。
5) HDCP:是一種加密協議，防止數據傳輸過程中被破壞和截取，也是通過DDC通道進行，但其要求該通道是一種雙向通道，即前端與后端互相發送和交換密鑰，然后使用計算過的密鑰對數據進行加密傳輸。
6) CEC通道：傳輸家用電器的互聯互控協議，目前與本行業關聯不大。
7) MiNi-HDMI：只是將標準的HDMI接口改換成MiNi-HDMI接口，用于手機，相機等行業，與本行業關系不大，如果要用只需簡單的轉換。
8)HDMI標準：HDMI出現之后，出現了連續的升級，從1.1版1.2、1.3到1.4版本，但其本質上沒有變化，其中(1.4最新版)部分只是增加了DeepColor和最高分辨率，音頻回送，網絡聯接等內容，提高了傳輸速率，如1.3標準時碼流最大可達10.2G，而這些內容短期我們也用不上，針對當前的常用分辨率目前1.1版1.2、1.3和1.4版本我們都能用，如果大家對1.4版本有興趣，可查看資料。HDMI信號是在DVI信號上發展而來，針對DVI信號驅動能力弱的缺點有所提高，HDMI信號在1080p情況下，標準電纜可15米以上。
總結一下：HDMI信號在“加大了的”DIV信號，如果我們不考慮HDCP以及音頻和色域等因素，大可以將HDMI信號與DVI信號混用(針對本行業)，如將DVI信號通過HDMI的設備以便得到更好的驅動能力和設備體積及價格。
4、DisplayPort(簡稱DP)信號
這是IT行業針對HDMI標準生成的標準，其產生的原理與HDMI/DVI不同，在HDMI/DVI，高速碼流是與分辨率和場頻有關的，是像素時鐘的10倍，而在DP標準中，是采用了Micro-Packet Archi lecture(微封包)技術，采用定頻傳輸，單線碼流為1.6G或2.7G，最大碼流10.8G，DP1.1標準支持單通道，單向四線連接，同時含有1M的雙向控制通道，支持8bit、10bit和12bit彩色等，有可能取代DVI與HDMI。
DisplayPort的技術優勢
1) 高帶寬。根據碼流情況，利用單線/雙線/四線傳輸，碼流最大可用2.7G×4=10.8G，因此，它可提供的帶寬比HDMI 1.3所提供的帶寬(10.2Gb/s)要高。 DisplayPort可支持WQXGA+(2,560×1,600)、QXGA(2,048×1,536)等分辨率及30/36bit(每原色10/12bit)的色深。
2) 最大程度整合周邊設備。和HDMI一樣，DisplayPort也允許音頻與視頻信號共用一條線纜傳輸，支持多種高質量數字音頻。但比HDMI更先進的是，DisplayPort在一條線纜上還可實現更多的功能。在四條主傳輸通道之外，DisplayPort還提供了一條功能強大的輔助通道。該輔助通道的傳輸帶寬為1Mbit/s，最高延遲僅為500μs，可以直接作為語音、視頻等低帶寬數據的傳輸通道，另外也可用于無延遲的游戲控制。
3) 內外接口通吃。目前DisplayPort的外接型接頭有兩種:一種是標準型，類似USB、HDMI等接頭；另一種是MiNi型，主要針對連接面積有限的應用，比如超薄筆記型電腦。兩種接頭的最長外接距離都可以達到15米，雖然這個距離比HDMI要遜色一些，不過接頭和接線的相關規格已為日后升級做好了準備，即便未來DisplayPort采用新的2X速率標準(21.6Gbit/s)，接頭和接線也不必重新進行設計。[Page]
4) 內容保護技術更可靠。并不像HDMI、UDI那樣采用HDCP，而是使用Philips為DisplayPort制訂的一套內容防拷協議，該技術基于128位高速加密引擎，采用標準密鑰交換方法，支持標準的RSA認證，提供高達2,048位的密鑰長度，保護技術比HDMI的HDCP更加可靠。當然，DisplayPort的架構更富彈性，廠商也可根據需要選擇其他內容保護協議。
5) DP比HDMI的分辨率更高，屬于專業設備輸出/輸入接口，是比較罕見的接口一般的顯示器和電視都沒有，在電腦顯示器上一般看不出HDMI與DP的差別。
6) DP與HDMI的優劣比較：
①HDMI時鐘與分辨率有關，并且占用一條通道傳輸時鐘，在芯片恢復時鐘時比較麻煩，成本較高，而DP采用定頻，有1.6G和2.7G兩種時鐘，傳輸時不單占用時鐘通道，只需發若干時鐘特定的信息包，芯片中時鐘恢復較方便。成本低。
②HDMI組織收取費用，如HDMI，1.5萬美元/年，HDCP, 1.5萬美元/年，每一芯片收0.04美元等，而DP是一個開放的標準，不收費，因此將來設備成本低很多。
③DP可根據實際碼流決定用1線、2線、4線傳輸，也就是說，如果碼流不高(如1080P/1.485G，RGB信號總共4.5G左右，雙線就夠了)可用一條DP電纜傳輸幾路信號，這確實是很誘人。
④DP輸出芯片可判斷后續設備是否支持DP或HDMI或DVI，并可根據情況，將輸出改為DP或HDMI或DVI等形式，這對兼容應用很有利。
⑤目前，DP應用不太多，因為芯片出的不多，價格也較高，眼前看來，DP并不比HDMI占多大優勢，但將來估計DP會比HDMI更有應用，目前不作重點介紹。(未完待續)