Podstawy złączy HDMI

Urządzenia generujące zarówno sygnał wideo, jak i audio mają możliwość wyświetlenia go na wbudowanym ekranie, bądź przesłania do zewnętrznego monitora lub wyświetlacza. Aby to osiągnąć, wymagany jest system kablowy ze zintegrowanymi złączami.

W tej części artykułu przedstawiono ewolucję technologii połączeń na przestrzeni kilku lat (ilustracja 1). Wszystko zaczęło się od wprowadzenia standardu Composite RCA dla telewizorów w 1956 r. Następnie wprowadzono standard S-Video w magnetowidach i komputerach domowych w 1979 r., a w 1987 r. w komputerach PC firmy IBM wprowadzono standard VGA. Następnie w latach 90. zastosowano standard Component RCA i DVI. Z wyjątkiem DVI, standardy te wykorzystywały głównie analogowe połączenia kablowe, umożliwiające transmisję sygnałów audio lub wideo indywidualnie. Zasadniczo zapewnienie kompatybilności operacyjnej wymagało zastosowania wielu kabli.

Ilustracja 1: rozwój złączy audio i wideo na przestrzeni historii (źródło ilustracji: Same Sky)

DVI rozwinęło tę dziedzinę, wprowadzając obsługę cyfrowych sygnałów wideo. Jednak użytkownicy chcący jednocześnie przesyłać zarówno sygnały audio, jak i wideo nadal musieli używać nawet pięciu oddzielnych kabli. Przełom nastąpił wraz z pojawieniem się standardu High-Definition Multimedia Interface (HDMI 1.0) w 2002 roku, który skonsolidował wiele kabli w jednym.

Ta ewolucja sprawiła, że standard HDMI stał się jednym z najbardziej rozpowszechnionych formatów przesyłania sygnałów audio-wideo zarówno w domu, jak i w miejscu pracy. W tym artykule przyjrzymy się bliżej ewolucji standardów HDMI, typom złączy, możliwościom i nie tylko.

Omówienie standardów HDMI

Od momentu powstania w 2002 roku, pierwotny standard HDMI przeszedł kilkanaście aktualizacji, z których każda oferowała ulepszenia, takie jak większa prędkość, zwiększona szerokość pasma, lepsza rozdzielczość, obsługa nowych formatów emisji i wiele rozmiarów złączy.

Standard HDMI 1.0, pierwotnie opracowany przez HDMI Forum, miał na celu uproszczenie plątaniny kabli wymaganych do transmisji audio i wideo przy jednoczesnym zwiększeniu funkcjonalności. Specyfikacja ta określa podstawowe możliwości jednokablowego systemu interfejsu złącza cyfrowego audio i wideo. Z biegiem czasu technologia HDMI ewoluowała, stając się podstawowym interfejsem cyfrowym, bezproblemowo łączącym wyświetlacze ultrawysokiej rozdzielczości z niezliczoną elektroniką użytkową, komputerami PC, urządzeniami mobilnymi, samochodami, komercyjnymi urządzeniami AV i nie tylko.

Najnowsza iteracja standardu, HDMI 2.1, została wprowadzona w listopadzie 2017 roku i obsługuje szereg wyższych rozdzielczości wideo oraz częstotliwości odświeżania, dochodzących do 10K. Dodatkowo obsługuje ona formaty HDR (High Dynamic Range) i zapewnia przepustowość do 48Gbps. Warto zauważyć, że pomimo opisanego postępu, samo złącze fizyczne pozostaje niezmienione.

Tabela 1: rozwój i specyfikacje standardów HDMI (źródło ilustracji: Same Sky)

Popularne typy złączy

Kabel HDMI składa się z wielu ekranowanych skrętek dwużyłowych odpowiedzialnych za przesyłanie sygnału wideo, a także poszczególnych żył dla zasilania, uziemienia i dodatkowych kanałów komunikacji urządzeń o niższej prędkości. Złącza HDMI służą do zakańczania kabla i tworzenia połączeń z używanymi urządzeniami. Złącza te przypominają złącza USB i mają kształt trapezoidalny, z wcięciami na dwóch rogach, aby ułatwić precyzyjne wyrównanie podczas wprowadzania. Standard HDMI obejmuje pięć różnych typów złączy (ilustracja 2):

• Typ A (standardowe): złącze jest wyposażone w 19 wtyków i trzy pary różnicowe oraz posiada wymiary 13,9mm x 4,45mm, przy czym wersja żeńska jest nieco większa. Zapewnia ono elektryczną kompatybilność wstecz ze standardem DVI-D.
• Typ B (Dual Link): złącze posiada 29 wtyków i sześć par różnicowych oraz ma wymiary 21,2mm x 4,45mm. Jest ono przeznaczone do użycia z wyświetlaczami o bardzo wysokiej rozdzielczości, ale nigdy nie było stosowane w produktach ze względu na swoje rozmiary. Zachowuje również kompatybilność elektryczną z poprzednimi wersjami standardu DVI-D.
• Typ C (Mini): mniejsze rozmiary w porównaniu do typu A (standardowego) - mierzy 10,42mm x 2,42mm - jednak posiada te same funkcje. Występuje w konfiguracji 19-wtykowej. Jest przeznaczone do urządzeń przenośnych.
• Typ D (Micro): kompaktowe rozmiary 5,83mm x 2,20mm, 19 wtyków. Jest podobne do złączy micro-USB i przeznaczone do małych urządzeń przenośnych.
• Typ E (motoryzacyjne): posiada wypust blokujący zapobiegający rozłączeniu pod wpływem drgań oraz osłonę chroniącą przed wilgocią i brudem. Przeznaczone do zastosowań motoryzacyjnych. Dostępne są wersje przekaźników ułatwiające współpracę z konsumenckimi produktami audiowizualnymi (A/V).

Wszystkie te typy złączy są dostępne w wersjach męskich i żeńskich, co zapewnia elastyczność dla różnorodnych potrzeb w zakresie połączeń. Mogą mieć konstrukcję prostą lub pod kątem prostym, zarówno w orientacji poziomej, jak i pionowej. Złącza żeńskie są zwykle zintegrowane zarówno z urządzeniami źródłowymi, jak i odbiorczymi. Ponadto łatwo dostępne są adaptery i łączniki umożliwiające stosowanie różnych konfiguracji połączeń. Do zastosowań w wymagających środowiskach dostępne są również wytrzymałe wersje złączy, zapewniające trwałość i niezawodność w trudnych warunkach.

Ilustracja 2: typy złączy HDMI (źródło ilustracji: Same Sky)

Konfiguracje wtyków HDMI

Z wyjątkiem typu B, różne typy złączy HDMI posiadają 19 wtyków. Jednak konfiguracja wtyków dla przenoszonych przez nie sygnałów różni się w zależności od typu. W związku z tym, w ramach określonego typu istnieje kompatybilność wsteczna. Konieczne jest jednak zachowanie ostrożności podczas projektowania lub montażu kabli, aby zapewnić użycie prawidłowej liczby wtyków dla różnych sygnałów. Ponieważ złącza różnych typów nie mogą się ze sobą łączyć, nie występują problemy z łączeniem krzyżowym.

Ilustracja 3 poniżej ilustruje typową konfigurację wtyków typu A. Poszczególne wtyki mogą przenosić sygnały danych, sygnały zegarowe, zasilanie niskiego napięcia, sygnały sterujące, CEC lub HEC.

Ilustracja 3: konfiguracja wtyków HDMI (źródło ilustracji: Same Sky)

Popularne typy kabli

Kable HDMI są oferowane w różnych typach, w tym:

• HDMI kategorii 1 - kable o standardowej prędkości:
  • Standardowy (kategoria 1): podstawowy kabel HDMI
  • Standardowy z Ethernetem (kategoria 1): identyczny jak kabel standardowy, ale zawiera kanał Ethernet
  • Standardowy motoryzacyjny (kategoria 1): spełnia podstawowe wymagania dotyczące kabli, a jednocześnie jest dostosowany do zastosowań motoryzacyjnych
• HDMI kategorii 2 - kable wysokiej prędkości:
  • Wysokiej prędkości (kategoria 2): wykorzystywane do przesyłania sygnałów wideo o wyższej rozdzielczości
  • Wysokiej prędkości z Ethernetem (kategoria 2): podobne do kabli o wysokiej prędkości, ale wyposażone w interfejs Ethernet

Końcowe rozważania dotyczące projektowania

W przypadku urządzeń HDMI konieczne jest staranne rozważenie układu płytki drukowanej w celu ograniczenia przesłuchów i utrzymania integralności sygnału. Należy również zwrócić uwagę na konstrukcje wykorzystujące skrętki dwużyłowe. W kablach wykorzystujących skrętki dwużyłowe mogą występować straty sygnału, szczególnie na odległościach zbliżonych do 50ft (15,24m) ze względu na tłumienie. Aby zwiększyć ten zasięg, można zastosować przedłużacze HDMI, które pozwalają uzyskać odległości dochodzące do 300ft (91,44m).

Ponadto technologia HDMI nie sprawdza się najlepiej w jednoczesnym sterowaniu wieloma urządzeniami. Brakuje w niej możliwości przesyłania wielu sygnałów do oddzielnych urządzeń oraz nie może jednocześnie przesyłać sygnałów audio surround i stereo.

Podsumowanie

Technologia połączeń HDMI stanowi znakomite rozwiązanie redukujące plątaninę kabli i upraszczające systemy, obsługując jednocześnie wysokiej jakości szerokopasmowe sygnały audio i wideo. Ewolucja standardu umożliwiła zwiększenie prędkości przesyłu danych, szerokości pasma oraz integrację istotnych funkcji, takich jak Ethernet. Złącza i kable składające się na ten system są popularne w różnych dziedzinach, w tym w domowej rozrywce, komunikacji w miejscu pracy oraz w sektorach komercyjnych i przemysłowych. Firma Same Sky posiada szereg złączy do gniazd HDMI aby pomóc inżynierom w projektowaniu sygnałów AV.