【技術文章】HDMI Cable & Connector 全面解析

Granite River Labs, GRL
Jeff Hu 胡智鈞

 

          高解析多媒體影音介面(High Definition Multimedia Interface, HDMI)是一種在家電以及 3C 產品上相當普遍的影音傳輸介面,HDMI 支援高解析度視訊以及多通道高傳真音訊,消費者可以從中獲得更好的影音體驗。同時 HDMI 也支援雙向傳輸的 CEC(Consumer Electronics Control)功能,可以用來控制當下透過 HDMI 線纜連接在一起並支援 CEC 協定的裝置,另外也支援 ARC(Audio Return
Channel)功能,顯示器可以利用 ARC 的功能將聲音訊號透過同一條 HDMI 線纜回傳到家庭劇院等裝
置,以減少多餘線材的使用。

          HDMI 線纜是否符合使用者的需求取決於「線材」及「連接器」兩個部分。線材決定線纜的頻
寬,對應到線纜傳送的最高解析度;連接器則決定線纜能夠連接的設備種類。HDMI 線纜能傳輸的資
料量取決於 TMDS 通道上時脈的速度,根據最高時脈上限的不同,可以分為下列四種不同的 HDMI 線
纜規格:

(1) Category 1 cable

(2) Category 2 cable

(3) Premium HDMI cable

(4) Category 3 (Ultra High Speed, UHS) cable

          其中 (1)、(2) 被定義在 High-Definition Multimedia Interface Specification Version 1.4b 中,(3) 被定義在 Premium HDMI Cable Specification 裡,而 (4) 則被定義在 High Definition Multimedia Interface Specification Version 2.1 裡。

 

» HDMI 線纜時脈規格

  • Category 1 cable:最高支援的 TMDS 時脈為 74.25MHz,頻寬為 2.25Gbps,可傳輸 720p/1080i 60Hz 的影像。
  • Category 2 cable:最高支援的 TMDS 時脈為 340MHz,頻寬為 10.2Gbps,可傳輸 4K2K 30Hz 的影像。
  • Premium cable:最高支援的 TMDS 時脈為 594MHz,頻寬為 5.94Gbps,對應到 HDMI 2.1 的最高頻寬,可以傳輸 4K2K 60Hz 的影像。
  • Category 3 cable(UHS Cable):除了 TMDS 模式之外,同時也支援 FRL 模式,頻寬最高可達 48Gbps,可以傳輸8K 60Hz 不經過壓縮處理的影像。

 

          當 HDMI 從 1.3 版更新至 1.4 版時,新增加支援乙太網路功能,讓不同裝置透過其連接的 HDMI
線纜就能共享網路功能,不需要連接額外的網路線。如果支援此功能的線纜,會在名稱之後加註「附
乙太網路」(with Ethernet)的字樣。

          另外,針對「車用線纜」(Automotive)HDMI1.4b 規範有其專有的定義。車用線纜由於使用上
有其限制,因此支援的頻寬較低,最高時脈只到 74.25MHz(Category 1 Automotive),由於考慮到汽車
內部環境通常比室內嚴苛許多,為了能夠承受顛簸、高低溫變化等各項因素,對連接穩定性、抗震、防潮等環境承受度都有一定要求,所以在連接器上會使用機構經過特別設計且尺寸較大的 Type-E 連接器。

 

» HDMI 連接器種類

在連接器部分,HDMI 協會共定義了下列五種:

(1) Type A
為市面上最常見的 HDMI 連接器種類,共設計有 19pin,一般筆記型電腦、DVD 播放器、電視、電腦螢幕等設備上都採用此種類。

(2) Type B
設計有 29pin,頻寬為 Type A 的兩倍。理論上能夠傳輸 WQXGA(2560×1600)的高解析度,但是當時的 HDMI 晶片無法運作在那麼高的時脈速度,所以市面上並沒有產品採用。

(3) Type C
又稱做 mini-HDMI 連接器,為 19pin 的設計,但針腳排列成單排,而且有著比 Type A 稍小的體
積,有時候會在一些薄型筆記型電腦或是電腦螢幕上使用。

(4) Type D
又稱做 micro-HDMI 連接器,同樣為 19pin 的設計。Type D 介面比 Type C 又縮小了大約一半的面積,很適合數位相機、平版電腦等以輕薄短小設計為訴求的可攜式裝置使用,有時候也會在筆記型電腦上看見。

(5) Type E

此種類專為車用線纜設計,有與其他種類相同的 19pin 設計,差別在線纜相連的地方有著機械鎖的設計,能夠在車輛行進中確保連接的穩定性。是一般消費者在市面上不常見到的種類。

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» HDMI 線纜適配器

          在 HDMI 的規格中,規範了了許多線纜及連接器的類型,如表(1)所示,其中 Type B 連接器由於規格設計上的定義,並沒有受到廠商的青睞,目前採用這類型連接器的產品在市面上是看不到的。目前市場上採用 Type C 及 Type D 連接器類型的產品並不普及,多少降低了廠商使用的意願。最主要的原因還是,消費者在市面上購入的大都是採用 Type A 類型連接器的 HDMI 線纜,所以一般帶有Type C 及 Type D 類型的裝置,必須再額外搭配適配器才能轉接上 Type A 線纜,額外的轉接需求會使消費者在使用上覺得不方便。

市場名稱   線纜類別  最大頻寬 線纜適配器
標準 HDMI 線纜  Category 1 2.25Gbps Type A-Type A/C/D
Type C-Type C
標準 HDMI 線纜
附乙太網路 
Category 1 with HEAC
高速 HDMI 線纜  Category 2 10.8Gbps
高速 HDMI 線纜
附乙太網路 
Category 2 with HEAC
標準車用 HDMI 線纜  Category 1 Automotive 2.25Gbps Type E-Type E
Premium 高速 HDMI 線纜  Premium HDMI 18Gbps Type A-Type A/C/D
Premium 高速 HDMI 線纜
附乙太網路
Premium HDMI
超高速 HDMI 線纜  Category 3 48Gbps T

表 1

 

          在 2013 年 HDMI 2.0 規格發佈之後,HDMI 介面能夠乘載的最大頻寬來到了 18Gbps,將近 HDMI 1.4 時期 10.2Gbps 的兩倍。但是 HDMI 2.0 的規格當中並沒有新增線纜規格,因此並不存在坊間俗稱的「HDMI 2.0 線纜」。

          在短距離的訊號傳輸,訊號衰減尚不明顯,理論上選用品質較好的高速 HDMI 線纜就能夠滿足  HDMI 2.0 的頻寬,但是隨著不同的應用出現,造成距離的增加,甚至超過 5 公尺以上,此時訊號衰減造成的影響就會逐漸明顯。

          對此,HDMI 協會提出了「Premium HDMI Cable Certification Program」,除了針對 18Gbps 訊號
有眼圖測試來確保訊號品質,還規範有電磁干擾(EMI)測試,確保線纜不會釋放或是接收過多的雜訊,減少訊號傳輸時的雜訊干擾,有助於較長距離的傳輸。通過認證的線纜,廠商將可以購買附有專屬 QR Code 的防偽標籤(如下圖)。並且可以根據是否附加乙太網路功能在產品外盒上加註。

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          最後,隨著 HDMI 規格的更新,為了提供使用者更大的頻寬,最新的 HDMI 2.1 Fixed Rate Link
(FRL)模式架構下可以傳輸大量的影音資訊。對線材來說,更高的訊號傳輸頻寬要求意味著更嚴格
的品質要求,因此延伸出新的 UHS HDMI 線纜種類與規範。消費者在購買線纜的時候,深入了解自身
需求,配合環境選擇最適合的線纜,才能發揮產品的最大效能。

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作者
GRL 台灣技術工程師 胡智鈞 Jeff Hu

國立成功大學 電機系。擁有三年多 HDMI 之測試經驗,熟悉 HDMI Source/Sink/Repeater/Cable 等測試規範。GRL 技術文章作者及演講講師。

 

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                        發佈日期 2020/05/22 AN-200501-TW