刘力：高级工程师；毕业于清华大学无线电系，后进入中国科学院自动化研究所工作；曾参加国家重点科技项目的研发，现任北京利国电子公司总经理。联系作者：liguo@liguo.com.cn
现在数字信号的应用越来越多，但许多用户对数字信号本身的一些特点及在应用中的一些特殊性没有清楚的认识，因此实际使用中会遇到许多新的问题，由于数字信号应用是近年来才出现的新方式，包括生产厂家，研发人员对数字信号本身及应用中出现的问题也不是一下就能全部了解，有一个“摸着石头过河”的过程，这也给产品的工程应用造成了许多麻烦。北京利国电子公司在这个行业中进入的比较早，而且所有产品都是自主研发的自主产权的产品，在产品研发和应用过程中遇到过许多问题，实话说，也交了许多学费，不敢说都明白了，但多少对这些领域有了一些了解。近几期文章中，想就数字应用中的许多问题作一些解释，希望能让用户了解，有哪些问题是数字信号本身就具有的，有哪些是一些厂家混淆概念造成的，当前的技术水平能到什么程度，在使用中该如何设计等问题。文章中包括如下一些内容，如同行们在应用中有哪些疑问，可与我们联系，那时在文章中可着重说明一下。文章主要有五个部分。
第一部分：数字信号自身的特点
VGA信号与DVI信号、HDCP信号、HDMI信号MiNi-HDMI(包括1.3，1.4信号)、DP信号、视频信号与SDI/HDSDI信号，以及信号中的视频信息、数据信息与控制信息，兼容问题，数字诊断包应用，重建时间等。
第二部分：分配器的应用问题。包括EDID信号本身，EDID的学习，EDID的集合，EDID的COPY。
第三部分：数字信号的传输问题。
● 电缆方式：包括本身的驱动能力，利用中继延长，电缆本身的特性，包括芯线的粗细，级联中的问题，长度要求，接头焊接要求等。
● 网线传输：传输的特点，对网线的要求，传输距离，屏蔽问题，接地要求等。
● 光纤传输：传输的特点，单/多模原理，单纤/多纤的原理，波分/数字叠加，对光纤要求，光纤设备应用中满载功率供电的问题，光的分配与切换问题，光的中继问题。
第四部分：信号的格式转换
● 模拟与数字的转换，带宽损失，信息损失，自动识别的误差。
● 数字信号之间的转换，DVI与SDI，DP。
● 分辨率转换Scaler的问题。
第五部分：数字切换问题，包括光矩阵的问题
● DVI/HDMI的切换。
● SDI/HDSDI的切换。
● 现行数字矩阵的规模，芯片的极限。
● 多媒体切换，DVI核心与SDI核心，DP核心，分辨率及信号格式的转换，光/电的转换。
● VGA核心的切换。
一、数字信号自身的特点
1、SDI/HD-SDI信号
该类信号是以原广电行业中Video信号进化来的，是一路串行的数字信号，其码流按照SMPTE 292M/259M中的规定，支持270Mbit/s，360Mbit/s，540Mbit/s以及1.485Mbit/s，以SMPTE259M标准为例，在标清情况下(720×576)对Video信号进行8bit 4:2:2采样，Y采样时钟为13.5Mhz U/V采样时钟是6.75Mhz，对应的亮度宽度带是6Mhz，得到的是13.5 Mhz+6.75Mhz+6.75Mhz＝27Mhz的并行8bit数据，再采用最小非归零(TMDS)编码，(相当于将8bit并行变成10bit的串行)，得到的是270Mbit/s的串行数字，如果对16:9显示比例的Video图像，由于行的长度增加，因此采样的点数增加，串行码流达到360Mbit/s。540Mbit/s的来源不清，(看起来是360Mbit/s×1.5＝540Mbit/s，难道是16:9的图像按照8bit·4:4:4采样得到的？)一般SMPTE259M的标准只给出了270M和360M的标准。
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高清(1920×1080)SMPTE292M标准，得到的是HD-SDI标准，其对应的亮度带宽Y＝30MHZ，分量(不用U/V表示，用CbCr以示区别)为15MHZ，Y的采样时钟为74.85M，经过采样再经过8bit到10bit的并/行转换，得到的HD-SDI码流为 74.25×10+74.25÷2×10×2＝1.485G。因此一般的SDI/HD-SDI标准我们采用的是SDI：SMPTE259M，270M/360M和HD-SDI：SMPTE292M/1.485G，这一点在后面到的SDI矩阵以SDI为核心的多媒体矩阵中有重要意义。
总结：SDI/HD-SDI是针对标清/高清Video信号的单路串行信号，(其中音频信号一般情况下，我们不是很关心)，其起源是8bit·4:2:2 Y/U/V采样，是Y/U/V色域其传输距离用同轴电缆SDI可达300M，HD-SDI可达100M，包含几种分辨率如：480i、576i(SDI)、720p、1080i、1080p(HD-SDI)。
2、DVI信号
DVI信号是与VGA信号一致的，在显卡中，将并行的8bit RGB信号直接经过并/串转换，形成的是DVI信号，而经过D/A转换则形成VGA信号。因此可以理解为：DVI信号是数字形式的VGA信号，其分辨率众多，符合VESA标准，其码流是与分辨率和场频有关的，是在该分辨率和场频时像素时钟的10倍(像素时钟是在8bit并行时的时钟，经过8bit到10bit的并/串转换)，下面是几种典型情况下的像素时钟。
新的DVI标准也支持了视频信号如720p、1080p，DVI支持1600×1200×60。
在DVI信号中，除了有显示用的RGB信号，由于码流较快，还要传输像素时钟的信息，它利于接收端反向生成并行RGB的信号。因此，DVI信号是四路串行的高速码流。
由于要面对众多分辨率以及IT行业中的许多需求，DVI信号中不仅仅包括供显示用的RGB信号和时钟信息，还包含了许多数据信息和控制信息等数据包，控制信息用于控制当前传输的信息是RGB信号还是数据信号，而数据信息中包括有：数字音频信号，辅助数据和信息等。DVI信号的接口形式如下图
DVI的接口形成如下图：
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+
从图中可看到，除了有7组平衡的TMDS通道外(通道0、1、2和C组成单链路DVI通道，最大码流达1.65G，如果加上通道3、4、5则形成双链路通道，最大码流可达3.3G，目前双链路的情况应用的很少，分辨率可达2048×1526等)，还包括有DDC通道与HOT plug通道，而DDC通道中的EDID数据主要用于描述设备特性，包括接收端本体的分辨率兼容分辨率等特性。
总结：DVI信号是由VGA信号演化，为RGB色域，8bit·4:4:4形成，至少包括四路高速串行码流及若干辅助信号，比如Y/U/V为基础的SDI信号带宽色彩要好，但传输要复杂和困难的多，驱动能力在1,600×1,200时只有5-7米。
3、HDMI信号
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HDMI信号是新形成的信号格式，由DVI信号发展而来，因此全面向下兼容单链路DVI信号。
DVI信号与HDMI信号的管脚对应，是在8bit·4:4:4的RGB信号基础上，比DVI信号增加了许多新的特性，除了有DDC通道EDID数据外，还增加了HDCP信号以及CEC通道，并且在EDID数据中也增加了大量的内容，下面就几种新问题解释一下：
1) 颜色空间：HDMI显示时，可按照RGB色域进行显示，也可按照Y/U/V色域进行显示。
2) 音频特性：在传输的音频信号中，有几个声道，是按那种频率进行的采样等信息，以便后端的恢复。
3) Deep Color：RGB信号可按8bit显示，也可按10bit、12bit显示，因此可传输更高质量的图像，但此时的数据码流要加大，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:是一种加密协议，防止数据传输过程中被破坏和截取，也是通过DDC通道进行，但其要求该通道是一种双向通道，即前端与后端互相发送和交换密钥，然后使用计算过的密钥对数据进行加密传输。
6) CEC通道：传输家用电器的互联互控协议，目前与本行业关联不大。
7) MiNi-HDMI：只是将标准的HDMI接口改换成MiNi-HDMI接口，用于手机，相机等行业，与本行业关系不大，如果要用只需简单的转换。
8)HDMI标准：HDMI出现之后，出现了连续的升级，从1.1版1.2、1.3到1.4版本，但其本质上没有变化，其中(1.4最新版)部分只是增加了DeepColor和最高分辨率，音频回送，网络联接等内容，提高了传输速率，如1.3标准时码流最大可达10.2G，而这些内容短期我们也用不上，针对当前的常用分辨率目前1.1版1.2、1.3和1.4版本我们都能用，如果大家对1.4版本有兴趣，可查看资料。HDMI信号是在DVI信号上发展而来，针对DVI信号驱动能力弱的缺点有所提高，HDMI信号在1080p情况下，标准电缆可15米以上。
总结一下：HDMI信号在“加大了的”DIV信号，如果我们不考虑HDCP以及音频和色域等因素，大可以将HDMI信号与DVI信号混用(针对本行业)，如将DVI信号通过HDMI的设备以便得到更好的驱动能力和设备体积及价格。
4、DisplayPort(简称DP)信号
这是IT行业针对HDMI标准生成的标准，其产生的原理与HDMI/DVI不同，在HDMI/DVI，高速码流是与分辨率和场频有关的，是像素时钟的10倍，而在DP标准中，是采用了Micro-Packet Archi lecture(微封包)技术，采用定频传输，单线码流为1.6G或2.7G，最大码流10.8G，DP1.1标准支持单通道，单向四线连接，同时含有1M的双向控制通道，支持8bit、10bit和12bit彩色等，有可能取代DVI与HDMI。
DisplayPort的技术优势
1) 高带宽。根据码流情况，利用单线/双线/四线传输，码流最大可用2.7G×4=10.8G，因此，它可提供的带宽比HDMI 1.3所提供的带宽(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) 最大程度整合周边设备。和HDMI一样，DisplayPort也允许音频与视频信号共用一条线缆传输，支持多种高质量数字音频。但比HDMI更先进的是，DisplayPort在一条线缆上还可实现更多的功能。在四条主传输通道之外，DisplayPort还提供了一条功能强大的辅助通道。该辅助通道的传输带宽为1Mbit/s，最高延迟仅为500μs，可以直接作为语音、视频等低带宽数据的传输通道，另外也可用于无延迟的游戏控制。
3) 内外接口通吃。目前DisplayPort的外接型接头有两种:一种是标准型，类似USB、HDMI等接头；另一种是MiNi型，主要针对连接面积有限的应用，比如超薄笔记型电脑。两种接头的最长外接距离都可以达到15米，虽然这个距离比HDMI要逊色一些，不过接头和接线的相关规格已为日后升级做好了准备，即便未来DisplayPort采用新的2X速率标准(21.6Gbit/s)，接头和接线也不必重新进行设计。[Page]
4) 内容保护技术更可靠。并不像HDMI、UDI那样采用HDCP，而是使用Philips为DisplayPort制订的一套内容防拷协议，该技术基于128位高速加密引擎，采用标准密钥交换方法，支持标准的RSA认证，提供高达2,048位的密钥长度，保护技术比HDMI的HDCP更加可靠。当然，DisplayPort的架构更富弹性，厂商也可根据需要选择其他内容保护协议。
5) DP比HDMI的分辨率更高，属于专业设备输出/输入接口，是比较罕见的接口一般的显示器和电视都没有，在电脑显示器上一般看不出HDMI与DP的差别。
6) DP与HDMI的优劣比较：
①HDMI时钟与分辨率有关，并且占用一条通道传输时钟，在芯片恢复时钟时比较麻烦，成本较高，而DP采用定频，有1.6G和2.7G两种时钟，传输时不单占用时钟通道，只需发若干时钟特定的信息包，芯片中时钟恢复较方便。成本低。
②HDMI组织收取费用，如HDMI，1.5万美元/年，HDCP, 1.5万美元/年，每一芯片收0.04美元等，而DP是一个开放的标准，不收费，因此将来设备成本低很多。
③DP可根据实际码流决定用1线、2线、4线传输，也就是说，如果码流不高(如1080P/1.485G，RGB信号总共4.5G左右，双线就够了)可用一条DP电缆传输几路信号，这确实是很诱人。
④DP输出芯片可判断后续设备是否支持DP或HDMI或DVI，并可根据情况，将输出改为DP或HDMI或DVI等形式，这对兼容应用很有利。
⑤目前，DP应用不太多，因为芯片出的不多，价格也较高，眼前看来，DP并不比HDMI占多大优势，但将来估计DP会比HDMI更有应用，目前不作重点介绍。(未完待续)