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【科普】常见视频接口与无线高清视频传输技术纵谈

影音新生活2018-11-08 08:12:56

视频设备的不断更新,使以前复杂的接线系统已经变得越来越简单,往往一根HDMI线就能搞定一切。但为了追求更好的视听效果,以及考虑到HDMI线材的性价比,部分影音器材还是使用AV端子、S端子、BNC、DVI等接口。

同时,随着移动智能设备的普及和人们对空间美观的追求,无线高清视频传输技术应运而生。而且,未来视频传输将出现更多的新型技术及应用。



那么,对于目前我们常见的视频接口与无线高清视频传输技术,大家有多少了解呢?接下来,“影音新生活”就为大家进行相关介绍,以供参考。


模拟信号接口

RF射频输入接口


RF射频端子是最早在电视机上出现的,原意为无线电射频(Radio Frequency)。天线和模拟闭路连接电视机就是采用射频(RF)接口。作为最常见的视频连接方式,它可同时传输模拟视频以及音频信号。RF接口传输的是视频和音频混合编码后的信号,显示设备的电路将混合编码信号进行一系列分离、解码在输出成像。由于需要进行视频、音频混合编码,信号会互相干扰,所以它的画质输出质量是所有接口中最差的。有线电视和卫星电视接收设备也常用RF连接,但这种情况下,它们传输的是数字信号。


AV复合(Composite)视频接口


AV复合(Composite)视频接口是目前在视听产品中应用得最广泛的接口,属模拟接口,该接口由黄、白、红3路RCA接头组成,黄色接头传输视频信号,白色接头传输左声道音频信号,红色接头传输右声道音频信号。AV复合视频接口实现了音频和视频的分离传输,这就避免了因为音/视频混合干扰而导致的图像质量下降,但由于AV接口的传输仍然是一种亮度/色度(Y/C)混合的视频信号,仍然需要显示设备对其进行亮/色分离和色度解码才能成像,这种先混合再分离的过程必然会造成色彩信号的损失,色度信号和亮度信号也会有很大的机会相互干扰从而影响最终输出的图像质量。

电视机制造厂商一方面改善梳状滤波器来极力降低影响,另一方面也提出了S端子与色差端子来根本解决以上问题。


S端子接口


S端子,即分离式影像端子S-video(Separate Video),则是AV接口的一个“改革”,它由视频亮度讯号Y和视频色度讯号C和一路公共遮罩地线组成。相比之下,S-Video分离传输了AV视频信号中的亮度信号与色度信号,并且还为它们设置了专门通道,大大减少了二者之间所产生的干扰。但S-Video仍然还有缺陷,那就是色度信号没有分开,仍需要电视机将色度信号还原成三基色后才能成像。一般来说,S-Video能够实现400-500线左右的解析度,S-Video仍然不是我们最理想的传输接口。实际上,色差分量正是基于S端子不能分离色度信号的缺点改造而来,因此,色差分量的输出效果优胜于S端子,是毋庸置疑的。


色差分量接口


在S端子中,做到了亮度与色度的分离,色差分量就是把色度用差值的方式给分离开。色差分量接口称为分量视频接口,又叫3RCA,即把色度(C)信号里的蓝色差(b)、红色差(r)分开发送,其分辨率可达到720线以上。其接口采用YPbPr和YCbCr两种标识,前者表示逐行扫描色差输出,后者表示隔行扫描色差输出,一般利用3根信号线分别传送亮色和两路色差信号。这3组信号分别是,亮度以Y标注,以及从三原色信号中的两种——蓝色和红色——去掉亮度信号后的色彩差异信号,分别标注为Pb和Pr,或者Cb和Cr,在三条线的接头处分别用绿、蓝、红色进行区别。我们经常在投影机或高档影碟机上看到的,类似YUV、YCbCr、Y/B-Y/B-Y等等的接口标识,虽然标记方法与接头外形各有千秋,但都属于色差分量端口。


BNC接口


通常用于工作站和同轴电缆连接的连接器、标准专业视频设备输入、输出端口。BNC电缆有5个连接头用于接收红、绿、蓝、水平同步和垂直同步信号。BNC接头有别于普通15针D-SUB标准接头的特殊显示器接口,由R、G、B三原色信号及行同步、场同步五个独立信号接头组成。主要用于连接工作站等对扫描频率要求很高的系统。BNC接头可以隔绝视频输入信号,使信号相互间干扰减少,且信号频宽较普通D-SUB大,可达到最佳信号响应效果。



VGA接口


VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准,具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点,在彩色显示器领域得到了广泛的应用。VGA(Video Graphics Array)还有一个名称叫D-Sub。VGA接口共有15针,分成3排,每排5个孔,是显卡上应用最为广泛的接口类型,绝大多数显卡都带有此种接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。目前VGA技术的应用还主要基于VGA显示卡的计算机、笔记本等设备,而在一些既要求显示彩色高分辨率图像又没有必要使用计算机的设备上,VGA技术的应用却很少见到。


数字信号

DVI接口


DVI的英文全名为Digital Visual Interface,中文称为"数字视讯接口"。是一种视讯接口标准,设计的目标是透过数位化的传送来强化个人电脑显示器的画面品质。目前广泛应用于LCD,数位投影机等显示设备上。DVI接头有三种,分别是DVI-Digital(DVI-D)、DVI-Analog(DVI-A)跟DVI-Integrated(DVI-I),DVI-Digital(DVI-D)只有支持数字显示的设备DVI-Analog(DVI-A)只有支持数字显示的设备,DVI-Integrated (DVI-I)则是支持数字显示跟模拟显示。

如果播放设备采用的是DVI-D接口,而投影机是DVI-I接口,那么还需要另配一个DVI-D转DVI-I的转接头或转接线才能正常连接。DVI传输的是数字信号,数字图像信息不需经过任何转换,就会直接被传送到显示设备上,因此减少了数字→模拟→数字繁琐的转换过程,大大节省了时间,因此它的速度更快,而且使用DVI进行数据传输,信号没有衰减,色彩更纯净,更逼真,更能满足高清信号传输的需求。


HDMI接口


HDMI高清晰度多媒体接口(英语:High Definition Multimedia Interface,简称HDMI)是一种全数字化图像和声音传送接口,可以传送未压缩的音频及视频信号。HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人电脑、电视游乐器、AV功放、数字音响与电视机等设备。HDMI可以同时传送音频和影音信号,由于音频和视频信号采用同一条电缆,大大简化了系统线路的安装难度。同时,HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽,而且无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换,可以保证最高质量的影音信号传送。
它支持各类电视与电脑图像格式,包括SDTV、HDTV视频画面,再加上多声道数字音频。在传送时,各种视频数据将被HDMI收发芯片以“最小化传输差分信号”(TMDS)技术编码成数据数据包。



HDMI也支持非压缩的8声道数字音频传送(采样率192kHz,数据长度24bits/sample),以及任何压缩音频流如Dolby Digital或DTS,亦支持SACD所使用的8声道的1bit DSD信号。在HDMI 1.3规格中,又追加了超高数据量的非压缩音频流如Dolby TrueHD与DTS-HD的支持。



去年9月份的德国IFA展会上,HDMI论坛在正式发布了HDMI 2.0规范。与上一代1.4b相比,新的HDMI 2.0版本顺应目前的市场,大大提升了传输带宽和速率,并且支持更多的新特性。首先,HDMI 2.0标准将支持更大的数据传输吞吐量,以充分发挥4K超清输出的潜力。能够处理18千兆比特/秒的数据,足以让12位色彩的画面以每秒60fps的高帧速率显示;其次,在声音输出的性能上也大幅增强,能够最多处理32个通道的无损音频;同时,HDMI 2.0也能够向下兼容旧的版本,使旧款的蓝光播放器也能够与新款4K电视兼容。



DisplayPort接口


在高清晰视频流行之际,没有高带宽的显示接口是无法立足的。DisplayPort问世之初,它可提供的带宽就高达10.8Gb/s。要知道,HDMI 1.2a的带宽仅为4.95Gb/s,即便HDMI 1.3所提供的带宽(10.2Gb/s)也稍逊于DisplayPort 1.0。DisplayPort可支持WQXGA+(2560×1600)、QXGA(2048×1536)等分辨率及30/36bit(每原色10/12bit)的色深,充足的带宽保证了今后大尺寸显示设备对更高分辨率的需求。


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1Mbps,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。可见,DisplayPort可以实现对周边设备最大程度的整合、控制。



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;另一种是低矮型,主要针对连接面积有限的应用,比如超薄笔记型电脑。除实现设备与设备之间的连接外,DisplayPort还可用作设备内部的接口,甚至是芯片与芯片之间的数据接口。


无线高清视频传输技术

目前大部分的平板电视都放置在桌子上,也有的挂在墙上,由于麻烦的视频/音频电视布线会限制电视被摆放的位置和房间整体的美观。无线视频技术将使这一切得到改变,另外目前高分辨率的视频源越来越多,发展高清视频的无线传播技术已经成为消费电子领域技术发展的新热点。



目前,现有视频无线传输技术都是基于压缩格式的视频进行传输,由于大部分的设备在视频源输出时都不会做压缩的动作,因此必须找到一种在视频源和显示器之间的无线未压缩链路才比较有机会推广使用,即定义一种无线高分辨率数字多媒体接口以改变视频显示器连接到视频源的方式。



超宽带UWB扩展技术


超宽带UWB扩展技术(又称Wireless HDMI)是一种在3.1- 10.6GHz频段内的特高带宽调制,无线连接的速率高达480Mbps。据资料表明,UWB信号的有效传输距离在10m以内,故而UWB很适合用于个人局域网但是,UWB实际上通常可用的速度(就应用级而言)不会高于100- 200Mbps,这比用来传输未压缩1080i所需的1.5Gbps要低得多,就不更用说来传输未压缩1080p所需的3Gbps速率了。因此如果采用基本UWB标准并通过连接多个频率信道或采用多个空间信道和,或其它方法来扩展UWB链路的性能,就有可能来支持未压缩HDTV


UWB与压缩技术的结合


虽然UWB传输技术有诸如上述提到的这些限制,但仍有大量公司通过把标准UWB方案与压缩/未压缩引擎相结合来满足未压缩视频链路的需要。这种方案把未压缩HDTV视频进行实时压缩视频,然后通过UWB链路对它进行传输,在被压缩的视频流又重新被实时的解码后,以未压缩的形式提供给输出端。由此引出了图像压缩的方法,动态JPEG2000会对每个帧分别进行压缩,会产生更好质量的视频(虽然以压缩比率为代价)和更低的延迟。但是,由于它以一种非常复杂的算法为基础,结果导致系统成本非常昂贵。


5GHz频段的WHDI技术


基于802.11a技术发展出来的WHDI技术是一种采用专门为视频传输而设计的无线调制解调器方案。WHDI接受视频流并按照视觉重要性把它分拆成多个级别,然后把这些不同的要素映射到无线信道上,在通常的无线信道中,噪声极有可能破坏重要性稍差的视频信息,但由于这些位误码率出现在对于视频质量不是太重要的视频信息中,这些错误是不易觉察的。



另外,WHDI的传输距离较远,且穿透力很强。其支持采用Deep Color(深色)技术的1080p/60Hz全高清显示,有效传输距离为30m。而且,其在30米之内可穿透墙壁,影响极小——延迟小于1毫秒。


Wireless HD


Wireless HD,采用的是60GHz频段,它使像无线未压缩HDTV这样的高带宽推广应用成为可能。在60GHz能够商用之前,还有许多问题有待解决与更成熟的5GHz RF相比,60GHzRF的成本仍然非常的高。此外,60GHz的射频发射应当是有方向性的,这就需要对天线进行校准。在60GHz调制解调器中还有一些其它的困难,比如,特高的相位噪声会进一步限制比特/赫兹的大小因为60GHz传输有较差的传播特性,最初也只能提供非常有限的传输范围,目前Wireless HD联盟已经推出Wireless HD1.0标准。


WiGig

当然,目前采用60GHz频段的并不只有WirelessHD,还有WiGig标准。虽然WirelessHD更早一点地进入市场,但不兼容WiFi。因此从技术发展的潮流来看,兼容多标准的WiGig仍占据着优势。



在刚刚结束的CES2015上,移动设备处理器及无线芯片制造商高通公司对采用一种工作频率为60GHz无线技术“WiGig”的无线路由器进行了演示,使人们对这一技术重新关注了起来。其实,早在2010年WiGig(Wireless Gigabit,无线千兆比特)标准就已经正式公布。随后在2013年,电气和电子工程师协会(IEEE)组织批准了IEEE 802.11ad-2012修正案,更是将其无线的传输速度进一步提升到7Gbps。



全新的WiGig标准确实让人惊喜,不仅它的无线数据传输率可以达到7Gbps,而且它还可以满足多种平台应用的需要,让无线高清传输成为可能,相比使用IEEE802.11n无线网络传输,可节省90%以上的时间。尤其是在4K超高清时代,WiGig技术可以用来传输视频及其他大型文件,很好地解决4K传输的限制。

同时,由于其在全新的频段工作,不但可以减少无线信道的拥堵,而且其具有的方向性特征使其遭遇的干扰更小。



然而WiGig同样有着自己的“软肋”。我们知道,频段越高,无线穿越物体的能力就越差,工作在5GHz频段的11ac相比工作在2.4GHz频段的11n已经可以看出差异,因此工作在60GHz频段的11ad,很容易被墙壁、天花板和地板所阻隔,这使得该技术的应用范围局限在同一个房间内。



结语:视频传输技术的出现,使文字、图像和声音能够同时展现在人们的面前。在其发展演变的过程中,催生了包括电视、投影机等多种显示设备。电视机从黑白电视、彩色电视、液晶、等离子电视向智能、互联网电视飞速发展;投影机更是历经CRT被淘汰之后达到一个崭新的高度……

那些过去的产品也和它们曾经播放过的图像一样,历经岁月磨砺依然令人难以忘怀。随后,“影音新生活”还将为大家带来更多关于视频和音频技术的相关介绍,敬请期待。


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