HDMI: el análisis

Por Steve Somers, Vicepresidente de ingeniería

HDMI, o High Definition Multimedia Interface, es una interfaz de AV digital que soporta vídeo de ordenador de alta resolución y HDTV, además de múltiples canales de audio en un único cable. Es frecuente en dispositivos de visualización de pantalla plana y proyectores, así como reproductores de DVD, discos Blu‑ray e incluso algunos ordenadores portátiles y tarjetas gráficas de ordenador. HDMI permite un recorrido AV totalmente digital, evitando la necesidad de conversión de la señal D/A y A/D para entregar gráficos de ordenador de alta calidad impolutos y HDTV con una precisión de píxel perfecto.

Aunque diseñada para aplicaciones de consumo, HDMI ha encontrado rápidamente su propio camino en el AV profesional al lado de su predecesora, DVI – Digital Visual Interface. La idea de este artículo es destacar las principales ventajas o desventajas, dependiendo de su punto de vista, de HDMI, la interfaz multimedia de alta definición digital.

Capacidades y ventajas de HDMI

HDMI abarca la topología de la interfaz eléctrica DVI original conocida dentro de la industria electrónica como TMDS, Transition Minimized Differential Signaling. Se puede considerar HDMI como un súper conjunto que incluye DVI junto con soporte de audio digital multicanal en varios formatos, protección de copyright y control del consumidor, todo en un conector con casi la mitad del tamaño físico del conector original DVI.

El consorcio HDMI, www.hdmi.org, se formó en 2002 y presentó la especificación inicial ese mismo año. En 2004, la versión 1.1 de la especificación presentada, seguida por la versión 1.2 en 2005 y la versión 1.3 en 2006 con importantes mejoras de rendimiento. Consulte la tabla 1 para ver los parámetros de rendimiento de HDMI 1.3.

La noción es que HDMI ofrezca a la industria de productos electrónicos una única solución de interconexión que compacte todas las interfaces eléctricas necesarias en un pequeño paquete que los consumidores consideren fácil de utilizar. HDMI utiliza principalmente un conector de 19 pines conocido como tipo A, y ofrece un mini conector de 19 pines llamado de tipo C que se encuentra en las videocámaras y otros dispositivos portátiles. Un conector de 29 pines, conocido como tipo B y compatible con DVI dual link, ya no forma parte de la especificación HDMI a partir de la versión 1.3.

HDMI admite tanto formatos para gráficos de ordenador como HDTV. Tiene disponible suficiente ancho de banda de datos para HDTV hasta 1080p, 60 Hz. Las versiones HDMI hasta 1.2 soportan tasas de gráficos de ordenador hasta al menos 1920x1200/60 Hz. La más reciente especificación para HDMI, versión 1.3, aumenta de forma significativa las capacidades de vídeo para futuras aplicaciones más allá de HDTV, con soporte para resoluciones de WQXGA (2560x1600) a 60 o 75 Hz.

Las versiones HDMI hasta 1.2, así como DVI, ofrecen una profundidad de color de 24 bits. HDMI 1.3 añade Deep Color, lo que permite un importante aumento en la profundidad de color, incluyendo 30, 36 y 48 bits. Deep Color expande el número de colores disponible, desde millones hasta millones de millones e incluso billones. Para soportar completamente resoluciones Color Deep y gráficos de ordenador hasta WQXGA, HDMI 1.3 requerirá velocidades de datos de 10.2 Gbps, un aumento del doble sobre la velocidad de datos de 4,95 Gbps soportada por HDMI 1.2 y anterior. HDMI 1.3 también añade soporte a un notablemente mayor espectro de color, conocido como xvYCC o YCC de espectro ampliado, o x.v.Color. El capítulo 4.3 del estándar IEC describe xvYCC como una extensión de ITU-R BT709-5 para sRGB y HDTV, pero extiende el espectro de este estándar mucho más.

El concepto está ilustrado en la imagen 2 donde el borde exterior de la “cuña” del espacio de color representa los límites de la capacidad visual humana y los triángulos representan los colores disponibles dentro de la región definida por los valores primarios triestímulos rojo, verde y azul en un espacio de color dado. Cuanto mayor sea el triángulo, más vivos son los colores percibidos.

Para audio, HDMI soporta hasta ocho canales de audio no comprimido a hasta 24 bits/192 kHz, así como formatos de audio comprimido Dolby® Digital y DTS® comúnmente utilizados para DVD, emisiones de televisión y juegos. HDMI 1.3 añade Dolby y DTS mejorado, formatos de compresión sin pérdidas como parte de discos Blu-ray.

La implementación de Deep Color, xvYCC y otras mejoras es opcional para los productos equipados con HDMI 1.3. Aunque xvYCC y/o Deep Color han sido promovidos con muchos dispositivos de visualización LCD nuevos y proyectores, aún tienen que ser implementados ampliamente puesto que todavía no están disponibles con discos Blu‑ray y otros materiales de la fuente. Consulte la tabla 2 para un listado completo del soporte de vídeo y audio para HDMI hasta la versión 1.3.

Promesas sobre la distancia

¿Ha escuchado que HDMI promete mayores longitudes de cable que DVI? Curiosamente, tanto la especificación DVI como HDMI contienen los mismos requisitos de rendimiento eléctrico entre la fuente y el receptor. Así que, ¿cómo es que la conectividad HDMI se promociona para funcionar a mayores distancias que DVI básico? La respuesta es que la industria ha aprendido cómo hacer mejores cables para este tipo de tecnología de interfaz. Mejores métodos de fabricación de cables para la precisión del cable de par trenzado blindado, junto con el volumen de productos electrónicos de consumo han hecho que los cables HDMI de bajo coste más largos sean una realidad. Además, la tecnología ha evolucionado con los chipsets del transmisor y el receptor para asegurar la integridad de la señal HDMI a través de cables de muy largo recorrido.

Las conexiones físicas HDMI requieren cables de par trenzado blindado de precisión. Un cable está formado por cuatro pares trenzados blindados – uno para la señal de reloj fuente y tres para los datos digitales – con cinco cables individuales para la alimentación, funciones de comunicación auxiliar, más una referencia a tierra para estas funciones. HDMI requiere la misma codificación y protocolo de gestión de datos que DVI.

Soluciones HDMI de Extron

La distancia de recorrido se convierte en crítica debido a la tolerancia de sincronización particular que debe mantenerse en las especificaciones DVI/HDMI. Aparte de los requisitos del transmisor y receptor en los que la consistencia debería ser clara, el cable se convierte en la mayor variable que afecta al rendimiento del sistema de transmisión. Los cables de par trenzado, que utilizan DVI/HDMI, están sujetos a dos tipos de retardo que, cuando es excesivo, crea errores de sincronización y causa cortes de datos. Estos parámetros son: retardo dentro del par, con una diferencia temporal entre los dos hilos que forman el par, y retardo entre pares, con diferencia temporal entre líneas de par trenzado separadas dentro del cable.

La “forma” correcta de las tres señales TMDS, también conocida como diagrama de “ojo”, así como su sincronización con la señal de reloj, es crítica para asegurar una visualización de la imagen HDMI o DVI. Consulte la imagen 3. Como se muestra en la imagen 4, un retardo excesivo, así como atenuación debida a largos recorridos de cable, distorsiona los diagramas de ojo y afecta a la capacidad del dispositivo receptor a la hora de detectar señales correctamente, resultando en “destellos” en la pantalla, o una completa pérdida de la imagen.

La especificación HDMI solo nos proporciona requisitos de rendimiento eléctricos para una interfaz funcional. NO especifica el diseño del cable o los límites de longitud de cable. Los fabricantes no tienen más que su propio ingenio al utilizar materiales de cable sin terminación disponibles y electrónica activa para resolver los problemas de distancia. Sin embargo, la versión 1.3 establece dos tipos de cables llamados categoría 1 y categoría 2. Esta denominación de “categorías” no está relacionada con la nomenclatura utilizada para el cableado de red. La versión 1.3 describe un diseño eléctrico detallado y requisitos de prueba para ambos tipos: con categoría 1, o estándar, cables que soportan frecuencia de reloj HDMI de 74,25 MHz y 2,23 Gbps de velocidad de datos, y la categoría 2, o de alta velocidad, cables que soportan la especificación completa con 340 MHz y 10,2 Gbps de velocidad de datos.

¿Qué significa entonces esto para nosotros? Resoluciones HDTV entre 1080i y 1080p a 30 Hz, funcionando a 24 bits de profundidad de color están servidas por 74,25 MHz de frecuencia de reloj. Esto significa que el cable de categoría 1 existente, supuestamente más barato, será suficiente. El cable de categoría 2 de mayor rendimiento es por tanto necesario para producir mayores resoluciones y cualquiera de las tasas Deep Color. El requisito de velocidad de 10,2 Gbps hace que para los fabricantes sea un reto ofrecer cables de categoría 2 a longitudes comparables a la categoría 1.

Tablas de límites de atenuación y máscaras del diagrama de ojos proporcionan las herramientas para orientar al diseñador de cables entre las dos categorías. Es obvio que, como la longitud del cable no puede estar vinculada a la especificación, somos altamente dependientes del fabricante de cables para diseñar, probar y etiquetar cables de forma precisa y adecuada, dadas las longitudes que se venden. Mientras que un cable corto especial puede funcionar como categoría 2, no significa que una versión más larga del mismo tipo de cable también se pueda utilizar como categoría 2. Según aumenta la longitud del cable, sabemos que los efectos de atenuación limitan el rendimiento rápidamente. Para aplicaciones críticas, los diseñadores AV deben probar los cables primero, independientemente de la categoría que tengan.

No tema, no tendrá piratas

HDCP es el acrónimo para High-Bandwidth Digital Content Protection, que es otro subsistema de HDMI. Presentado en el 2000 y mapeado directamente en el estándar DVI, HDCP proporciona seguridad de datos para la interfaz y está destinado a eliminar los asuntos de piratería de los proveedores de contenido digital. El protocolo HDCP se pone en marcha parcialmente a través de un enlace de comunicación de dos vías dentro de la interfaz de control I2C utilizada por el DDC – Data Display Channel y las conexiones de TMDS de alta velocidad utilizadas para entregar información de la imagen. El DDC es un enlace físico en DVI y HDMI en el que el sistema de gráficos fuente se comunica con el dispositivo de visualización para determinar sus capacidades de resolución.

HDCP compite con la complejidad de TCP/IP TLS, o Transport Layer Security, utilizado para la seguridad de Internet. Un dispositivo HDMI autorizado puede contener hasta cuarenta valores de clave secreta de 56 bits junto a un identificador especial llamado Key Selection Vector, o KSV para acortar. Estos valores, o códigos, son proporcionados por Digital Content Protection LLC, una configuración de fabricante designada a proporcionar claves de confianza para los fabricantes de productos con licencia HDMI. Cada vez que un dispositivo HDMI se conecta a un sistema, se produce automáticamente una rutina de autentificación. Primero se intercambian los valores compartidos, o códigos, entre dispositivos; segundo, se informa a la fuente el KSV de cada receptor; tercero, se envían las cifras fotograma a fotograma a los receptores que permiten la decodificación de datos.

HDCP soporta la interconexión de dispositivos a través de una jerarquía de fuentes, receptores y repetidores. Todos los dispositivos en un sistema HDCP se comunican a través de un protocolo diseñado para permitir que el contenido digital viaje solo a aquellos dispositivos cuya fuente determina tener la autorización para recibir tal contenido. La jerarquía soporta siete niveles de repetidores y hasta un total de 128 dispositivos. Los repetidores son dispositivos autorizados para recibir y retransmitir contenido HDCP. Primero deben ser autentificados por la fuente y, a continuación, descifrar y volver a codificar el contenido HDCP antes de enviarlo a un receptor u otro repetidor.

Los cambios importantes son la indicación de una nueva revisión de HDCP. Todo lo anteriormente mencionado se refiere a las versiones 1.0 a 1.3 de HDCP, o simplemente 1.x. La última versión, HDCP 2.0, fue presentada en octubre de 2008 para reforzar de forma significativa la protección de contenido y tratar los conocidos hackeos en el actual sistema de seguridad del contenido. En lugar de valores de claves de 56 bits, HDCP 2.0 pide un sistema RSA más seguro para la autentificación utilizando 1024 y 3072 bits de claves. La encriptación de contenido será actualizada al algoritmo AES utilizando 128 bits de claves. HDCP 2.0 no solo se aplica a HDMI y DVI. Puede aplicarse a cualquier esquema de comunicaciones digital bidireccional en el que la protección de contenido es necesaria, incluyendo inalámbrico, IP y DisplayPort. Además del refuerzo de la autentificación y los requisitos de codificación, HDCP 2.0 reduce significativamente el número total permitido de dispositivos interconectados, desde 128 a solo 32. Además, pueden utilizarse hasta cuatro niveles de repetidores, reducido de los siete en HDCP 1.x. Esto será importante considerarlo a la hora de diseñar futuros sistemas AV digitales conformes a HDCP.

Los protocolos HDCP 2.0 no serán retrocompatibles con HDCP 1.x. Para solucionar esto, habrá conversores disponibles para interconectar HDCP 1.x con dispositivos más recientes HDCP 2.0. Debido a que estos conversores actúan como repetidores, habrá otra importante consideración en el diseño del sistema, ya que solo se permitirán cuatro repetidores en un sistema interconectado.

CEC: contrólese

HDMI ofrece una completa nueva frontera de capacidad de control opcional para el consumidor, así como nosotros tipos de sistemas AV. El embebido sistema Consumer Electronics Control, o CEC, proporciona varias funciones que dirigen control plug-and-play en los productos de consumidores. La función CEC se maneja a través de una conexión por cable separada dentro de HDMI y contiene su propio protocolo y calidad de servicio, o QoS.

Por ejemplo, en una instalación en la que todos los dispositivos utilizan HDMI, su metodología de conexión en cadena puede conectar un reproductor de DVD con un sintonizador AV/receptor a una televisión y así proporcionar al consumidor la habilidad para encender sin problemas todos los dispositivos downstream desde el reproductor de DVD, enviarles una señal para conmutar a la entrada apropiada, e iniciar la película pulsando simplemente la función PLAY del reproductor de DVD.

Aunque ofrece una considerable flexibilidad y practicidad para controlar múltiples dispositivos AV, CEC solo ha sido extensamente utilizado en productos electrónicos para el consumidor desde HDMI 1.3. Adicionalmente, se han comunicado los problemas de incompatibilidad con el implemento de CEC entre productos de diferentes fabricantes.

¿Se puede hablar de interoperabilidad?

Para fomentar la confianza del consumidor y la compatibilidad de dispositivos, los adaptadores HDMI están sujetos al acuerdo de conformidad que requiere haber pasado satisfactoriamente las pruebas de interoperabilidad especificadas antes de que un producto pueda llevar el logo HDMI.

Authorized Testing Center - ATC, una organización independiente, lleva a cabo las pruebas de conformidad iniciales del producto para aquellos dentro de una categoría diseñada. Dentro de la especificación HDMI, un producto encaja en una de las siguientes categorías básicas: receptor, fuente, repetidor o cable. Una vez probados por la ATC, todos los productos siguientes de la misma categoría pueden ser probados y certificados por el fabricante del producto.

Es obligatoria la conformidad a la interoperabilidad dentro de la especificación HDMI. Sin embargo, la completa comprobación y validación para la conformidad HDMI y HDCP no ha estado disponible hasta la presentación de HDMI 1.2. Como resultado, puede enfrentarse a problemas de compatibilidad con productos que tienen interfaces HDMI desde generaciones anteriores a HDMI 1.2, así como dispositivos de presentación ya existentes con puertos DVI. El problema de interoperabilidad entre algunos productos equipados con HDMI en varios fabricantes ha sido bien conocido en la industria de productos electrónicos.

Esta incompatibilidad ha sido frecuentemente el resultado de problemas al obtener la necesaria “negociación” entre dispositivos para que se pueda establecer HDCP. La prueba de conformidad a HDCP ha sido opcional hasta HDMI 1.2, pero obligatoria desde HDMI 1.3. Por tanto, la interoperabilidad de productos HDMI debería mejorar sustancialmente para productos nuevos y de futuras generaciones.

Extensión de señales HDMI

Uno de los mayores retos para los integradores que trabajan con HDMI, como ha sido el caso de DVI, es superar las limitaciones de la distancia con cables. La licencia de HDMI, LLC proporciona unas pautas aproximadas de 10 m a 15 m (32.8 ft a 49.2 ft) como longitud máxima para cables de categoría 1. Para conexiones por todas las instalaciones o residencia, o incluso en un cine en casa grande, 15 m (49.2 ft) no bastarán.

Sin embargo, enviar señales HDMI a larga distancia es definitivamente posible. Como se ha mencionado previamente, los avances en el diseño del cable han permitido recorridos de cable más largos, de 45 m a 60 m (150 ft a 200 ft). Algunos diseños utilizan cable de fibra óptica con el transmisor y receptor integrado en los conectores. El cable HDMI también puede utilizarse junto a un ecualizador de cable, como HDMI 101 de Extron, para extender señales HDMI hasta 60 m (200 ft). Este dispositivo dispone de circuitos de ecualización activa que aseguran la integridad de las señales HDMI que viajan en cables de muy largo recorrido.

Las señales HDMI también pueden enviarse a través de cables de red CAT 5 de bajo coste, con recorridos posibles de hasta unos 60 m (200 ft). Esto requiere un conjunto de transmisor y receptor especializado, como los extensores de par trenzado HDMI 201 o HDMI 201 A D de Extron.

Esta soluciones actuales soportan mayoritariamente HDMI 1.2 con un reloj de píxeles máximo de 165 MHz y velocidad de datos de 4,95 Gbps Las tecnologías para extender las señales HDMI y DVI a través de cables estándar, así como cable CAT 5, continúan evolucionando, y necesitarán seguir haciéndolo para finalmente soportar HDMI 1.3 con tasas de reloj hasta 340 MHz y velocidades hasta 10,2 Gbps. CAT 7, o la transmisión con clase F tiene el potencial de extender señales HDMI 1.2 a 100 m (330 ft) y entregar el rendimiento necesario para la completa implementación de HDMI 1.3.

HDMI está aquí para quedarse

HDMI se ha convertido en casi ubicuo en los dispositivos de visualización AV profesionales y para consumidor, así como en los reproductores de DVD y de discos Blu‑ray. Los consumidores son cada vez más conscientes de HDMI y lo piden en almacenes e instaladores residenciales. En nuestra industria, estamos viendo más y más productos con puertos DVI y HDMI. La posibilidad de una infraestructura de vídeo totalmente digital ofrece una gran promesa en términos de entrega de alta calidad, vídeo impoluto y gráficos a resoluciones altas con integridad de píxel perfecto. Además, una infraestructura AV basada en HDMI será esencial para la presentación de contenido con protección anticopia como los discos Blu‑ray y las emisiones HDTV.

Sin embargo, HDMI también tiene importantes consideraciones en el diseño y posibles retos para un diseñador de sistemas AV. Este artículo ofrece una introducción a algunos de estos, incluyendo HDCP, interoperabilidad y extensión de la señal. Otro reto importante es la distribución de las señales HDMI y la gestión de las comunicaciones DDC. Sin duda exploraremos en profundidad todo esto en futuros temas de ExtroNews.