地铁PIS系统SDI接口和HDMI接口应用专题研究报告

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一、目前流行的高清数字接口

    目前流行的高清数字接口有两大类：被广播电视业界、通信业界所接受的SDI（HD-SDI）接口，被电子类消费产品产业界、PC界所接受的HDMI接口和DP接口，分别代表了当今各行业的技术水平。

（一）SDI接口

SDI（Serial Digital Interface）全称为“串行数字接口”，是指用于实现电影、广播电视数字化，而将符合SMPTE（电影和电视工程师协会）标准的基带数字视音频信号通过一条电缆进行传输的技术。

1982年，原国际无线电咨询委员会（CCIR）以欧洲广播联盟（EBU）与美国电影和电视工程师协会（SMPTE）的相关提案为基础，发布了CCIR 601号建议书，以13.5 MHz的取样频率、8bit量化技术以及4：2 ：2色度亚取样实现了525／60和625／50两种电视扫描系统的数字化。

1986年，CCIR以EBU Tech 3246与SMPTE 125M标准为基础发布了CCIR 656建议书，提出了一种可以传输CCIR 601规格信号的并行接口，使用11对双绞线与25针D型连接器，部分早期数字设备曾使用这种接口，但因传输距离较短、连接较复杂等原因，不适合大规模使用。其实，CCIR 656还包含了EBU于1983年提出的Tech 3247串行数字接口标准，采用8／9分组编码，比特率为243 Mb/s。但只支持8比特量化，而且不容易设计出稳定、廉价的接口芯片。

1993年，CCIR成为国际电信联盟（ITU, International Telecommunication Union）的无线电通信部（ITU-R）。

1994年，1TU-R发布了BT 656-2建议书，吸纳了EBU Tech 3267与SMPTE 259M中定义的新型串行数字接口，该接口采用10比特传输与非归零反向（NRzl）编码。在传送ITU-R BT 601（A部分）4 ：2：2级别信号时，其时钟速率为270 Mb/s，这就是使用在数字化电影、广播电视行业设备上的“SDI”。通用的75欧姆同轴电缆与75欧姆BNC连接器（IEC60169-8）的使用使电视台内部原有的大量已敷设电缆在数字化电影、广播电视系统中得以再利用，后来，SDI逐渐成为视音频数字设备的标准配置，并在此基础上实现了广播电视系统演播室、主控、播控系统的数字化。

1990年，ITU-R RT709建议书发布，高清晰度电视技术加速发展，采用串行数字接口传输高清信号已在行业内达成共识，为此，SMPTE在292M标准中定义了时钟频率达1.5 Gb／s级别的串行数字接口，相应国际标准为ITU-R BT 1120，GY/T 157-2000为我国根据ITU建议书制订的行业标准，这便是大家所熟知的“HD-SDI”。除时钟频率提升至270 Mb/s的5.5倍即1.485 Gb／s外，HD-SDI与SDI也存在着一些差别，例如HD-SDI将亮度与色差信号分别放置在两个流中，将它们复用并加扰后进行传输，而且编码后的行号与校验码附在有效视频结束（EAV）后。因沿用了75欧姆电缆与连接器，加之有了SDI的成功经验，因此HD-SDI很快就取代了之前应用的并行接口。与SDI类似，为了满足演播室与高清格式内容的传输，SMPTE在372M标准中对双链接HD-SDI进行了标准化。     SMPTE在292M标准规定的数据格式：

                           图1表示HD模拟视频信号与数字视频信号数据之间的关系。

 

                           图2 频率参差的序列数据的排列

高速接口芯片技术的进步使3 Gb／s级别的串行接口成为可能。2005年，ITU-R在BT 1120-6建议书中给出了成为第三代SDI串行链接标准的2.97 Gb／s串行接口的规范，物理介质仍然沿用了75欧姆同轴电缆和IEC 60169-8标准连接器。此外，SMPTE424M也给出了类似的3 Gb／s级别接口的定义。3 Gb／s串行接口的出现解决了之前需要双链接HD-SDI的场合，如4：4：4／12bit或高清格式的节目制作等。SDI的物理层允许两种传输介质，第一种是特性阻抗为75或50欧姆的BNC接头（IEC 60169-8）与75或50欧姆同轴电缆，以及特性阻抗为100欧姆的平衡双绞线与XLR型电缆接头（IEC 60268-12）；另外一种是规格参数符合ITU-R BT.1367或SMPTE 297M标准的光纤。

SDI信号是无压缩的基带数字视频信号。SDI信号不存在因压缩造成的画质下降或迟延（至少200msec）。同时，标清串行数字（SD-SDI）数据速率范围为143 Mbps至540 Mbps，最常用速率为270 Mbps，信号通过同轴电缆5CFB或者1189A能够传输350米（当传输HD-SDI信号时传输距离降为150米）。因此，在一定范围内组建系统时可以不必太注意电缆的性能。

 

（二）HDMI接口

HDMI（High Definition Multimedia Interface）的全称是“高清多媒体接口”。2002年4月，来自消费电子电器行业的7家公司——日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝共同组建了“HDMI高清多媒体接口组织HDMI Founders（HDMI论坛）”，开始着手制定一种符合高清时代标准的全新数字化视频/音频接口技术，旨在取代伴随着数字高清影音技术的发展而逐渐暴露出种种问题，甚至在一定程度上成为数字影音技术进步瓶颈，没有考虑到IT产品和消费类AV产品融合趋势，由DDWG（Digital Display Working Group）数字显示工作组以美国Silicon Image公司的专利技术为蓝本推出，并受到IT业内以Intel、DELL、HP、IBM、微软等大企业广泛支持的DVI（Digital Visual Interface）接口。

HDMI在针脚上和DVI 兼容，只是采用了不同的封装。与DVI相比，HDMI可以传输数字音频信号，并增加了对HDCP的支持，同时提供了更好的DDC可选功能。HDMI支持 5Gbps的数据传输率，最远可传输15米，足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需 求少于4GB/s，因此HDMI还有很大余量。此外HDMI还具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。  

经过半年多时间的准备工作，HDMI founders在2002年12月9日正式发布了HDMI 1.0版标准，2006年发布了最新的HDMI 1.3标准。目前正在向相关的国际组织申请接纳成为正式标准。

HDMI标准从2002年发布至今，已经经历了将近5年的时间。在这不算短的时间内，HDMI标准也在根据不断变化的外部环境，进行着自身的更新，从最初的1.0版，到1.1版，到1.2版，再到目前最新的1.3版。

2002年2月，七家厂商成立HDMI Founders，共同开始着手制定HDMI标准。同年12月，HDMI1.0标准正式发布。

2004年5月，HDMI1.0标准的首个升级版HDMI 1.1标准发布，由于规格变化不大，没有引起广泛关注。

2005年8月，针对对PC领域设备支持不足的缺陷，发布了HDMI 1.2标准。相比于之前的规格，HDMI 1.2版本增加了若干条非常重要的改进，在连接PC和数字音频时更加方便。

2005年12月，针对HDMI 1.2标准的修改版HDMI 1.2a发布，主要增加了可以利用一个遥控器控制多台电器的CEC功能，并且完善了各种HDMI设备的测试规则。

2006年5月，自HDMI标准推出以来，规格变更最大、指标最高的HDMI1.3标准正式亮相。在新的HDMI 1.3版本中，不仅带宽和数据传输速率增加了一倍，还加入了对xvYCC广色域、高bit色深以及更高HDTV/PC分辨率规格的支持。HDMI的主要技术基础是DVI-HDTV，HDMI所增加的功能便是数字音频信号的传输，并且，在音频设备之间实现了基本控制数据的传输。为了增强其作为消费类影音产品接口的竞争力，HDMI采用了更小的接头，强化了对数字式高清晰度色差分量（Y/Cb/Cr）格式的支持，其性能远远超过了IEA／CEA-861B标准所作的规定。

 

图3     DVI/HDMI/UDI发送、接收系统的基本结构传输示意图(TMDS)

HDMI的音频处理能力足可满足未来的需要，并且做到向后兼容，不仅可以传输我们已经熟知并且喜爱的杜比数码和DTS等经过压缩的多声道数字音频信号，也可以传输未经压缩的数字音频信号。在后一种情况下，HDMI所支持的声道数达8个之多，量化精度可达24位，采样频率高达192千赫。这些性能指标在进行高清晰度视频节目传送时也都可以同时达到。HDMI是利用数字视频信号的逆程消隐期间进行音频数据传输的，因此不会占用可用视频传输带宽，而且，完全向后兼容于未将音频传输考虑在内的早期DVI产品。

除了以上所述之外，HDMI还有其它旨在确保高保真的图像和声音质量的功能。在HDMI规范中，信号输出设备可以指定画面的分辨率和宽高比，以及声音的编码方式，采样频率和声道分配等参数。尤其值得注意的是，IEA／CEA-861B标准只为每一个RGB和Y／Cb／Cr分量信号提供了8个数位的支持。而HDMI则为每一个4∶2∶2Y／Cb／Cr分量信号提供了高达14个数位的支持。最后需要说明的是，HDMI接口规范采用的是19针接口，其尺寸也远远小于DVI接头。这些小型接头可以使连接线更加方便地穿过电缆导管和墙壁，使永久性的家庭影院系统设置变得更加方便。

HDMI传输未经压缩的视频信号，通常有效的传输距离为10~15米，较SDI更受制于电缆的长度。据国外专业网站的测试，在不超过15米的距离内，采用高质量的专用HDMI线缆可以较好的完成720p或1080i信号的传输任务，但一旦信号使用1080p，由于较大的数据量，画面传输已经开始出现问题。更糟糕的是，最新的HDMI 1.3标准增加了色深，再一次增加了数据量，使问题更加严重。对长距离HDMI电缆的应用需要使用增幅器(booster amplifiers)或者扩展器(extenders)，增加用户的成本负担，这一点已引起了一些专业公司的关注。美国Gennum公司希望利用SDI的技术积累和在模拟混合信号设计的经验，能够帮助HDMI电缆供应商延长电缆的长度的同时，保证传输效果。Gennum公司把这种在信号源和接收端分别增加一个发送器和接收器的方法称作“ActivConnect”，并申报了专利。ActivConnect通过一个有源集成电缆方案能够满足最远100米的全带宽传输，支持包括HDCP（High-Bandwidth Digital Content Protection）在内的所有HDMI 1.3功能，并且兼容单/双重链结（single and dual-link）DVI接口。目前，从事音/视频系统扩展方案的美国百通（Belden）公司和格芬（Gefen）公司已在他们的HDMI线缆传输方案中采用了Gennum公司的“ActivConnect”技术。DMI+HDCP虽然给我们解决了数字信号的传输问题，但在产品数量未成规模的情况下，新接口所带来的专利费及相关成本的增加，将给厂商带来极大负担。有资料指出，HDMI的专利费由年费、测试费、使用费、芯片费四个部分组成。其中年费包括HDMI的1.5万美元和HDCP的1.5万美元，测试费为几千美元，每台终端设备的使用费为0.04美元，专利芯片费用为8美元左右。假如一个彩电厂商年产带HDMI接口的彩电规模到达一万台，则分摊到每台彩电的成本就上涨10多美元。此外，还要增加几个美元的接口及线缆成本。

 

图4    应用Gennum公司的“ActivConnect”技术的线缆传输方案

近日，HDMI Licensing LLC（HDMI规范的授权代理机构）宣布，全球已经有超过700家消费电子产品和个人电脑制造商在产品上采用了HDMI（High-Definition Multimedia Interface，高清晰多媒体接口）标准，相比去年12月份的417家，短短9个月时间，采用HDMI接口的厂商攀升了68%。三菱、松下、三星、夏普、索尼、东芝等厂商均推出了多款配有HDMI接口的产品。这些全球一线制造商大规模采用HDMI标准，进一步强化了HDMI作为全球高清数字接口标准的地位。根据最新的相关报道，为了更进一步推广HDMI技术，HDMI论坛已开始降低HDMI技术的专利使用费。

 

（三）DP标准2006年5月，VESA(Video Electronics Standards Association, 国际视频电子标准协会)批准了旨在应用于PC、监视器、电视以及投影仪等的DP接口（DisplayPort）的DisplayPort1.0显示接口标准。DP接口主要由主链路、辅助通道和热插拔信号检测(HPD)三部分组成，如图3所示。主链路是一条高带宽、低延时的单向传输链路，用于传输无压缩的视频、音频流；辅助通道是一条1Mb/s带宽、低延迟双向通道，用于传输状态信息、控制命令等，并提供主链路管理及设备控制；热插拔信号则实现了终端设备(Sink Device)中断请求。

 

图5    DisplayPort接口的传输层架构

    主链路由4条线路(Lane)组成，每一条支持2.7Gb/s或1.62Gb/s两种传输速率，4条可以实现10.8Gb/s，在相同的线路数下DisplayPort比DVI快  2.2倍。 因此DisplayPort可以满足各种多媒体、特别是视频应用的需求任何色深(Color Depth)、解析度和画面刷新频率(Rate)都可以自由转换。DisplayPort没有单独的时钟通道，主链路上采用的是ANXI 8B/10B编码，时钟信号是从数据流中提取出来的。这个区别于DVI和HDMI的特点，大大降低了DisplayPort产品EMI设计的难度。而辅助通道由一对交流耦合差分线组成的双向、半双工通道，所有的通信都必须由源端设备发起，终端设备也可以通过热插拔信号来提出通信请求。辅助通道在15m的传输距离上提供1Mb/s的传输速率，对传输延时要求严格，通信必须在500μs内完成。因有热插拨信号检测，故支持设备的即插即用、热插拨功能。

    DisplayPort接口除了高带宽优势外,还有以下优势。

● 微封包传输(Micro-Packet Architecture)架构传输:在主链路上，所有的视频、音频数据流都被打包为微封包(由64个码组成)。同时，微封包架构可以在同一条线路内传输多组视频，而DVI、HDMI、UDI采用的交换式传输就限定一条链路只能传输一组视频。此外，这种架构很容易地在现有传输中追加新的协定内容，如内容防拷贝协定等。

● DPCP,即DP内容防复制保护:微封包架构可弹性追加传输协议，DPCP采用经改进的新型的防复制保护机制,利用AES型高速128位内容加密，没有选用HDCP规范中使用的40位密钥。

● DisplayPort是一种开放式数字显示接口标准，无须专利费，可降低设备的成本。

基于DisplayPort主链路可传输带音频的未经压缩的视频流，它的扩展性支持多视频或音频流，还提供1Mb/s、低延迟和双向的辅助通道，适合于互动、对话等应用，支持即插即用，能够支持收看高清电视、录像和其他受保护的内容，不仅可以取代DVI/HDMI，还可取代LVDS，应用前景十分广阔。

 

二、高清晰度电视与标准清晰度电视

高清晰度电视的概念是相对标准清晰度电视而言的。“标准清晰度”实际是指全球范围内最成功的两种图像扫描格式，即576i25（625/50）与480i29.97（525/59.94）。模拟与数字标清电视信源的国际标准为ITU-R BT.1700与BT.601建议，我国的相关国家标准为GB 3174与GB/T 14857。随着电视机屏幕尺寸的不断增大，“标清”电视信号的分辨率难以满足近距离观看的需要，4:3的幅形比也不符合人眼的视觉习惯，此时人们提出了高清电视的概念。随着AV与IT的融合不断加深，在全球范围内得到承认的数字高清晰度电视图像格式只有两种，即1920×1080与1280×720，二者皆为正方形像素取样，前者的标准可参考ITU-R BT.709与SMPTE 274M，后者目前只在SMPTE 296M中得以标准化，我国的相关行业标准为GY/T 155-2000。

根据目前存在的主流平板电视机的分辨率接近1280×720，还不足以支撑1920×1080。而且，1080i25为隔行扫描，而720p50为逐行扫描，在平板电视机上后者的显示效果更好，压缩算法还不足以将1080p50节目的码率压缩到可以接受的程度，可支持1080p50/59.94的设备型号寥寥无几等情况，EBU（欧洲广播联盟）推荐720p50，将来升级到1080p50。由于我国的电视制式与欧洲类似（PAL制），我国的广播电视业界也推荐采用这一方案。

 

三、SDI接口和HDMI、DP接口的标准属性

根据检索的相关资料和向国家标准委、信息产业部数据传输所，以及广播科学研究院部分专家征求的咨询意见，一致认为两个标准分属不同性质和应用领域。SDI标准是广播电视的专业接口标准（被国际电信联盟ITU-T、电影和电视工程师协会SMPTE认同），是国际电信联盟ITU-T、电影和电视工程师协会SMPTE推荐的数字视音频信号传输标准，同时也是国际标准；而HDMI标准在目前尚未被相关国际组织接纳为正式标准前，则属于一种可用于替代DVI接口的民用高清、高保真的视音频多媒体消费类产品的产业联盟标准，与VESA（Video Electronics Standards Association, 国际视频电子标准协会)提出的DisplayPort接口标准一样，是应用于PC、监视器、电视以及投影仪等PC产品和视音频多媒体消费类产品的国外先进标准。

 

四、SDI接口和HDMI、DP接口在地铁PIS系统和列车安防系统中的应用地铁PIS系统的整个传输方案大致如下：控制中心PIS服务器将要播放的PIS信号通过骨干网络以压缩视音频格式（一般采用MPEG-2）传输到个车站PIS交换机，车站PIS服务器（或显示控制器）将接收到的压缩视音频信号转化为相应传输方式所允许的格式通过便捷可靠的传输方式传输到显示终端。其结构框图大致如下图所示。

图6   PIS系统结构简图

地铁车站PIS系统除了播放一般数字电视及视频广告外，还要播放一些对乘客有用的帮助信息和指示信息，或是突发事件发生时的应急指示信息，采用标清串行数字信号（SD-SDI）即可满足要求。对于这样一个较为重要的地铁应用系统，其所采用技术的首选应该是经专业委员会推荐的、成熟的、标准的技术方案（或接口），其次还应考虑到地铁的应用环境（潮湿、电磁干扰严重、传输数据量大且存在一定传输距离等）。

在地铁的PIS系统中，车站数字电视及视频广告信号的传输距离多至几百米，而在列车安防系统中，还要考虑到列车解编和编组问题（存在多处电缆连接点）。根据深圳地铁一期工程PIS系统和列车安防系统工程经验，在车站PIS系统中数字电视及视频广告信号的传输距离超过了200m，而在列车安防系统中的传输距离也超过了120m（存在5处线缆连接点）。理论上，SDI接口和HDMI接口均可以在此场合中使用，只是SDI接口可以直接使用线缆连接终端设备，电缆连接点处也无需特殊处理；而HDMI接口则由于传输距离的限制需要经过多级中继放大后再连接终端设备，多处电缆连接点是否会对传输造成影响不得而知，同时还必须采用特定的线缆。

据调研，目前国内已开通运营的地铁线路中，其PIS系统大部分采用了SDI传输技术，如广州地铁1、2、3、4、5号线，南京地铁1号线，上海地铁3、4、10号线等，小部分地铁采用广播电视行业的CVBS接口，如上海地铁1、2号线。经验证明，新建线路仍沿用运营线路的技术，有利于设备维护和更新改造，降低运营费用。

而作为高清多媒体接口——HDMI接口和DisplayPort接口，由于种种原因，尚未发现有城市地铁线路的PIS系统采用上述两项技术。

 

五、SDI接口产品和HDMI、DisplayPort接口产品

SDI接口从二十世纪八十年代末被国际电信联盟确定为广播电视的标准接口后，在全球广播电视行业得到广泛的使用，SDI逐渐成为广播电视系统演播室、主控、播控系统的数字设备的标准配置，我国也相应出台了国家标准GB／T 17953-2000。同时，对于当前高清时代标准的全新数字化视频/音频技术的发展，SDI接口也在发展，相继推出了可以传输高清晰度串行数字分量的接口——HD－SDI接口，采用SMPTE 292M标准，具有更高的1.485 Gb/s数据速率。2006年又推出了采用新的3Gb/s的 SDI标准SMPTE-424M，这个第三代串行链接标准有望把高端影视环境中现有的HDTV传输速率翻倍。这些系列标准同样得到了国际电信联盟ITU-T、电影和电视工程师协会SMPTE的推荐，广电总局则将SDI接口推出的HD－SDI接口作为了国内数字高清电视的行业接口标准（GY／T 157-2000），因此，已拥有众多的设备生产厂商。

随着“HDMI高清多媒体接口组织HDMI Founders（HDMI论坛）”在2006年推出了新的，能够将带宽和数据传输速率增加一倍的HDMI 1.3标准以来，同时也由于HDMI接口已向相关国际组织申请接纳成为正式标准，开始获得越来越多的多媒体设备厂商的重视，多个厂商能够生产相关产品。国内的相关设备厂商及政府主管部门对于高清时代标准的全新数字化视频/音频接口技术的发展也给予了极大的关注，已在国内的有线电视机顶盒和DVD机、家庭数字化多媒体娱乐设施等设备上开始了应用。对于HDMI接口标准，信息产业部也正在着手制定国内应用的高清多媒体接口——HDMI接口标准。

DisplayPort接口的传输速率、安全性、开放性、可扩展性比其他的视频接口优势明显，是个理想的数字多媒体接口，其特性符合了PC和消费类电子领域对数字多媒体接口的要求。DisplayPort因无须专利费，在PC应用领域双方目标一致：外部替换VGA，内部替换LVDS，但DisplayPort与DVI、HDMI、UDI互不兼容。目前，不少PC界的厂商，例如ATI Technologies、Dell、Intel、 LG、Lenovo、HP等厂商支持采用DP技术，DP的应用前景还有待于市场的检验。

 

七、结束语

1、根据国家质量监督检验检疫总局2001年11月颁布的《采用国际标准管理办法》的规定，ISO、IEC、ITU等国际标准化组织制订的标准，以及国际标准化组织确认并公布的其他国际组织制订的标准为“国际标准”，而其他国际组织、国家、国外产业联盟或国外公司等制订的标准为“国外先进标准”，国家鼓励优先采用国际标准；

2、标准的可比性在于相同或相近的标准适用领域、场合，以及功能要求，否则其可比性就值得商榷；

3、 “百年大计，质量第一”，这是工程建设的宗旨。从设备系统质量、可靠性和可维修性看，选用技术标准的出发点应该是成熟、可靠、有运用经验的专业标准；

4、新建线路仍沿用运营线路的技术，有利于设备维护和更新改造，降低运营费用；5、综合对运营安全和投资等方面的考虑，工程建设中对所采用的技术一般遵循“够用即可，适度超前”的原则，并且往往要求其提供在相似或相同场合的运用证明，这是符合工程一贯做法和国家相关规定的。

 

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