DVI e HDMI in breve

Steve Somers, vice presidente del settore Ingegneria

DVI, ovvero Digital Visual Interface, è un'interfaccia progettata per collegamenti punto-punto e ispirata al concetto di semplicità "plug-and-play". L'interfaccia DVI base supporta soltanto l'interfaccia grafica computer video, senza interfaccia audio, protezione dei diritti d'autore o altre caratteristiche. Anche se l'insieme dei circuiti integrati ("chipset") DVI ha subito un'evoluzione che include ora supporto di audio e sicurezza, le dimensioni fisiche del connettore dell'interfaccia non si prestano a installazioni di sistema e praticità a livello consumer.

Da DVI a dvi?

Parametri prestazionali base di HDMI

Prestazioni
- Compatibilità DVI
- Pixel clock: da 25 a 600 MHz
- Velocità di oltre 18 Gbps
Semplice collegamento plug-and-play
Richiede un unico cavo
Integrazione di video, audio e protezione dei contenuti
Controllo consumer di livello elevato
Maggiore distanza di trasmissione

Fig. 1: parametri prestazionali base di HDMI

HDMI comprende la tipologia originale dell'interfaccia elettrica DVI nota nel settore dell'elettronica come TMDS, ovvero "Transition-Minimized Differential Signaling". HDMI può essere considerato come un insieme superiore che include DVI accanto a supporto dell'audio digitale a numerosi rate fra cui surround sound, protezione dei diritti d'autore e controllo consumer, il tutto in un connettore che misura circa la metà del connettore DVI originale.

Il consorzio HDMI (www.hdmi.org) è stato costituito nel 2002 e ha lanciato la specifica iniziale nello stesso anno. La versione 1.1 della specifica è stata rilasciata nel 2004. Nella Fig. 1 si riportano i parametri prestazionali base di HDMI. L'opinione è che HDMI sia la soluzione di collegamento singola per l'elettronica consumer dato che comprende tutte le interfacce elettriche necessarie in un pacchetto unico e compatto che i consumatori considerano semplice da usare. È inoltre un connettore promosso sia dalla tv via cavo sia dagli esperti della protezione dei contenuti di Hollywood. HDMI utilizza un plug a 19 poli più compatto rispetto a DVI. Di certo, un connettore più piccolo è migliore dal punto di vista dell'installazione e dell'integrazione dei sistemi. In scenari di implementazione reali i connettori HDMI rimangono spesso in corrispondenza della sorgente o della destinazione sotto forma di cavi di permutazione I/O corti e concretamente non hanno particolare impatto sulla capacità degli integratori di installare la distribuzione HDMI. Tratteremo questo argomento più avanti.

Formati video supportati

Formati DTV — EIA/CTA 861-G
- SDTV: NTSC e PAL, HDTV e UHDTV
- Interlacciato da 480i a 1080i
- Progressivo da 480p a 4K/60 Hz, single-link
Formati computer
- VGA, SVGA e XGA fino a 5K
- Formati computer Wide
- Qualsiasi formato VESA o definito dal fornitore

Formati audio supportati

Formati audio compressi
- Dolby
- DTS
Formati audio non compressi
- Fino a 32 canali, 192 KHz, 24 bit
- Audio DVD
- Audio di qualità CD a livello base
- Due canali, 16 bit a 32, 44,1 o 48 KHz

Fig. 2: formati audio e video supportati da HDMI

I collegamenti HDMI fisici richiedono cavi twisted pair schermati con precisione. Il cavo comprende quattro coppie twisted pair schermate, una per il segnale clock sorgente e tre per i dati digitali, oltre a cinque conduttori distinti per alimentazione, funzioni di comunicazione secondarie e un riferimento di massa per queste funzioni.

HDMI supporta formati sia di computer grafica che di televisione digitale. Per il supporto della televisione digitale (DTV) si rimanda il lettore a CTA 861G, che descrive l'ambito più ampio di HDMI fino ad includere il supporto della televisione digitale e caratteristiche di controllo oltre al supporto previsto della grafica computer. Un collegamento HDMI single-link offre banda dati sufficiente per supportare il video 4K. Si tratta di risoluzioni massime di 4096x2160/60 Hz con 8 bit per colore e campionamento 4:4:4. Fare riferimento alla Fig. 2 per un elenco dei formati video e audio supportati.

Promesse di distanza

Avete sentito che HDMI promette di supportare cavi con lunghezze superiori a DVI? È curioso vedere come sia la specifica DVI sia la specifica HDMI contengono gli stessi requisiti in termini di prestazioni elettriche fra la sorgente e il dispositivo sink, o ricevitore. Come si spiega quindi che la connettività HDMI è promossa per distanze operative massime di 23 m contro distanze nominali di 5 m per l'interfaccia DVI base? Ecco la risposta: il settore sta sperimentando le metodologie necessarie a produrre cavi migliori per la tecnologia di questo tipo di interfaccia. Metodi migliori di produzione per i cavi twisted pair schermati con precisione abbinati ai volumi di vendita di elettronica consumer concretizzeranno l'avvento di cavi HDMI più lunghi ed economici.

La distanza delle tratte di cavi diventa essenziale a causa di particolari tolleranze di timing che è necessario mantenere all'interno delle specifiche DVI/HDMI. A parte i requisiti di trasmettitore e ricevitore in cui l'uniformità dovrebbe essere un dato di fatto, il cavo diventa la principale variabile che influenza le prestazioni nel sistema di trasmissione. I cavi twisted pair, utilizzati dalle interfacce DVI/HDMI, sono soggetti a due tipi di ritardo ("skew") che a valori eccessivi può creare errori di timing e causare perdite di dati. Questi parametri comprendono il ritardo all'interno delle coppie di conduttori, con un differenziale temporale fra i due conduttori che costituiscono la coppia stessa, e il ritardo fra diverse coppie di conduttori, in cui il differenziale si verifica fra linee twisted pair separate all'interno del cavo pre-assemblato.

In Fig. 3 si riporta il budget temporale di skew, o ritardo, per tutti i componenti all'interno di un sistema che trasporta video 1080p con trasmissione TMDS, incluso il cavo. Si noti che il ritardo totale tollerabile all'interno delle coppie di conduttori corrisponde a soltanto 0,8 di una cella di bit, ovvero circa 4,8 picosecondi. Il ritardo fra diverse coppie di conduttori non può superare di 1,2 volte il valore di un pixel, ovvero circa 7,2 nanosecondi. Un altro parametro di importanza fondamentale è la telediafonia, o FEXT. Nei cavi STP si tratta di solito di un valore molto basso ma è richiesta particolare cura nel punto di terminazione del ricevitore. È necessario osservare un margine di almeno 5-6 dB fra perdita del cavo e FEXT per garantire un funzionamento affidabile.

Due onde digitali che confrontano il segnale di clock TMDS e i bit di dati TMDS per 1080p e mostrano come il ritardo fra diverse coppie di conduttori non possa superare un valore di circa 7,2 nanosecondi. — Fig. 3: budget temporale di ritardo per video 1080p con trasmissione TMDS per tutti i componenti

Dati i valori estremamente contenuti di tolleranza, non sorprende che la costruzione dei cavi DVI e HDMI sia di importanza cruciale. Di solito il ritardo fra diverse coppie di conduttori in un cavo di tipo CAT 5 supera facilmente 7,2 nanosecondi, ma nel cavo stesso il ritardo è introdotto per ridurre al minimo la diafonia (effetto "crosstalk"). Eliminare il ritardo nei dati all'interno delle reti è compito del ricevitore dei dati. Ma che cosa succede su distanze più ampie? Di certo è richiesta un soluzione ancora migliore di quanto proposto da HDMI. Proseguiamo.

Meno preoccupazioni sulla pirateria

HDCP è l'acronimo di "High-Bandwidth Digital Content Protection", un ulteriore sottoinsieme della specifica HDMI. Rilasciato nel 2000 e integrato direttamente in DVI, HDCP offre sicurezza dei dati per l'interfaccia e ci si augura che possa placare le preoccupazioni relative alla pirateria espresse dai fornitori di contenuti digitali. Il protocollo HDCP è implementato in parte tramite un link di comunicazione a due vie all'interno dell'interfaccia di controllo I2C utilizzata dal protocollo DDC (Data Display Channel) e dai collegamenti TMDS ad alta velocità usati per trasportare le informazioni dell'immagine. Il canale DDC è il link esistente nell'interfaccia DVI che consente al sistema di grafica sorgente di comunicare con il dispositivo di visualizzazione per determinarne le capacità di risoluzione.

Diagramma che illustra le modalità di collegamento fra dispositivi sorgente, sink e ripetitori in un sistema HDCP, oltre a un elenco di vantaggi. — Fig. 4: gerarchia dei collegamenti HDCP

HDCP è un protocollo solido che si avvicina alla complessità di TCP/IP SSL (Secure Socket Layer), utilizzato per la sicurezza su Internet. I dispositivi HDMI autorizzati contengono chiavi segrete con valori specifici oltre a un identificativo speciale definito "KSV" (Key Selection Vector). Questi valori, o codici, sono forniti da Digital Content Protection LLC, la terza parte designata istituita per fornire chiavi fidate a produttori di dispositivi con licenza HDMI. Ad ogni collegamento di un dispositivo HDMI nel sistema si verifica automaticamente una routine di autenticazione suddivisa in tre passaggi. Innanzitutto vengono scambiati i valori condivisi, o codici, fra i dispositivi, in secondo luogo viene comunicato l'identificativo KSV di ogni ricevitore alla sorgente e da ultimo vengono inviati messaggi cifrati frame per frame ai ricevitori che consentono la decodifica dei dati.

Come da Fig. 4, HDCP supporta il collegamento fra dispositivi tramite una gerarchia di sorgenti, dispositivi sink - o ricevitori - e ripetitori. Tutti i dispositivi in un sistema HDCP comunicano attraverso un protocollo concepito per consentire il passaggio di contenuti digitali soltanto verso i dispositivi autorizzati a riceverli in base a quanto determinato dalla sorgente. La gerarchia supporta un numero limitato di ripetitori e dispositivi totali. I ripetitori si limitano a passare i protocolli HDCP in due direzioni fra sorgenti e ricevitori senza agire sui dati. Tuttavia, la sorgente deve autenticare il ripetitore per garantirne l'autorizzazione a gestire il traffico di contenuti sicuri.

Controllo dell'utente

Grazie allo standard CTA 861G si è aperta una frontiera completamente nuova di funzioni di controllo opzionali integrate in HDMI per il consumatore e anche per noi, appassionati di sistemi AV. Il sistema CEC (Consumer Electronics Control) incorporato offre al momento 14 funzioni che gestiscono un controllo plug-and-play fra prodotti consumer. La funzione CEC è gestita tramite un collegamento con conduttori separato nell'interfaccia HDMI e contiene un protocollo e un servizio QoS (Quality of Service) specifici.

Ad esempio, in un'installazione in cui tutti i dispositivi utilizzano HDMI, la tipologia di collegamento in daisy-chain supportata può prevedere il collegamento di un lettore Blu-ray attraverso un sintonizzatore/ricevitore AV ad un televisore e, in questo modo, consentire all'utente di accendere in maniera fluida tutti i dispositivi a valle del lettore Blu-ray, segnalare la commutazione sull'input appropriato e avviare il film semplicemente premendo la funzione PLAY sul lettore Blu-ray. Il concetto alla base di CEC è semplice, ma l'impegno richiesto per implementare tutte le funzioni in HDMI è considerevole, anche se l'implementazione di CEC è opzionale. Questo concetto comporta l'esigenza di prevedere eventuali test di interoperabilità.

Requisiti di interoperabilità

Al fine di promuovere la fiducia dei consumatori e la compatibilità dei dispositivi, gli utenti di HDMI sono tenuti a rispettare l'accordo di conformità, in base al quale è necessario superare test specifici di interoperabilità prima di poter apporre il logo HDMI su un prodotto.

Authorized Testing Center, un'organizzazione indipendente, è incaricata dei test di conformità iniziali su prodotti appartenenti alle categorie designate. In base alla specifica HDMI, i prodotti sono suddivisi nelle seguenti categorie base: sink, sorgente, ripetitore o cavo. Una volta sottoposti ai test di ATC, tutti i prodotti della stessa categoria che superano queste prove possono essere testati e auto-certificati dal produttore dei dispositivi. In base alla specifica HDMI, la conformità a parametri di interoperabilità è un requisito.

Le possibilità vanno oltre i 23 metri

Per i progettisti di sistema le possibilità per HDMI si estendono oltre distanze di 23 metri. È disponibile un'ampia gamma di prodotti di estensione HDMI/DVI che consentono di raggiungere distanze effettive doppie o quattro volte superiori alla lunghezza del cavo. Sono stati sviluppati componenti di estensione totalmente nuovi per trarre vantaggio dai cavi CATx di rete economici e facili da terminare. È possibile raggiungere lunghezze di circa 100 m per collegamenti DVI e HDMI, addirittura per video 4K. In situazioni che non richiedono la piena estensione di 70 m o 100 m dei cavi CATx o se è poco pratica l'installazione di nuovo cablaggio, è possibile ricorrere a prodotti di equalizzazione HDMI in fondo a una tratta di cavi per ripristinare l'integrità dei segnali.

Per requisiti ancora superiori, numerosi soluzioni in fibra a costo relativamente basso consentono di raggiungere distanze di circa 90 m, mentre distanze massime di 30 km sono realizzabili su fibra monomodale. Il basso costo di alcune di queste interfacce a diodo laser è dovuto al collegamento fisso della fibra al modulo del plug dell'interfaccia. Queste soluzioni non sono particolarmente semplici dal punto di vista dell'installazione per tratte che richiedono condotti ma possono essere adatte a scenari con cavi in fibra non protetti. Soluzioni leggermente più costose prevedono il tipico connettore LC in fibra per collegamenti e installazione semplici e affidabili in canaline e condotti utilizzando il cavo in fibra preferito.

HDMI, DVI o forse entrambi?

DVI ha introdotto il formato di trasmissione video digitale TMDS ma lo standard DVI non è di per sé mai stato aggiornato. Al contrario, HDMI estende il formato TMDS ed è uno standard attivamente aggiornato che aggiunge caratteristiche ad ogni nuova revisione e contribuisce all'evoluzione delle tecnologie AV in vista del supporto di risoluzioni più elevate, audio multicanale e miglioramenti alla qualità come HDR. L'interfaccia DVI non è ulteriormente prevista in molti dei nuovi display, ma il connettore DVI fisico presenta il vantaggio della sicurezza meccanica, mentre il connettore HDMI standard non è dotato di un meccanismo di bloccaggio. Se sono necessarie le caratteristiche avanzate offerte da HDMI ma si preferisce il collegamento DVI più solido sarà una piacevole sorpresa vedere come molti prodotti Extron dotati di collegamenti DVI supportano anche le caratteristiche di HDMI. Dato che DVI e HDMI sono caratterizzati dallo stesso metodo di trasmissione digitale, è possibile ricorrere a adattatori a basso costo per convertire i due formati.