HDMI-liittimien perusteet

Videota ja ääntä generoivat laitteet voivat joko esittää ne integroidulla näytöllä tai siirtää signaalin ulkoiseen näyttöön. Jälkimmäistä varten tarvitaan integroiduilla liittimillä varustettu kaapelijärjestelmä.

Artikkelin tässä osassa esitellään liitäntätekniikan kehitystä vuosien varrella (kuva 1). Merkittäviä virstanpylväitä ovat vuonna 1956 televisioita varten lanseerattu RCA-komposiittistandardi, vuonna 1979 markkinoille saapunut videonauhureiden ja kotitietokoneiden kanssa käytetty S-Video ja IBM-PC-tietokoneiden VGA-liitäntä vuodelta 1987. Sitten 1990-luvulla ilmestyivät RCA-komponenttistandardi ja DVI. DVI:tä lukuun ottamatta nämä standardit pohjautuvat ensi sijassa analogisiin kaapeliyhteyksiin, jotka mahdollistavat joko ääni- tai videosignaalien kuljettamisen erillään. Yhteentoimivuuden varmistamiseksi piti käyttää useita kaapeleita.

Kuva 1: Ääni- ja videoliitäntöjen kehitys läpi historian. (Kuvan lähde: Same Sky.)

DVI oli aikanaan edistyksellinen standardi, joka lisäsi tuen digitaaliselle videolle. Silti ääntä ja videota yhtä aikaa siirtävien käyttäjien piti käyttää joskus jopa viittä erillistä kaapelia. Vuonna 2002 käänteentekevä High-Definition Multimedia Interface (HDMI 1.0) -standardi yhdisti erilliset kaapelit yhdeksi kokonaisuudeksi.

Tämän kehityksen myötä HDMI:stä tuli nopeasti yksi nykypäivän yleisimmistä ääni- ja videosignaalien siirtomenetelmistä koti- ja yrityskäytössä. Tässä artikkelissa tutustutaan lähemmin mm. HDMI-standardien, liitintyyppien ja ominaisuuksien jatkuvaan kehitykseen.

HDMI-standardien yleiskatsaus

Vuonna 2002 lanseerattu alkuperäinen HDMI-standardi on käynyt läpi useita päivityksiä, jotka ovat parantaneet tiedonsiirtonopeutta, kaistanleveyttä ja resoluutiota. Lisäksi niiden myötä on lisätty tuki uusille lähetysmuodoille ja erikokoisille liittimille.

Alun perin HDMI Forumin kehittämän HDMI 1.0 -standardin tarkoituksena oli vähentää ääni- ja videoyhteyksistä aiheutuvaa kaapelisotkua ja parantaa laitteiston ominaisuuksia. Tässä spesifikaatiossa määriteltiin perustavanlaatuiset ominaisuudet, eli integrointi yhteen kaapeliin, digitaalinen ääni ja videoliitinjärjestelmä. Ajan myötä HDMI-tekniikasta on tullut ensisijainen digitaalinen multimediarajapinta, jolla voi yhdistää saumatta ultrateräväpiirtonäyttöjä esimerkiksi erilaisiin kuluttajalaitteisiin, tietokoneisiin, mobiililaitteisiin, autoihin ja kaupallisiin AV-laitteisiin.

Standardin uusin HDMI 2.1 -versio lanseerattiin marraskuussa 2017. Se tukee useita korkeampia videoresoluutioita (jopa 10K) ja virkistystaajuuksia. Siihen on myös lisätty tuki laajan dynaamisen alueen (High Dynamic Range, HDR) videomuodoille ja 48 Gbps:n tiedonsiirrolle. Kehityksestä huolimatta fyysisen liittimen muoto on pysynyt samana.

Taulukko 1: HDMI-standardien ja -spesifikaatioiden kehitys. (Kuvan lähde: Same Sky.)

Yleiset liitintyypit

HDMI-kaapeli sisältää useita kierrettyjä parikaapeleita videosignaalin siirtoon sekä erillisiä johtimia virtaa, maadoitusta ja matalamman nopeuden tiedonsiirtokanavia varten. HDMI-liittimet terminoivat kaapelin ja muodostavat yhteyden käytettäviin laitteisiin. Näissä puolisuunnikkaanmuotoisissa liittimissä on kahdessa kulmassa lovet, jotka helpottavat kohdistusta. Liitin muistuttaa hieman USB-liitintä. HDMI-standardiin kuuluu viisi erillistä liitintyyppiä (kuva 2):

• Tyyppi A (standardi): 19 nastaa ja kolme differentiaaliparia. Mitoiltaan 13,9 x 4,45 mm, naarasliitin hieman suurempi. Sähköisesti taaksepäin yhteensopiva DVI-D:n kanssa.
• Tyyppi B (Dual Link): 29 nastaa ja kuusi differentiaaliparia. Mitoiltaan 21,2 x 4,45 mm. Tarkoitettu käyttöön korkean resoluution näyttöjen kanssa, mutta suuren kokonsa vuoksi sitä ei ole koskaan implementoitu tuotteisiin. Myös sähköisesti taaksepäin yhteensopiva DVI-D:n kanssa.
• Tyyppi C (Mini): Pienempi kuin standardikokoinen A-tyyppi, mitoiltaan 10,42 x 2,42 mm. Samat toiminnot ja 19 nastan konfiguraatio. Suunniteltu kannettaville laitteille.
• Tyyppi D (Micro): Kompakti koko, mitoiltaan vain 5,83 x 2,20 mm. 19 nastaa. Tämä pieniä kannettavia laitteita varten räätälöity liitin muistuttaa Micro-USB-liitintä.
• Tyyppi E (autoteollisuus): Lukitusliuskan tarkoituksena on estää tärinää irrottamasta liitintä. Kuori on suunniteltu kestämään kosteutta ja likaa. Tälle autoteollisuuden sovelluksiin suunnitellulle liitännälle on saatavilla muunnin, jonka avulla se voidaan kytkeä A/V-kuluttajatuotteisiin.

Kaikista näistä liittimistä on saatavana uros- ja naarasversiot monipuolisten kytkentävaihtoehtojen mahdollistamiseksi. Niitä on saatavilla suorina ja suorakulmaisina sekä vaaka- ja pystysuuntaisina. Naarasliittimet on yleensä integroitu sekä lähdelaitteisiin että vastaanottimiin. Lisäksi saatavilla on laajalti sovittimia ja liitososia mahdollistamaan erilaiset konfiguraatiot. Vaativissa kohteissa käytettäviin sovelluksiin on saatavilla lujatekoisia liitinversioita, jotka parantavat kestävyyttä ja luotettavuutta haastavissa käyttöolosuhteissa.

Kuva 2: HDMI-liitintyypit (kuvan lähde: Same Sky)

HDMI-nastakonfiguraatiot

B-tyyppiä lukuun ottamatta kaikissa eri HDMI-liitinvaihtoehdoissa on 19 nastaa. Nastakonfiguraatio kuitenkin vaihtelee eri liitinten välillä sen suhteen, mitä signaalia kunkin nastan kautta kuljetetaan. Liitintyypit ovat taaksepäin yhteensopivia aikaisempien versioidensa kanssa. Kaapeleiden suunnittelussa ja kokoonpanossa tulee kuitenkin olla huolellinen, jotta oikeat nastat kytketään oikeisiin signaaleihin. Koska erityyppisiä liittimiä ei voi kytkeä toisiinsa, vaaraa vääränlaisesta kytkennästä ei ole.

Alla olevassa kuvassa 3 esitellään tyypillinen A-tyypin nastakonfiguraatio. Yksittäiset nastat voivat kuljettaa data- ja kellosignaaleja, pienjännitevirtaa, ohjaussignaaleja sekä CEC- ja HEC-signaaleja.

Kuva 3: HDMI-nastakonfiguraatio (Kuvan lähde: Same Sky)

Yleiset kaapelityypit

HDMI-kaapeleita on eri tyyppejä, kuten seuraavat:

• HDMI-luokka 1 – standardinopeuden kaapelit:
  • Standardi (luokka 1): HDMI-peruskaapeli.
  • Standardi Ethernet-tuella (luokka 1): sama kuin standardikaapeli, mutta sisältää Ethernet-kanavan.
  • Standardi autoteollisuuskäyttöön (luokka 1): täyttää peruskaapelin vaatimukset, mutta räätälöity autoteollisuussovelluksiin.
• HDMI-luokka 2 – huippunopeat kaapelit:
  • Huippunopea (luokka 2): siirtää videosignaalia korkeammalla resoluutiolla.
  • Huippunopea Ethernet-tuella (luokka 2): samankaltainen kuin huippunopea kaapeli, mutta sisältää Ethernet-tuen.

Suunnitteluun liittyvät loppuhuomautukset

HDMI-laitteiden kanssa käytettävien piirilevyjen suunnittelussa vaaditaan huolellisuutta ylikuulumisen vähentämiseksi ja signaalieheyden säilyttämiseksi. Myös kierrettyjä parikaapeleita käyttävissä ratkaisuissa vaaditaan erityishuomiota. Kierretyt parikaapelit voivat johtaa signaalin heikkenemiseen vaimennuksen kasvaessa, erityisesti pituuden lähetessä 15 metriä. Etäisyyttä voidaan pidentää käyttämällä HDMI-vahvistimia, jotka mahdollistavat jopa yli 90 metrin etäisyyden.

Lisäksi HDMI-teknologia ei ole ihanteellinen useiden laitteiden samanaikaiseen käyttöön. Se ei tue useampien signaalien siirtämistä eri laitteisiin eikä surround- ja stereoäänen samanaikaista siirtämistä.

Yhteenveto

HDMI-liitäntätekniikka tarjoaa erinomaisen ratkaisun korkealaatuisen ja korkean kaistanleveyden ääni- ja videosignaalien siirtämiseksi yhtä aikaa. Se auttaa vähentämään kaapelisekamelskaa ja yksinkertaistamaan järjestelmiä. Standardin kehityksen myötä on parannettu tiedonsiirtonopeutta ja kaistanleveyttä sekä lisätty uusia ominaisuuksia, kuten Ethernet. Nämä liittimet ja kaapelit ovat erittäin yleisiä monissa käyttökohteissa, kuten kodin viihdelaitteissa, työpaikoilla sekä kaupallisilla ja teollisilla toimialoilla. Same Sky tarjoaa laajan valikoiman HDMI-naarasliittimiä, joka vastaa suunnittelijoiden AV-signaalivaatimuksiin.