Grundlagen des HDMI-Steckverbinders

Komponenten, die sowohl eine Video- als auch eine Audio-Ausgabe erzeugen, haben die Möglichkeit, diese entweder auf einem integrierten Bildschirm anzuzeigen oder das Signal an einen externen Monitor oder ein Display zu übertragen. Um Letzteres zu erreichen, ist ein Kabelsystem mit integrierten Steckverbindern erforderlich.

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung der Verbindungstechnologie über mehrere Jahre hinweg (Abbildung 1). Es beginnt mit der Einführung des Composite-RCA-Standards für Fernsehgeräte im Jahr 1956, geht über die Einführung von S-Video für Videorekorder und Heimcomputer im Jahr 1979 und umfasst VGA für IBM-PCs im Jahr 1987. Später, in den 1990er Jahren, wurde die Verbindungstechnik zu Component-RCA und DVI weiterentwickelt. Abgesehen von DVI nutzten diese Standards hauptsächlich analoge Kabelverbindungen, die die Übertragung von Audio- oder Videosignalen einzeln ermöglichten. Im Wesentlichen waren mehrere Kabel erforderlich, um die betriebliche Kompatibilität zu gewährleisten.

Abbildung 1: Die Entwicklung der Audio- und Videoanschlüsse im Laufe der Geschichte (Bildquelle: Same Sky)

DVI beschleunigte die Entwicklung, indem es die Unterstützung für digitales Video einführte. Wer jedoch Audio und Video gleichzeitig übertragen wollte, musste bis zu fünf separate Kabel verwenden. Der Durchbruch kam mit der Einführung des Standards HDMI 1.0 (High-Definition Multimedia Interface) im Jahr 2002, der diese verschiedenen Kabel zu einem einzigen zusammenfasste.

Diese Entwicklung hat dazu geführt, dass HDMI heute eines der am weitesten verbreiteten Formate für die Übertragung von Audio- und Videosignalen im privaten und beruflichen Umfeld ist. In diesem Artikel wird die kontinuierliche Weiterentwicklung der HDMI-Standards, der Anschlusstypen, der Funktionen und vieles mehr näher beleuchtet.

Übersicht über die HDMI-Standards

Seit seiner Einführung im Jahr 2002 hat der ursprüngliche HDMI-Standard ein Dutzend Aktualisierungen erfahren, die jeweils Verbesserungen wie höhere Geschwindigkeit, größere Bandbreite, verbesserte Auflösung, Unterstützung für neue Übertragungsformate und verschiedene Anschlussgrößen bieten.

HDMI 1.0 wurde ursprünglich vom HDMI-Forum entwickelt, um den Kabelsalat bei der Audio- und Videoübertragung zu reduzieren und gleichzeitig die Funktionalität zu verbessern. Diese Spezifikation umreißt die grundlegenden Fähigkeiten eines Schnittstellensystems mit einem einzigen Kabel und digitalen Audio- und Videoanschlüssen. Im Laufe der Zeit hat sich die HDMI-Technologie zur wichtigsten digitalen Schnittstelle entwickelt, die ultrahochauflösende Bildschirme nahtlos mit einer Vielzahl von Unterhaltungselektronik, PCs, mobilen Geräten, Autos, kommerziellen AV-Geräten und darüber hinaus verbindet.

Die neueste Version des Standards, HDMI 2.1, wurde im November 2017 eingeführt und unterstützt eine Reihe höherer Videoauflösungen und Bildwiederholraten, die bis zu 10K reichen. Darüber hinaus bietet er Unterstützung für HDR-Formate (High Dynamic Range) und eine Bandbreite von bis zu 48 Gbit/s. Trotz dieser Fortschritte bleibt der physische Stecker selbst unverändert.

Tabelle 1: Entwicklung der HDMI-Standards und Spezifikationen (Bildquelle: Same Sky)

Gängige Steckverbindertypen

Ein HDMI-Kabel besteht aus mehreren abgeschirmten, verdrillten Adernpaaren, die für die Übertragung des Videosignals zuständig sind, sowie aus einzelnen Leitern für die Stromversorgung, die Erdung und zusätzliche Kommunikationskanäle für Geräte mit geringerer Geschwindigkeit. HDMI-Steckverbinder dienen zum Abschluss des Kabels und zum Herstellen von Verbindungen mit den verwendeten Geräten. Diese Steckverbinder sind trapezförmig und weisen an zwei Ecken Einkerbungen auf, die das präzise Ausrichten beim Einstecken erleichtern und eine gewisse Ähnlichkeit mit USB-Steckern aufweisen. Der HDMI-Standard umfasst fünf verschiedene Steckertypen (Abbildung 2):

• Typ A (Standard): Ausgestattet mit 19 Pins und drei differenziellen Paaren, misst dieser Stecker 13,9 mm x 4,45 mm, wobei die weibliche Version etwas größer ist. Er bietet elektrische Abwärtskompatibilität mit DVI-D.
• Typ B (Dual Link): Mit 29 Pins und sechs differenziellen Paaren misst dieser Steckverbinder 21,2 mm x 4,45 mm. Er ist für die Verwendung mit sehr hochauflösenden Bildschirmen vorgesehen, wurde aber aufgrund seiner Größe nie in Produkten eingesetzt. Er bietet ebenfalls elektrische Abwärtskompatibilität mit DVI-D.
• Typ C (Mini): Kleiner als Typ A (Standard) mit Abmessungen von 10,42 mm x 2,42 mm, aber mit der gleichen Funktionalität und 19-Pin-Konfiguration. Er wurde für tragbare Geräte konzipiert.
• Typ D (Micro): Kompakte Größe mit Abmessungen von 5,83 mm x 2,20 mm und 19 Pins. Er hat Ähnlichkeiten mit Micro-USB-Anschlüssen und ist für kleine tragbare Geräte geeignet.
• Typ E (Automotive): Ausgestattet mit einer Verriegelungslasche, die ein vibrationsbedingtes Lösen der Verbindung verhindert, und einem Gehäuse, das Feuchtigkeit und Schmutz widersteht. Für Anwendungen im Automobilbereich ausgelegt, ist auch eine Relaisversion erhältlich, die die Verbindung mit A/V-Produkten für den Verbrauchermarkt erleichtert.

Alle diese Steckerverbindertypen sind sowohl als Stecker als auch als Buchsen erhältlich und bieten somit Flexibilität für verschiedene Anschlussanforderungen. Sie können gerade oder rechtwinklig sein, mit horizontaler oder vertikaler Ausrichtung. Buchsen sind in der Regel sowohl in der Quelle als auch im Empfänger integriert. Außerdem sind Adapter und Kupplungen erhältlich, um verschiedene Anschlusskonfigurationen zu ermöglichen. Für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen sind auch robuste Steckverbinderversionen erhältlich, die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit unter rauen Bedingungen gewährleisten.

Abbildung 2: HDMI-Steckerverbindertypen (Bildquelle: Same Sky)

HDMI-Pinkonfigurationen

Mit Ausnahme des Typs B sind alle HDMI-Steckertypen mit 19 Pins ausgestattet. Die Pinkonfiguration für die Signale, die sie übertragen, ist jedoch von Typ zu Typ unterschiedlich. Folglich gibt es innerhalb eines bestimmten Typs eine Abwärtskompatibilität. Es ist jedoch unbedingt erforderlich, bei der Kabelkonstruktion oder -montage darauf zu achten, dass die richtigen Pin-Nummern für die verschiedenen Signale verwendet werden. Da sich die verschiedenen Steckverbindertypen nicht verbinden lassen, gibt es keine Probleme mit Querverbindungen.

Die folgende Abbildung 3 zeigt eine typische Pinkonfiguration des Typs A. Die einzelnen Pins können Datensignale, Taktsignale, Niederspannungsversorgung, Steuersignale, CEC oder HEC übertragen.

Abbildung 3: HDMI-Pinkonfiguration (Bildquelle: Same Sky)

Gängige Kabeltypen

HDMI-Kabel werden in verschiedenen Ausführungen angeboten, darunter:

• HDMI-Kategorie 1 - Kabel für Standardgeschwindigkeit:
  • Standard (Kategorie 1): Einfaches HDMI-Kabel
  • Standard mit Ethernet (Kategorie 1): Identisch mit dem Standardkabel, jedoch mit integriertem Ethernet-Kanal
  • Standard Automotive (Kategorie 1): Erfüllt die grundlegenden Kabelanforderungen, ist aber für Anwendungen im Automobilbereich zugeschnitten
• HDMI-Kategorie 2 - Highspeed-Kabel:
  • Highspeed (Kategorie 2): Wird für die Übertragung von Videosignalen mit höherer Auflösung verwendet
  • Highspeed mit Ethernet (Kategorie 2): Ähnlich wie Highspeed-Kabel, aber mit Ethernet-Fähigkeit ausgestattet

Abschließende Designüberlegungen

Bei einem Platinenlayout für HDMI-Geräte ist sorgfältige Planung erforderlich, um das Übersprechen zu minimieren und die Signalintegrität zu erhalten. Auch die Verwendung mit verdrillten Adernpaaren sollte mit Vorsicht geschehen. Bei Kabeln, die verdrillte Paare verwenden, kann es zu Signalverlusten kommen, insbesondere bei Entfernungen nahe 50 Fuß (etwa 15 Meter) aufgrund von Dämpfungen. Um diese Reichweite zu vergrößern, können HDMI-Extender eingesetzt werden, die Entfernungen von bis zu 300 Fuß (etwa 91 Meter) ermöglichen.

Außerdem ist die HDMI-Technologie nicht ideal für die gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Geräte. Sie ist nicht in der Lage, mehrere Signale an separate Geräte zu übertragen und kann nicht gleichzeitig Surround- und Stereo-Audiosignale übertragen.

Fazit

Die HDMI-Verbindungstechnologie ist eine hervorragende Lösung, um Kabelsalat zu reduzieren und Systeme zu vereinfachen, während gleichzeitig hochwertige Audio- und Videosignale mit hoher Bandbreite übertragen werden können. Die Weiterentwicklung des Standards hat Verbesserungen bei der Datenübertragungsgeschwindigkeit, der Bandbreite und der Integration von wichtigen Funktionen wie Ethernet ermöglicht. Die Steckverbinder und Kabel, aus denen dieses System besteht, sind in verschiedenen Bereichen wie Home Entertainment, Kommunikation am Arbeitsplatz sowie im gewerblichen und industriellen Bereich weit verbreitet. Same Sky bietet eine Reihe von HDMI-Buchsensteckern für die Entwicklung von AV-Signalanwendungen an.