Principi base dei connettori HDMI

I dispositivi che generano un'uscita video e audio hanno la possibilità di visualizzarla su uno schermo su scheda o di trasmettere il segnale a un monitor o display esterno. In questo secondo caso, è necessario un sistema di cavi con connettori integrati.

Questa sezione dell'articolo illustra l'evoluzione della tecnologia di interconnessione nell'arco di parecchi anni (Figura 1). Inizia con l'introduzione dello standard Composite RCA per i televisori nel 1956, passa per l'adozione di S-Video per i videoregistratori e i computer utente nel 1979 e abbraccia VGA per i PC IBM nel 1987. Successivamente, negli anni '90 è passato a Component RCA e DVI. A parte DVI, questi standard utilizzavano principalmente connessioni via cavo analogiche, che consentivano la trasmissione di singoli segnali audio o video. In sostanza, erano necessari più cavi per garantire la compatibilità operativa.

Figura 1: La progressione dei connettori audio e video nel corso della storia (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

DVI ha fatto progressi nel campo introducendo il supporto per il video digitale. Tuttavia, gli utenti che volevano trasferire simultaneamente audio e video dovevano ricorrere anche a cinque cavi separati. La svolta è arrivata con l'avvento dello standard High-Definition Multimedia Interface (HDMI 1.0) nel 2002, che ha riunito questi cavi multipli in uno solo.

Questa evoluzione ha portato HDMI a diventare uno dei formati più diffusi per il trasferimento di segnali audio-video sia in ambito domestico sia lavorativo. Questo articolo analizza la continua evoluzione degli standard HDMI, i tipi di connettore, le funzionalità e altro ancora.

Panoramica degli standard HDMI

Dalla sua nascita nel 2002, lo standard HDMI originale è stato sottoposto a una dozzina di aggiornamenti, ognuno dei quali ha offerto miglioramenti come una maggiore velocità, una maggiore larghezza di banda, una migliore risoluzione, il supporto di nuovi formati di trasmissione e connettori di dimensioni diverse.

Inizialmente sviluppato dall'HDMI Forum, HDMI 1.0 aveva l'obiettivo di snellire l'ingombro dei cavi necessari per la trasmissione audio e video, migliorando al contempo le funzionalità. Questa specifica ha delineato le funzionalità fondamentali di un sistema di interfaccia con connettore per audio e video digitale a cavo singolo. Nel corso del tempo, la tecnologia HDMI si è evoluta fino a diventare l'interfaccia digitale principale, collegando senza soluzione di continuità gli schermi ad altissima definizione con una miriade di dispositivi elettronici consumer, PC, dispositivi mobili, automobili, apparecchiature AV commerciali e altro.

La più recente iterazione dello standard, HDMI 2.1, è stata introdotta nel novembre 2017 e supporta diverse risoluzioni video e frequenze di aggiornamento più elevate, fino a 10K. Inoltre, incorpora il supporto per i formati High Dynamic Range (HDR) e vanta capacità di larghezza di banda fino a 48 Gbps. Nonostante questi progressi, il connettore fisico rimane invariato.

Tabella 1: Progressione e specifiche degli standard HDMI (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Tipi di connettori comuni

Un cavo HDMI comprende più coppie di doppini intrecciati schermati responsabili della trasmissione del segnale video, oltre a singoli conduttori per l'alimentazione, la messa a terra e altri canali di comunicazione con dispositivi a bassa velocità. I connettori HDMI servono a terminare il cavo e a stabilire le connessioni con i dispositivi in uso. Questi connettori hanno una forma trapezoidale, con rientranze su due angoli per facilitare l'allineamento preciso durante l'inserimento e assomigliano un po' ai connettori USB. Lo standard HDMI comprende cinque tipi di connettori distinti (Figura 2):

• Tipo A (standard): dotato di 19 pin e tre coppie differenziali, questo connettore misura 13,9 x 4,45 mm; la versione femmina è leggermente più grande. Vanta la retrocompatibilità elettrica con DVI-D.
• Tipo B (Dual Link): con 29 pin e sei coppie differenziali, questo connettore misura 21,2 x 4,45 mm. È destinato all'uso con display ad altissima risoluzione, ma non è mai stato utilizzato nei prodotti a causa delle sue dimensioni. Inoltre, mantiene la retrocompatibilità elettrica con DVI-D.
• Tipo C (Mini): più piccolo rispetto al tipo A (standard), misura 10,42 x 2,42 mm, ma presenta le stesse funzionalità e la stessa configurazione a 19 pin. È progettato per i dispositivi portatili.
• Tipo D (Micro): dalle dimensioni compatte, misura 5,83 x 2,20 mm e ha 19 pin. Presenta analogie con i connettori Micro-USB ed è stato concepito per i dispositivi portatili di piccole dimensioni.
• Tipo E (automotive): progettato con una linguetta di bloccaggio per impedire lo scollegamento indotto dalle vibrazioni e un guscio resistente all'umidità e alla sporcizia. Destinato alle applicazioni automotive, è disponibile una versione con relè per facilitare l'interfacciamento con i prodotti A/V per il mercato consumer.

Tutti questi tipi di connettore sono disponibili sia in versione maschio che femmina, per offrire flessibilità alle diverse esigenze di connessione. Possono essere diritti o ad angolo retto, con orientamento orizzontale o verticale. I connettori femmina sono in genere integrati sia nel dispositivo sorgente sia in quello ricevente. Inoltre, gli adattatori e gli accoppiatori sono facilmente accessibili per accettare diverse configurazioni di connessione. Per le applicazioni in ambienti difficili, sono disponibili anche versioni robuste dei connettori, che garantiscono durata e affidabilità in condizioni difficili.

Figura 2: Tipi di connettore HDMI (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Configurazioni dei pin HDMI

Ad eccezione del tipo B, tutti gli altri tipi di connettore HDMI contengono tutti 19 pin. Tuttavia, la configurazione dei pin per i segnali trasmessi varia da tipo a tipo. Di conseguenza, ogni tipo specifico prevede la retrocompatibilità. Tuttavia, è necessario prestare attenzione durante la progettazione o l'assemblaggio dei cavi per assicurarsi che vengano utilizzati i numeri di pin corretti per i diversi segnali. Poiché i connettori di tipo diverso non possono interagire, non esistono problemi di collegamento incrociato.

La Figura 3 illustra una tipica configurazione dei pin di tipo A. I singoli pin sono in grado di trasportare segnali di dati, segnali di clock, alimentazione a bassa tensione, segnali di controllo, CEC o HEC.

Figura 3: Configurazione dei pin HDMI (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Tipi di cavi comuni

I cavi HDMI sono disponibili in vari tipi, tra cui:

• HDMI Categoria 1 - Cavi a velocità standard:
  • Standard (Categoria 1): cavo HDMI di base
  • Standard con Ethernet (Categoria 1): identico al cavo standard, ma con un canale Ethernet incorporato
  • Standard automotive (Categoria 1): soddisfa i requisiti di base del cavo, ma è stato adattato alle applicazioni automotive
• HDMI Categoria 2 - Cavi ad alta velocità:
  • Alta velocità (Categoria 2): utilizzato per la trasmissione di segnali video ad alta risoluzione
  • Alta velocità con Ethernet (Categoria 2): simile ai cavi ad alta velocità, ma dotato di funzionalità Ethernet

Considerazioni progettuali finali

Nel layout di una PCB con dispositivi HDMI, è essenziale prestare attenzione a come mitigare la diafonia e mantenere l'integrità del segnale. Ciò vale anche per i progetti che utilizzano coppie di fili intrecciati. I cavi che utilizzano doppini intrecciati possono subire perdite di segnale, in particolare su distanze prossime ai 15 metri, a causa dell'attenuazione. Per estendere questa portata, è possibile utilizzare gli espansori HDMI, che consentono di raggiungere distanze fino a 90 metri.

Inoltre, la tecnologia HDMI non è ideale per il pilotaggio simultaneo di più dispositivi. Non ha la capacità di trasmettere segnali multipli a dispositivi separati e non può trasmettere contemporaneamente segnali surround audio e stereo.

Conclusione

La tecnologia di connessione HDMI è una soluzione eccellente per ridurre l'ingombro dei cavi e semplificare i sistemi, ospitando contemporaneamente segnali audio e video di alta qualità ed elevata larghezza di banda. L'evoluzione dello standard ha permesso di migliorare la velocità di trasferimento dati, la larghezza di banda e l'integrazione di funzioni importanti come Ethernet. I connettori e i cavi che costituiscono questo sistema sono diffusi in vari settori, tra cui l'home entertainment, le comunicazioni sul lavoro e i settori commerciali e industriali. Same Sky offre una gamma di connettori femmina HDMI per assistere gli ingegneri nelle loro esigenze di progettazione di segnali AV.