显示接口 HDMI/DP/MIPI 与 FPD-Link/GMSL 设计概要
IBM 推出于 1987
年推出的视频图形阵列(VGA,Video
Graphics Array)视频接口,使用 D-Sub
物理连接器,采用模拟 RGBHV
信号(红绿蓝三原色模拟信号 +
水平垂直同步信号)进行传输,且只能传输视频信号(无音频通道)。后续由数字显示工作组(DDWG,Digital
Display Working Group)于 1999
年推出的数字视频接口(Digital Visual
Interface),开始采用纯数字的 TMDS
最小化传输差分信号技术,避免了数模转换带来的画质损耗。

时至今日,视频接口技术呈现百花齐放的趋势,消费费类电子领域
VGA 和 DVI
两种接口形式已经逐步淘汰,取而代之的是带宽更大且兼顾音视频同步的
HDMI 和 DP 接口技术。而
MIPI
则扎根于手机和嵌入式设备,以较低的功耗和更少的引脚资源占用,完成设备内部短距离的高速视频信号传输。车载场景的
FPD-Link 与 GMSL,则通过内部集成的
SerDes 单元,基于 50Ω 同轴电缆和
100Ω
双绞线,实现了车规级视频信号的长距离稳定传输。本文立足于 HDMI/DP/MIPI 和
FPD-Link/GMSL 等当前应用比较广泛的显示接口技术,从
发展历史、信号定义、物理层协议、PCB
布线约束 四个维度分门别类的进行讨论。
高清多媒体接口 HDMI
高清多媒体接口(HDMI,High-Definition
Multimedia Interface)
是一款常用于消费类电子场景的音视频传输接口,能够让
视频信号、音频信号、辅助信号
在一条线缆上进行传输。
| HDMI 版本 | 发布时间 | 物理层 | 总带宽 | 典型分辨率与刷新率 |
|---|---|---|---|---|
| HDMI 1.0 | 2002 年 | TMDS | 4.95 Gbps |
1080p@60Hz |
| HDMI 1.4 | 2009 年 | TMDS | 10.2 Gbps |
4K@30Hz |
| HDMI 2.0 | 2013 年 | TMDS | 18 Gbps |
4K@60Hz |
| HDMI 2.1 | 2017 年 | FRL/TMDS | 48 Gbps(FRL) |
8K@60Hz、4K@120Hz |
| HDMI 2.2 | 2025 年 | FRL/TMDS | 96 Gbps |
16K@60Hz、8K@120Hz、4K@240Hz |
注意:上面表格当中的 TMDS 和 FRL 都是 HDMI 的物理层串行编码协议,用于将并行的音视频信号转换为串行差分信号,从而在发送端
Source和接收端Sink之间进行传输。
2002 年 4 月由 日立、松下、飞利浦、索尼、汤姆逊、东芝 等七家消费电子巨头联合组建 HDMI 组织,并且制定出了 HDMI 1.0 初代标准。后续的 HDMI 标准由 2011 年成立的非盈利行业协会 HDMI 论坛(HDMI Forum)制定和维护,该组织目前已经拥有超过 90 家成员企业。HDMI 技术的全球授权、商标管理和合规认证工作,则是由独立的商业化授权管理机构 HDMI LA(HDMI Licensing Administrator)负责,从而保障不同品牌设备之间的兼容性。
对外销售带有 HDMI 接口的产品,并且使用了 HDMI 商标和规范,就必须成为
HDMI LA
机构的采纳者(Adopter),并且缴纳年费和整机单品权利金。年产量大于
1 万台固定年费 1 万美元,年产量小于 1
万台固定年费 5
千美元;每一台产品的单品授权金 不使用 HDMI
商标的情况下为 0.15 美元一台,使用 HDMI 商标则为
0.05 美元一台。
注意:视频传输协议通常会将信号的 接收端 称为 Sink,发送端 称为 Source。
物理层编码 TMDS
最小化传输差分信号(TMDS,Transition-Minimized Differential Signaling)由 3 对差分数据 Lane 和 1 对独立差分时钟 Lane 组成(总共 4 组高速差分信号对),发送端的时钟是一组单独的差分信号,接收端直接采用这个外部时钟信号来采样数据,时钟信号的频率就等于像素点的采样频率。
TMDS 采用的是类 8b/10b 编码(即输入
8bit 信号,输出 10bit
信号),8bit
的原始像素信号,先通过链式异或
XOR、同或 XNOR
来减少电平跳变,再利用全局偏差 Disparity
控制码元翻转,从而实现直流平衡,并在消隐期采用专用的固定码字,最终转换输出为
10bit 的串行信号,这种编码方式的上限传输频率只能达到
HDMI 2.0 版本的 18Gbps。
物理层编码 FRL
固定速率链路(FRL,Fixed Rate Link)将 TMDS 的差分时钟 Lane 复用为了差分数据 Lane(也就是拥有了 4 组差分数据 Lane),发送端时钟信号被嵌入在串行数据流里,接收端再从数据流里采样出时钟信号。
FRL 采用 16b/18b 编码加 FEC 前向纠错机制(自带检错纠错能力,长线传输鲁棒性更强),并且不再使用连续码流,而是采用数据包的方式传输数据,并且会在建立连接之前进行链路训练(Link Training),即发送端发送测试码型,接收端评估每条 Lane 的信号质量之后,进而协商出链路传输速率,训练失败会降低传输速率或者回退至 TMDS 模式。
HDMI 2.1 版本的 FRL 每条 Lane 的传输速率有
3Gbps、6Gbps、8Gbps、10Gbps、12Gbps
五种档位,4 条 Lane 最高可以达到 \(4 * 12Gbps
= 48Gbps\),而 HDMI 2.2 每条 Lane
的传输速率上升到 24Gbps,总带宽高达 \(4 * 24Gbps = 96Gbps\)。
标准 HDMI 引脚定义
下面的表格展示了 19Pin 的标准 HDMI(即 HDMI
Type‑A)的引脚定义(物理层在 TMDS 模式下作为
3 组差分数据 Lane 和 1 组差分时钟 Lane 使用,而在
FRL 模式下全部用作
4 组差分数据 Lane):
| 引脚编号 | 引脚名称 | 信号方向 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 1 | TMDS Data2+ 或 FRL Data2+ | 输出 |
高速差分数据信号正极; |
| 2 | TMDS Data2 Shield | 地 |
差分对屏蔽地; |
| 3 | TMDS Data2− 或 FRL Data2− | 输出 |
高速差分数据信号负极; |
| 4 | TMDS Data1+ 或 FRL Data1+ | 输出 |
高速差分数据信号正极; |
| 5 | TMDS Data1 Shield | 地 |
差分对屏蔽地; |
| 6 | TMDS Data1− 或 FRL Data1− | 输出 |
高速差分数据信号负极; |
| 7 | TMDS Data0+ 或 FRL Data0+ | 输出 |
高速差分数据信号正极; |
| 8 | TMDS Data0 Shield | 地 |
差分对屏蔽地; |
| 9 | TMDS Data0− 或 FRL Data0− | 输出 |
高速差分数据信号负极; |
| 10 | TMDS Clock+ 或 FRL Lane3+ | 输出 |
TMDS 差分时钟正极,FRL 模式下作为高速差分数据信号正极; |
| 11 | TMDS Clock Shield | 地 |
时钟差分屏蔽地 |
| 12 | TMDS Clock− 或 FRL Lane3− | 输出 |
TMDS 差分时钟负极,FRL 模式下作为高速差分数据信号负极; |
| 13 | CEC | 双向 |
消费电子控制引脚(Consumer Electronics Control),属于低速双向控制总线,用于设备间的遥控联动; |
| 14 | HEAC Data− | 双向 |
HDMI 以太网和音频回传通道(HDMI Ethernet and Audio Return Channel)负极,不使用时可以悬空; |
| 15 | DDC 的
SCL |
双向 |
显示数据通道(DDC,Display Data Channel)的 I²C 时钟信号; |
| 16 | DDC 的
SDA |
双向 |
显示数据通道(DDC,Display Data Channel)的 I²C 数据信号; |
| 17 | GND | 地 |
DDC、CEC、HEAC 引脚的公共地; |
| 18 | +5V | 电源 |
由发送端 Source 输出的
5V 电源,最大电流 50mA,用于为接收端
Sink 的 EDID 电路供电 |
| 19 | HEAC Data+ 或 HPD | 双向 |
HDMI
以太网和音频回传通道(HEAC,HDMI Ethernet and Audio Return
Channel)正极,同时作为热插拔检测(HPD,Hot Plug
Detect),接收端 Sink 插入之后拉高,通知发送端
Source 设备已经接入; |
从 HDMI 1.0 到最新的 HDMI 2.2
版本接口,其引脚定义完全保持兼容,仅在协议层面进行了调整。HDMI 标准的
19Pin 双排连接器采用顶部 10Pin 底部
9Pin 非对称结构设计。
注意:显示数据通道(DDC,Display Data Channel)的 I²C 总线,可以读取接收端 Sink 的设备能力信息 EDID/E‑EDID,也可以通过读取 SCDC 双向动态寄存器组,实时动态反馈链路质量。
注意:扩展显示标识数据(EDID,Extended Display Identification Data)是显示设备通过
HDMI、DP、DVI等数字接口向电视、机顶盒、电脑等信号源发送的一段标准化数据(主要包含厂商与产品信息、分辨率与刷新率等参数)。
HDMI 接口布线规范
| PCB 布线参数 | HDMI 2.0 布线要求 | HDMI 2.1 布线要求 |
|---|---|---|
| 阻抗控制 | 差分 100Ω ±10% |
差分 100Ω ±10%; |
| 差分对内等长 | < 6mil |
< 6mil; |
| 时钟与数据等长 | < 480mil |
< 480mil; |
| 最大走线长度 | < 152.4 mm |
< 101.6 mm; |
| 电容要求 | 无要求 | 串联交流耦合电容
220nF ±20%(建议使用 0201 封装); |
| 差分信号组间距 | ≥ 5 倍 HDMI 单根走线宽度 |
≥ 7 倍 HDMI
单根走线宽度; |
| 差分信号对外间距 | ≥ 5 倍 HDMI 单根走线宽度 |
≥ 7 倍 HDMI
单根走线宽度; |
| 允许过孔数量 | 不超过 2 个过孔 | 传输线路上不建议添加过孔; |
| ESD 器件要求 | 无要求 | 并联在 I/O 信号与地之间的 ESD
器件寄生电容必须 ≤ 0.2pF; |
显示端口 DP
显示端口(Display Port)是由视频电子标准协会(VESA,Video Electronics Standards Association)制定的数字音视频显示接口,该协会是全球显示领域最权威的行业标准化组织。
| 版本 | 发布时间 | 总原始带宽 | 有效数据带宽 | 核心音视频能力 |
|---|---|---|---|---|
| DP 1.4 | 2016 年 | 32.4 Gbps |
25.92 Gbps |
无压缩 4K@144Hz,DSC 压缩后支持
8K@60Hz; |
| DP 2.1 | 2022 年 | 80 Gbps |
77.37 Gbps |
无压缩 4K@240Hz,DSC 压缩后支持
16K@60Hz; |
| DP 2.1a | 2024 年 | 80 Gbps |
77.37 Gbps |
优化线缆规格,新增车载场景支持; |
| DP 2.1b | 2025 年 | 80 Gbps |
77.37 Gbps |
延长高带宽传输距离,提升链路稳健性; |
显示流压缩(DSC, Display Stream
Compression)是由 VESA
组织推出的视频信号无损压缩算法,在不同色深模式下可以提供
3:1、3.75:1、2:1
的压缩比,从而大幅降低显示带宽的占用。
注意:虽然 DP 接口标准完全开放,宣称不收取年费和整机单品授权金,但是如果要在产品上使用 DP 认证商标,则需要成为 VESA 组织会员,并且缴纳年费,同时产品必须移交给收费的第三方授权认证实验室进行相关测试。
物理层编码方式
DP 接口的主链路(ML,Main Link)传输的并非连续不断的像素比特流,而是将图像数据切分为数据包进行传输,而对于数据包的编码方式,根据不同的协议版本,主要存在如下两种:
- DP 1.4 主链路的物理层使用了
8b/10b编码,会在8bit有效数据位之外,再额外添加2bit的校验位,从而编码为10bit数据进行传输,编码效率只有80%。 - DP 2.0 和 DP 2.1 采用
128b/132b 编码,即
128bit有效数据只增加4bit校验位,最终编码为132bit数据进行传输,编码效率高达96.875%,带宽利用率得以大幅提升。
标准 DP 引脚定义
标准的 DP 接口拥有 20Pin 引脚,主要包含 4 组 ML 主链路高速差分 Lane(无独立差分时钟),并通过 AUX 差分辅助通道完成 EDID 读取、链路训练、设备状态交互。从 DP 1.1 版本到目前最新的 DP 2.1b 版本,标准 DP 接口的物理引脚定义完全保持兼容,仅在协议层面提升了传输速率:
| 引脚编号 | 引脚名称 | 信号方向 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 1 | ML_Lane0+ | 输出 |
主链路高速差分通道 0 的正极; |
| 2 | GND | 地 |
信号参考接地 |
| 3 | ML_Lane0- | 输出 |
主链路高速差分通道 0 的负极; |
| 4 | ML_Lane1+ | 输出 |
主链路高速差分通道 1 的正极; |
| 5 | GND | 地 |
信号参考接地 |
| 6 | ML_Lane1- | 输出 |
主链路高速差分通道 1 的负极; |
| 7 | ML_Lane2+ | 输出 |
主链路高速差分通道 2 的正极; |
| 8 | GND | 地 |
信号参考接地 |
| 9 | ML_Lane2- | 输出 |
主链路高速差分通道 2 的负极; |
| 10 | ML_Lane3+ | 输出 |
主链路高速差分通道 3 的正极; |
| 11 | GND | 地 |
信号参考接地 |
| 12 | ML_Lane3- | 输出 |
主链路高速差分通道 3 的负极; |
| 13 | CONFIG1 | 双向 |
配置引脚 1,用于检测线缆类型(可以接地或者悬空处理); |
| 14 | CONFIG2 | 双向 |
配置引脚 2,用于检测线缆类型(可以接地或者悬空处理); |
| 15 | AUX_CH+ | 双向 |
辅助通道低速差分控制通道正极; |
| 16 | GND | 地 |
信号参考接地 |
| 17 | AUX_CH- | 双向 |
辅助通道低速差分控制通道负极; |
| 18 | HPD | 输入 |
热插拔检测(Hot Plug
Detect),接收端 Sink 插入之后上拉为高电平,用于通知发送端
Source 设备接入; |
| 19 | Power Return | 地 |
DP_PWR 电源回流路径; |
| 20 | DP_PWR | 电源 |
发送端
Source 输出的 3.3V 电源,最大提供
500mA 电流; |
注意:DP 连接器采用了顶部 10Pin,底部 10Pin 的双排对称式设计。
主链路速率等级
VESA 组织定义的 DP 主链路速率等级由发送端与接收端协商得出,用于在链路传输质量允许的条件下,匹配相应的视频带宽需求,降低 SI 信号完整性和 EMI 电磁干扰压力,接下来的两个表格分别展示了 DP 1.x 和 DP 2.x 支持的主链路速率等级:
| DP 1.x 主链路速率等级 | 每 1 条 Lane 速率 | 4 条 Lane 总速率 | 编码方式 | DP 版本 |
|---|---|---|---|---|
| RBR(Reduced Bit Rate) | 1.62 Gbps |
6.48 Gbps |
8b/10b |
DP 1.0 |
| HBR(High Bit Rate) | 2.70 Gbps |
10.80 Gbps |
8b/10b |
DP 1.1 |
| HBR 2(High Bit Rate 2) | 5.40 Gbps |
21.60 Gbps |
8b/10b |
DP 1.2 |
| HBR 3(High Bit Rate 3) | 8.10 Gbps |
32.40 Gbps |
8b/10b |
DP 1.3/1.4 |
| DP 2.x 主链路速率等级 | 每 1 条 Lane 速率 | 4 条 Lane 总速率 | 编码方式 | DP 版本 |
|---|---|---|---|---|
| UHBR 10(Ultra High Bit Rate 10) | 10.0 Gbps |
40.00 Gbps |
128b/132b |
DP 2.0/2.1 |
| UHBR 13.5(Ultra High Bit Rate 13.5) | 13.5 Gbps |
54.00 Gbps |
128b/132b |
DP 2.0/2.1 |
| UHBR 20(Ultra High Bit Rate 20) | 20.0 Gbps |
80.00 Gbps |
128b/132b |
DP 2.0/2.1 |
DP 接口布线规范
| PCB 布线参数 | DP 接口布线要求 |
|---|---|
| 阻抗控制 | 差分 100Ω,单端
50Ω; |
| 差分对内等长 | ≤ 5mil; |
| 差分信号组间等长 | ≤ 10mil; |
| 最大走线长度 | < 4000 mil 或
< 101.6 mm; |
| 交流耦合电容 | 推荐使用 0402 封装的
100nF 串联电容,并且靠近 DP
连接器放置(保持 1.5mm 间隔距离); |
| 差分信号组间距 | ≥ 6 倍 DP 单根走线宽度; |
| 差分信号对外间距 | ≥ 6 倍 DP 单根走线宽度; |
| 允许过孔数量 | 不超过 2 个过孔; |
| ESD 器件要求 | 无要求; |
移动行业处理器接口 MIPI
D-PHY、C-PHY、M-PHY、A-PHY
平板显示链路 FPD-Link
FPD-Link 接口技术最早由美国 国家半导体(NS,National Semiconductor)公司推出,后来美国 德州仪器(TI,Texas Instruments)公司于 2011 年收购了国家半导体,FPD-Link 后续工作继续由德州仪器公司进行维护。FPD-Link 采用私有的 SerDes 串行解串技术,最初应用于显示面板的 LVDS 接口,目前主要应用于车载显示领域,与 GMSL 接口并列为两大车载 SerDes 显示方案。
FPD-Link
的核心作用是将并行视频信号打包为高速串行信号,通过同轴线缆或者双绞线缆将视频和控制信号,传递给
10米 ~ 15米
之外的显示屏或者摄像头。FPD-Link 信号的收发两端分别是
串行(Serializer)和解串(Deserializer)芯片:
- 串行芯片(Serializer):用于将
HDMI、DP/eDP、MIPI、LVCMOS、LVDS等差分并行信号转换为FPD-Link串行信号; - 解串芯片(Deserializer):用于将
FPD-Link串行信号还原为HDMI、DP/eDP、MIPI、LVCMOS、LVDS等并行差分信号;
| 版本 | 发布年份 | 物理层标准 |
|---|---|---|
| FPD-Link I | 1996 年 | LVDS,独立差分时钟对 |
| FPD-Link II | 2006 年 | LVDS,时钟信号嵌入到数据流 |
| FPD-Link III | 2010 年 | CML,最大带宽
4.16 Gbps |
| FPD-Link IV | 2022 年 | CML,最大带宽
7.55 Gbps |
低电压差分信号 LVDS
FPD-Link I 和 FPD-Link II
物理层采用的
低电压差分信号(LVDS,Low-Voltage
Differential
Signaling)是一种物理层电平标准,而非上层的通信协议,发送端通过
3.5 mA 的恒流源驱动差分线
LVDS+/-,接收端在差分线之间并联
100 Ω 的终端匹配电阻。当发送端输出的 3.5 mA
电流经过接收端的 100 Ω 电阻时,将会产生约
350 mV 的差分电压:
\[ U_{LVDS 差分电压} = 3.5mA \times 100Ω = 350mV \]
接收端基于两条差分线之间的压差来采集高低电平状态,整个过程无需参考地平面。且由于收发两端的电压较低,通过的电流较小,所以整体传输功耗远远低于普通单端信号。
注意:LVDS 相关的规范《ANSI/TIA/EIA‑644》目前主要由美国的 电信工业协会(TIA,Telecommunications Industry Association)牵头制定(分别于 1995 年发布初版,2001 年发布修订版),该规范当中 LVDS 的推荐最大传输速率为
655 Mbps,采用无损耗介质的理论极限速率为1.923 Gbps。
电流模逻辑 CML
FPD-Link III 和 FPD-Link IV
物理层所采用的
电流模式逻辑(CML,Current-Mode
Logic),在发送端内部有一个 16 mA
的恒流源,接收端在每条差分线上都外接 50 Ω
终端电阻到 \(V_{CC}\),电流经过电阻之后,会在电阻两端产生约
400 mV 的单端摆幅以及 800 mV
的差分摆幅。通过控制电流在两个差分支路之间的切换,就能够输出差分电平信号,全程避免晶体管进入完全饱和/截止状态,消除电荷存储带来的开关延迟。
电路始终保持恒定的驱动电流,发送端通过内部的差分对晶体管,切换电流输出到差分线的正极或者负极,从而产生摆幅极小的差分信号(典型摆幅仅几百毫伏),大幅降低信号跳变时间,支持数十Gbps级别的超高速数据传输。
输出端的电流会在电阻上产生电压差,通过切换差分对的电流导通方向,
千兆多媒体串行链路 GMSL
视频像素时钟估算公式
显示接口 HDMI/DP/MIPI 与 FPD-Link/GMSL 设计概要



