一文看懂CVBS、VGA、HDMI、MIPI等8种视频接口

硬件接口（hardware interface）指的是两个硬件设备之间的连接方式。硬件接口既包括物理上的接口，还包括逻辑上的数据传送协议。

1、CVBS

CVBS英文全称为Composite Video Broadcast Signal 或 Composite Video Blanking and Sync。中文翻译为复合视频广播信号 或 复合视频消隐和同步。CVBS 是被广泛使用的标准，也叫做基带视频或RCA视频，是(美国)国家电视标准委员会（NTSC）电视信号的传统图像数据传输方法，它以模拟波形来传输数据。复合视频包含色差（色调和饱和度）和亮度（光亮）信息，并将它们同步在消隐脉冲中，用同一信号传输。 它是一个模拟电视节目（图像）信号在与声音信号结合，并调制到射频载波之前的一种格式。在快速扫描的NTSC电视中，甚高频（VHF）或超高频（UHF）载波是复合视频所使用的调制振幅，这时产生的信号大约有6MHz宽。一些闭路电视系统使用同轴电缆近距离传输复合视频，一些DVD播放器和视频磁带录像机（VCR）通过莲花插座提供复合视频输入和输出，这个插座也叫做RCA连接器。

复合视频中，色差和亮度信息的干涉是不可避免的，特别是在信号微弱的时候。这就是为何远距离的使用VHF或UHF的NTSC电视台用老旧的鞭形天线，“兔子耳朵”，或室外的“空中”经常包含假的或上下摇动的颜色。CVBS是一种比较老的显示方式，更准确的说是第一代视频显示输出方式（第二代是S-VIDEO，第三代是VGA，第四代是DVI，第五代是HDMI）。 当前系统集成工程中，尤其是VGA信号远距离传输是工程中较为常见的问题，所谓传输系统是指从计算机出口到显示部分入口之间的所有环节，包括分配器、矩阵、电缆及图形控制器等等，由于信号传输距离较远，传输系统的参数及周围电磁环境对信号质量产生的影响不容忽视，常见到的现象表现为：图像模糊、变暗，拖尾和重影，以及图像显示不稳定（如：跳动或黑屏等）等，以上现象产生的原因不同，解决的方法不同。我们将其分为四大类：由于传输系统的幅频特性及群延时特性造成的图像模糊、变暗、拖尾； 由于设备产生自激或环境电磁干扰产生的高频干扰； 由于系统电源地线处理不当造成的低频干扰； 由于设备或传输系统或接插件等阻抗不匹配而引起的重影反射及显示不稳定。

2、VGA

VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。

VGA具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点。VGA接口不但是CRT显示设备的标准接口，同样也是LcD液晶显示设备的标准接口，具有广泛的应用范围。 随着电子产业及视频图像处理技术的发展，VGA(视频图形阵列)作为一种标准的显示接口在视频和计算机领域得到了广泛的应用，在图像处理中若是采用传统的数据传输方式来使高分辨率图像实时显示在显示器上，一般要求晶振频率达到40MHz以上，传统的电子电路难以达到这个速度，若采用专门的图像处理芯片，其设计难度大、开发成本高成为一个瓶颈选择。 常见接口之色差VGA接口(D-Sub接口)，说到VGA接口，相信很多朋友都不会陌生，因为这种接口是电脑显示器上最主要的接口，从块头巨大的CRT显示器时代开始，VGA接口就被使用，并且一直沿用至今，另外VGA接口还被称为D-Sub接口。 很多人觉得只有HDMI接口才能进行高清信号的传输，但这是一个大家很容易进入的误区，因为通过VGA的连接同样可以显示1080P的图像，甚至分辨率可以达到更高，所以用它连接显示设备观看高清视频是没有问题的，而且虽然它是种模拟接口，但是由于VGA将视频信号分解为R、G、B三原色和HV行场信号进行传输，所以在传输中的损耗还是相当小的。 VGA接口是一种D型接口，上面共有15针孔，分成三排，每排五个。其中，除了2根NC（Not Connect)信号、3根显示数据总线和5个GND信号，比较重要的是3根RGB彩色分量信号和2根扫描同步信号HSYNC和VSYNC针。VGA接口中彩色分量采用RS343电平标准。RS343电平标准的峰值电压为1V。VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口。有些不带VGA接口而带有DVI(Digital Visual Interface数字视频接口）接口的显卡，也可以通过一个简单的转接头将DVI接口转成VGA接口，通常没有VGA接口的显卡会附赠这样的转接头。 大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备，如模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的A/D（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号。在经过D/A和A/D两次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。VGA接口应用于CRT显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。 而且可以从接口处来判断显卡是独显还是集成显卡，VGA接口竖置的说明是集成显卡，VGA接口横置说明是独立显卡（一般的台式主机都可以用此方法来查看）。

3、DVI

DVI的英文全名为Digital Visual Interface，中文称为“数字视频接口”。是一种视频接口标准，设计的目的是用来传输未经压缩的数字化视频。广泛应用于LCD、数字投影机等显示设备上。此标准由显示业界数家领导厂商所组成的论坛：“数字显示工作小组”（Digital Display Working Group，DDWG）制订。DVI接口可以发送未压缩的数字视频数据到显示设备。本规格部分兼容于HDMI标准。

DVI接口的协议会使得像素的亮度与色彩信号从信号来源（如显卡）以二进制方式发送到显示设备。当显示设备以其原生分辨率被驱动时，仅需读取DVI传来的每个像素的数值数据并且套用到正确的位置即可。相对于模拟方式发送的像素数据会受到邻接像素数据以及电磁噪声以及其他的模拟有损影响，在此方法中，输出端寄存器中的每个像素都直接对应显示端的每个像素。使得画面质量有基本的保障。 在此之前以模拟方式发送视频数据的标准，如VGA是为了以显像管（阴极射线管）为基础的显示设备而设计，发送的单位是水平扫描线，因此并未使用数字化的离散信号。模拟发送的视频信号是以变更输出电压来控制扫描中的电子流束的密度，并借此来表现亮度以及彩度。 然而当LCD等数字化的显示设备开始实用化之后，以模拟方式发送信号至数字显示设备时，该设备必须以特定频率将扫描线信号取样再转换回数字格式。若取样出现误差就会使得画面质量劣化，但DVI实际画面在19吋以下与D-SUB输出画质并无明显差异。且当信号来源为计算机时，显卡将数字的画面信号转换为模拟输出，再被LCD显示器转换回数字画面的流程显然是多余的。因此DVI也随着LCD显示器成为主流而被广泛使用。 DVI接头除包含DVI标准所规定的数字信号脚位之外也可包含传统模拟信号（VGA）的脚位，此设计是为了维持DVI的通用性以便不同形式的显示屏可以共享同一种连接线。随着实现功能的不同，DVI接头被分成三种类型： DVI-D（Digital数字信号；single link或dual link） DVI-A（Analog模拟信号） DVI-I（Integrated混合式；数字及模拟信号皆可；single link或dual link） 此外，有实现出第二组DVI炼路的接头被称为DVI-DL（dual link），以强调传输能力。 某些较新型的DVD播放机，电视机（包括HDTV）以及投影机采用了所谓“DVI/HDCP”接头，这种接头在外型上完全与DVI相同，但是其发送的数据有经过HDCP协议所加密以防止非法复制。现今装有DVI接口显卡的计算机经常可利用前述显示设备作为大型显示屏之用，但由于2007年之前产制的显卡大多不支持HDCP，所以可能会受到版权保护技术的限制而无法以最高分辨率播放受到HDCP保护的视频内容。 此外，DVI-D的模拟脚位故意设计得比DVI-I的同样脚位短，以防止用户将DVI-I公头误插入DVI-D的母座。

4、HDMI

高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）是一种全数字化视频和声音发送接口，可以发送未压缩的音频及视频信号。HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。HDMI可以同时发送音频和视频信号，由于音频和视频信号采用同一条线材，大大简化系统线路的安装难度。

HDMI是被设计来取代较旧的模拟信号影音发送接口如SCART或RCA等端子的。它支持各类电视与计算机视频格式，包括SDTV、HDTV视频画面，再加上多声道数字音频。HDMI与去掉音频传输功能的UDI都继承DVI的核心技术“传输最小化差分信号”TMDS，从本质上来说仍然是DVI的扩展。DVI、HDMI、UDI的视频内容都以即时、专线方式进行传输，这可以保证视频流量大时不会发生堵塞的现象。每个像素数据量为24位。信号的时序与VGA极为类似。画面是以逐行的方式被发送，并在每一行与每祯画面发送完毕后加入一个特定的空白时间（类似模拟扫描线），并没有将数据“Micro-Packet Architecture（微数据包架构）”化，也不会只更新前后两帧画面改变的部分。每张画面在该更新时都会被完整的重新发送。规格初制订时其最大像素传输率为165Mpx/sec，足以支持1080p画质每秒60张画面，或者UXGA分辨率（1600x1200）；后来在HDMI 1.3规格中扩增为340Mpx/秒，以匹配未来可能的需求。 而DisplayPort一开始则面向液晶显示器开发，采用“Micro-Packet Architecture(微数据包架构)”传输架构，视频内容以数据包方式传送，这一点同DVI、HDMI等视频传输技术有着明显区别。也就是说，HDMI的出现取代模拟信号视频，而DisplayPort的出现则取代的是DVI和VGA接口。 HDMI也支持非压缩的8声道数字音频发送（采样率192kHz，数据长度24bits/sample），以及任何压缩音频流如Dolby Digital或DTS，亦支持SACD所使用的8声道的1bit DSD信号。在HDMI 1.3规格中，又追加超高数据量的非压缩音频流如Dolby TrueHD与DTS-HD的支持。 标准的Type A HDMI接头有19个脚位，另有一种支持更高分辨率的Type B接头被定义出来，但仍无任何厂商使用Type B接头。Type B接头有29个脚位，容许其发送扩展的视频沟道以应付未来的高画质需求，如WQSXGA（3200x2048）。 Type A HDMI可向后兼容于现今多数显示器与显卡所使用的Single-linkDVI-D或DVI-I接口（但不支持DVI-A），这表示采用DVI-D接口的信号来源可以透过转换线驱动HDMI显示屏，但是此种转换方案并不支持音频发送与遥控机能。此外如无HDCP认证的DVI显示屏也将不能收看从HDMI所输出带有HDCP加密保护的视频数据（所有HDMI显示屏皆支持HDCP，但大多数DVI接口的显示器不支持HDCP），Type B HDMI接头也将向后兼容于Dual-link DVI接口。 HDMI组织的发起者包括各大消费电子产品制造商，如日立制作所、松下电器、Quasar、飞利浦、索尼、汤姆生RCA、东芝、Silicon Image。数字内容保护公司（Digital Content Protection, LLC）提供HDMI接口相关的防拷保护技术。此外，HDMI也受到各主要电影制作公司如20世纪福斯、华纳兄弟、迪士尼，包括三星电子在内的各大消费电子产品制造商，以及多家有线电视系统业者的支持。

5、MIPI

MIPI联盟，即移动产业处理器接口（Mobile Industry Processor Interface 简称MIPI）联盟。MIPI（移动产业处理器接口）是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准和一个规范。

MIPI联盟下面有不同的WorkGroup，分别定义了一系列的手机内部接口标准，比如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风 /喇叭接口SLIMbus等。统一接口标准的好处是手机厂商根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组，更改设计和功能时更加快捷方便。 DSI 定义了一个位于处理器和显示模组之间的高速串行接口。 CSI 定义了一个位于处理器和摄像模组之间的高速串行接口。 D-PHY：提供DSI和CSI的物理层定义。 RCA RCA接口，又称莲花插座、AV端子（Composite video connector，又称复合端子），是家用影音电器用来发送视频模拟信号（如NTSC、PAL、SECAM）的常见端子。AV端子通常采用黄色的RCA端子传送视频信号，另外配合两条红色与白色的RCA端子发送音频，亦合称为三色线/红白黄线。 在RCA接口中传送的是类比电视讯号的三个来源要素：Y、U、V，以及作为同步化基准的脉冲信号。Y代表视频的亮度(luminance，又称brightness)，并且包含了同步脉冲，只要有Y信号存在就可以看到黑白的电视影像（事实上，这是彩色电视与早期黑白电视相容的方法）。U信号与V信号之间承载了颜色的资料，U和V先被混合成一个信号中的两组正交相位（此混合后的信号称为彩度(chrominance)），再与Y信号作加总。因为Y是基频信号而UV是与载波混合在一起，所以这个加总的动作等同于分频多工。 一般来说数码影音系统主要有模拟视频输入/输出和模拟音频输入/输出端口。 通过模拟视频线路，可以直接被带有复合视频输入/输出端口的播放器所识别，那么连接数码影音系统端口的就是视频输入/出端口。以电视机为例，因为一般的电视机，只接收模拟信号，而存放在DV带上的信号为数字信号，两者本来不兼容。但是经过数码影音系统的模拟视频输出/输入端口，可以直接把DV带上的内容在电视上播放，这个端口就是模拟视频输出，这个过程就叫做数字信号/模拟信号转换（D/A转换）。 相反，以信号线把电视和数码影音系统连接起来，数码影音系统能用其DV带录下电视节目，这个过程就是模拟转化数字过程，也就是模拟信号/数字信号转换（A/D转换）。

6、SDI

SDI接口是数字分量串行接口(serial digital interface)的首字母缩写。而HD-SDI接口是一种广播级的高清数字输入和输出端口，其中HD表示高清信号。由于SDI接口不能直接传送压缩数字信号，数字录像机、硬盘等设备记录的压缩信号重放后，必须经解压并经SDI接口输入才能进入SDI系统。如果反复解压和压缩，必将引起图像质量下降和延时增加，为此各种不同格式的数字录像机和非线性编辑系统，规定了自己的用于直接传输压缩数字信号的接口。

在非编后期制作，广播电台等领域，HD-SDI应用较为广泛，其是根据SMPTE292M，在1.485Gb/s或1.485/1.001Gb/s的信号速率条件下传输的接口规格。该规格规定了数据格式、信道编码方式、同轴电缆接口的信号规格、连接器及电缆类型与光纤接口等。HD-SDI接口采用同轴电缆，以BNC接口作为线缆标准。有效距离为100M。 HD-SDI监控系统优势： 由于设备采用BNC接口连接，也就是说我们在将已有的传统模拟框架系统转为高清监控系统的过程中，无需重新布线，只需更换前端和后端部分，这将为工程节省巨大的时间成本和人力成本。 易用性 由于HD-SDI摄像机产品工程施工采用的系统框架和模拟监控系统框架相同，采用75-5同轴线缆即可实现系统布线，施工人员和系统操作人员无需培训，更容易上手。 非压缩 HD-SDI摄像机不像IP监控是将视频信号经过压缩和打包后通过网络传输的，它是以未经压缩的数字信号在同轴电缆上高速传输，原始图像不会失真。 高清实时 HD-SDI摄像机监控不受传输网络影响，不会有IP网络监控产生的图像延迟问题，在有实时监控和高清要求的场合。 利用率高 HD-SDI摄像机设备视频输出图像的分辨率为1920×1080，单位面积摄像机布点密度大幅下降。在监控场所提供更多细节上的处理，如看清人脸，看清车牌。 接口原理 串行接口是把数据字的各个比特以及相应的数据通过单一通道顺序传送的接口。由于串行数字信号的数据率很高，在传送前必须经过处理。用扰码的不归零倒置（NRZI）来代替早期的分组编码，其标准为SMPTE-259M和EBU-Tech-3267，标准包括了含数字音频在内的数字复合和数字分量信号。在传送前，对原始数据流进行扰频，并变换为NRZI码确保在接收端可靠地恢复原始数据。这样在概念上可以将数字串行接口理解为一种基带信号调制。SDI接口能通过270Mb/s的串行数字分量信号，对于16：9格式图像，应能传送360Mb/s的信号。 NRZI码是极性敏感码。用“1”和“0”表示电平的高和低，如果出现长时间的连续“1”或连续“0”，会影响接收端从数字信号中提取时钟。因为串行数字信号接口不单独传送时钟信号，接收端需从数字信号流中提取时钟信号，所以要采用以“1”和“0”来表示有无电平变换的NRZI码。接收NRZI码流时，只要检出电平变换，就可恢复数据，即使全是“1”信号，导致的信号频率也只是原来时钟频率的一半，再经过加扰，连续“1”的机会减少，也就使高频分量进一步减少了。在数据流的接收端，由SDI解码器从NRZI码流恢复原数据流。 （a）串行数字数据接口SDDI（SerialDigital Data Interface），用于Betacam-SX非线性编辑或数字新闻传输系统，通过这种接口，可以4倍速从磁带上载到磁盘。 （b）4倍速串行数字接口QSDI（QuarterSerial Digital Interface），在DVCAM录像机编辑系统中，通过该接口以4倍速从磁带上载到磁盘、从磁盘下载到磁带或在盘与盘之间进行数据拷贝。 （c）压缩串行数字接口CSDI（CompressionSerial Digital Interface），用于DVCPRO和Digital-S数字录像机、非线性编辑系统中，由带基到盘基或盘基之间可以4倍速传输数据。 以上三种接口互不兼容，但都与SDI接口兼容。在270Mb/s的SDI系统中，可进行高速传输。这三种接口是为建立数字音视频网络而设计的，这类网络不像计算机网络那样使用握手协议，而使用同步网络技术，不会因路径不同而出现延时。人们常在SDI信号中嵌入数字音频信号，也就是将数字音频信号插入到视频信号的行、场同步脉冲（行、场消隐）期间与数字分量视频信号同时传输。

8、LVDS

LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）低电压差分信号，是一种低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的差分信号技术，这种传输技术可以达到155Mbps以上，LVDS技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆。

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一种低振幅差分信号技术。它使用幅度非常低的信号（约350mV）通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据。它能以高达数千Mbps的速度传送串行数据。由于电压信号幅度较低，而且采用恒流源模式驱动，故只产生极低的噪声，消耗非常小的功率，甚至不论频率高低功耗都几乎不变。此外，由于LVDS以差分方式传送数据，所以不易受共模噪音影响。 产生背景 随着电子设计技术的不断进步，高速率信号的互连及宽带信道的应用与日俱增，所需传送的数据量越来越大，速度越来越快。目前，存在的点对点物理层接口如RS-422、RS-485、SCSI以及其它数据传输标准，由于在速度、噪声、EMI/EMC、功耗、成本等方面所固有的限制，使其越来越难以胜任实际应用。同样随着军事电子技术的发展，在空间通信领域，如跟踪与数据中继卫星系统（TDSS）中，为了实现高速数据中继和测距、测速必须首先解决传输速率高、占用带宽宽所带来的问题；在雷达应用领域，各种新体制雷达的出现以及在宽带侦收、电子对抗等不同领域的应用同样不可避免地面临高速数据的采集和传输问题；因此，采用新的I/O接口技术来解决数据传输这一瓶颈问题显得日益突出。 LVDS以其固有的低电压、低功耗和有利于高速传输等特点，越来越成为宽带高速系统设计的首选接口标准。目前，LVDS技术在通信领域的应用更是日益普及，尤其是在基站、大型交换机以及其它高速数据传输系统中，LVDS正在发挥着不可替代的作用。 基本原理 LVDS的基本工作原理如下图所示。其源端驱动器由一个恒流源（通常约为3.5mA，最大不超过4mA）驱动一对差分信号线组成。接收端的接收器本身为高直流输入阻抗，所以几乎全部的驱动电流都流经100Ω的终端匹配电阻，并在接收器输入端产生约350mV的电压。当源端驱动状态反转变化时，流经匹配电阻的电流方向改变，于是在接收端产生高低逻辑状态的变化。

为适应共模电压的在宽范围内的变化，一般情况下，LVDS的接收器输入级还包括一个自动电平调整电路，该电路将共模电压调整为一固定值，其后面是一个Schmitt触发器，而且，为防止Scdhmitt触发器不稳定，设计有一定的回滞特性，Schmitt后级才是差分放大器。 技术特点 LVDS之所以成为目前高速I/O接口的首选信号形式来解决高速数据传输的限制，就是因为它在传输速度、功耗、抗噪声、EMI等方面具有优势。 高速传输能力：在ANS/EIA/EIA-64定义中的LVDS标准，理论极限速率为1.923Gbps，恒流源模式、低摆幅输出的工作模式决定着IVDS具有高速驱动能力。 低功耗特性：LVDS器件是用CMOS工艺实现的，而CMOS能够提供较低的静态功耗；当恒流源的驱动电流为3.5mA，负载（100Ω终端匹配）的功耗仅为1.225mW；LVDS的功耗是恒定的，不像CMOS收发器的动态功耗那样相对频率而上升。恒流源模式的驱动设计降低了系统功耗，并极大地降低了频率成分对功耗的影响。虽然当速率较低时，CMOS的功耗比LVDS小，但是随着频率的提高，CMOS的功耗将逐渐增加，最终需要消耗比LVDS更多的功率。通常，当频率等于200MSps时，LVDS和CMOS的功耗大致相同。 供电电压低：随着集成电路的发展和对更高数据速率的要求，低压供电成为急需。降低供电电压不仅减少了高密度集成电路的功率消耗，而且减少了芯片内部的散热压力，有助于提高集成度。LVDS的驱动器和接收器不依赖于特定的供电电压特性，这决定了它在这方面占据上峰。 较强的抗噪声能力：差分信号固有的优点就是噪声以共模的方式在一对差分线上耦合出现，并在接收器中相减，从而可消除噪声，所以LVDS具有较强的抗共模噪声能力。 有效地抑制电磁干扰：由于差分信号的极性相反，它们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合得越紧密，泄放到外界的电磁能量就越少，即降低了EMI。 时序定位精确：由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点。而不像普通单端信号依靠高低两个阀值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，有利于高速数字信号的有效传输。 适应地平面电压变化范围大：LVDS接收器可以承受至少士1V的驱动器与接收器之间的地的电压变化。由于IVDS驱动器典型的偏置电压为+1.2V，地的电压变化、驱动器的偏置电压以及轻度耦合到的噪声之和，在接收器的输入端，相对于驱动器的地是共模电压。当摆幅不超过400mV时，这个共模范围是+0.2V~ +2.2V，进而，一般情况下，接收器的输入电压范围可在0V~+2.4V内变化。 正是因为LVDS具有上述的主要特点，才使得HyperTransport（by AMD，Irfiniband（ly Intel），PCI-Express（by Intel）等第三代I/O总线标准（3G IO）不约而同地将低压差分信号（IVDS）作为下一代高速信号电平标准。