HDMIコネクタの基礎

ビデオ出力とオーディオ出力の両方を生成するデバイスには、オンボードスクリーンに表示するか、外部モニタやディスプレイに信号を伝送するかの選択肢があります。後者を実現するには、コネクタ一体型のケーブルシステムが必要です。

この記事では、数年にわたる相互接続技術の進化について概説します（図1）。1956年のテレビ向けにコンポジットRCA規格の導入に始まり、1979年のビデオデッキや家庭用コンピュータ用S-Videoの採用を経て、1987年にはIBM PC用にVGAが採用されました。その後、1990年代にはコンポーネントRCA、DVIへと進化しました。DVIを除けば、これらの規格は主にアナログケーブル接続で、音声信号または映像信号を個別に伝送することが可能でした。要するに、運用の互換性を確保するために複数のケーブルが必要だったのです。

図1：オーディオおよびビデオコネクタの歴史的変遷（画像提供：Same Sky）

DVIはデジタルビデオのサポートを導入し、この分野を発展させました。しかし、オーディオとビデオの両方を同時に伝送しようとするユーザーは、最大5本のケーブルを使い分ける必要がありました。画期的だったのは、2002年にHDMI 1.0（高精細度マルチメディアインターフェース）規格が登場し、複数のケーブルが1本に統合されたことでした。

この進化により、HDMIは今日、家庭と職場の両方でオーディオビデオ信号伝送のための最も一般的なフォーマットの1つとなりました。この記事では、HDMIの規格、コネクタの種類、機能など、進化し続けるHDMIについて詳しく見ていきます。

HDMI規格の概要

2002年の誕生以来、HDMI規格は何度も更新され、そのたびに高速化、帯域幅の拡大、解像度の向上、新しい放送フォーマットのサポート、複数のコネクタサイズなどの機能強化が図られてきました。

当初、HDMIフォーラムによって開発されたHDMI 1.0は、機能性を向上させながら、オーディオとビデオの伝送に必要なケーブルの乱雑さを合理化することを目的としていました。この仕様は、シングルケーブル、デジタルオーディオ、ビデオコネクタインターフェースシステムの基本的な機能を概説したものです。時を経て、HDMI技術は主要なデジタルインターフェースへと進化し、超高解像度ディスプレイと無数の家電製品、PC、モバイル機器、自動車、業務用AV機器などをシームレスに接続しています。

規格の最新版であるHDMI 2.1は2017年11月に導入され、最大10Kに達する、より高いビデオ解像度とリフレッシュレートの配列をサポートしています。さらに、ハイダイナミックレンジ（HDR）フォーマットをサポートし、最大48Gbpsの帯域幅を持っています。注目すべきは、このような進化にもかかわらず、物理的なコネクタ自体に変化がないことです。

表1：HDMI規格の進歩および仕様（画像提供：Same Sky）

一般的なコネクタタイプ

HDMIケーブルは、ビデオ信号の伝送を担う複数のシールド付きツイストペアワイヤと、電源、グラウンド、およびその他の低速デバイス通信チャンネル用の個別導体で構成されています。HDMIコネクタは、ケーブルを終端し、使用する機器との接続を確立する役割を果たします。このコネクタは台形で、挿入時に正確な位置合わせを容易にするために2つの角にくぼみがあり、USBコネクタに似ています。HDMI規格には、次のような5つの異なるコネクタタイプがあります（図2）。

• タイプA（標準）：19ピンと3つの差動ペアを備えたこのコネクタのサイズは13.9mm x 4.45mmで、メスバージョンの方がわずかに大きくなっています。DVI-Dとの電気的下位互換性があります。
• タイプB（デュアルリンク）：29ピンと6組の差動ペアを内蔵し、コネクタサイズは21.2mm x 4.45mmです。非常に高解像度のディスプレイでの使用を想定していますが、その大きさのために製品に採用されたことはありません。また、DVI-Dとの電気的な下位互換性も維持しています。
• タイプC（ミニ）： 10.42mm×2.42mmとタイプA（標準）より小型でありながら、同じ機能を備え、19ピン構成となっています。ポータブルデバイス用に設計されています。
• タイプD（マイクロ）：サイズは5.83mm x 2.20mmと非常に小型で、19ピン構成になっています。Micrro USBコネクタと共通点があり、小型の携帯機器向けです。
• タイプE（自動車用）：振動による断線を防ぐロックタブと、湿気や汚れに強いシェルで設計されています。車載アプリケーション向けですが、民生用A/V製品とのインターフェースを容易にするリレーバージョンも用意されています。

これらのコネクタタイプはすべてオスとメスの両方があり、さまざまな接続ニーズに柔軟に対応します。ストレートの場合もあれば直角の場合もあり、向きは水平の場合もあれば垂直の場合もあります。メスコネクタは通常、ソースデバイスと受信デバイスの両方に組み込まれています。さらに、アダプタやカプラも容易に入手でき、さまざまな接続構成に対応できます。過酷な環境下でのアプリケーション用に、耐久性と信頼性を保証する堅牢なコネクタバージョンも用意されています。

図2：HDMIコネクタのタイプ（画像提供：Same Sky）

HDMIピン配置

タイプBを除き、HDMIコネクタのタイプはすべて19ピンです。しかし、信号のピン配置はタイプによって異なります。その結果、特定のタイプには下位互換性が存在します。しかし、ケーブルの設計や組み立ての際には、異なる信号に対して正しいピン番号が使用されるように注意することが必要です。異なるタイプのコネクタは相互嵌合できないため、相互接続の問題は生じません。

以下の図3は、典型的なタイプAのピン配置を示しています。個々のピンは、データ信号、クロック信号、低電圧電源、制御信号、CEC、またはHECを伝送する能力を持ちます。

図3：HDMIピン配置（画像提供：Same Sky）

一般的なケーブルタイプ

HDMIケーブルには次のようなさまざまな種類があります。

• HDMIカテゴリ1 - 標準速度ケーブル：
  • 標準（カテゴリ1）：ベーシックHDMIケーブル
  • Ethernet付き標準（カテゴリ1）：標準ケーブルと同じだが、Ethernetチャンネルが組み込まれている
  • 標準車載用（カテゴリ1）：基本的なケーブル要件を満たすが、車載用途向けに調整されている
• HDMIカテゴリ2 - 高速ケーブル：
  • 高速（カテゴリ2）：より高解像度のビデオ信号の伝送に使用
  • Ethernet付き高速（カテゴリ2）：高速ケーブルに似ているが、Ethernet機能を備えている

最終的な設計の考慮事項

HDMIデバイスを含むPCBレイアウトでは、クロストークを減らし、信号の安全性を維持するために慎重な配慮が必要です。ツイストワイヤペアを採用した設計にも注意を払う必要があります。ツイストペアを使用したケーブルは、特に50フィート近い距離では減衰による信号損失が発生する可能性があります。この距離を延長するために、HDMIエクステンダを使用することができ、最大300フィートの距離を可能にします。

さらに、HDMI技術は複数のデバイスを同時に駆動するのには理想的とは言えません。複数の信号を別々のデバイスに伝送する機能がなく、サラウンドとステレオの音声信号を同時に伝送することはできません。

まとめ

HDMI接続技術は、ケーブルの乱雑さを解消し、システムを簡素化すると同時に、高品質、広帯域幅のオーディオ信号とビデオ信号に対応する優れたソリューションです。規格の進化により、データ伝送速度や帯域幅が向上し、Ethernetなどの重要な機能が統合されました。このシステムを構成するコネクタとケーブルは、ホームエンターテインメント、現場通信、商用および産業分野など、さまざまな領域で普及しています。Same Skyは、エンジニアのAV信号設計のニーズを支援するため、さまざまなHDMIレセプタクルコネクタを用意しています。