High Definition Multimedia Interface

Grundidee und Funktionsweise

High Definition Multimedia Interface (HDMI) ist eine seit April 2002 entwickelte, drahtgebundene und proprietäre Schnittstelle zur digitalen Übertragung von Bild und Ton in der Unterhaltungselektronik. Video- und Audiosignale werden über ein gemeinsames Kabel in hoher Qualität übertragen. HDMI ersetzte weitgehend analoge Schnittstellen wie SCART, Composite Video, S-Video und Component Video. In die Verbindung ist außerdem das Kopierschutzsystem HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection) integriert, das das Abgreifen von Video- und Audiomaterial zwischen Sender und Empfänger verhindern soll und besonders anfangs kritisiert wurde.

HDMI basiert auf DVI-D und verwendet wie dieses die TMDS-Signalcodierung. Die Stecker sind jedoch kompakter; zusätzlich unterstützt HDMI Audioübertragung und Kopierschutz. Mit geeigneten Kabeln oder Adaptern sind DVI-D und HDMI 1.0–1.2 weitgehend kompatibel, wenn Audio und die zusätzlichen HDMI-Funktionen nicht benötigt werden.

Ein Quellgerät, etwa Blu-ray- oder DVD-Player, Spielkonsole, SAT-Receiver, Computer, Smartphone, Tablet, Camcorder oder Digitalkamera, überträgt ein Multimedia-Signal an ein digitales Zielgerät wie Fernseher, Computermonitor, Videoprojektor oder VR-Brille. Die Schnittstelle ist im Wesentlichen unidirektional. Über VESA Extended Display Identification Data können Eigenschaften des Displays, zum Beispiel unterstützte Auflösungen und Bildwiederholfrequenzen, an die Grafikkarte übermittelt werden. Die aktuelle HDMI-Version ist HDMI 2.2; sie wurde am 7. Januar 2025 vom HDMI Forum offiziell vorgestellt.

Entwicklung, Formate und Übertragungsraten

HDMI wurde von einem Konsortium aus Hitachi, Matsushita Electric Industrial, Philips, Silicon Image, Sony, Thomson und Toshiba für die privat genutzte Unterhaltungselektronik entwickelt. Die gemeinsame Entwicklung begann am 16. April 2002. HDMI 1.0 wurde am 09.12.2002 spezifiziert; der erste Hersteller mit HDMI-fähigen Geräten war Ende 2003 Pioneer. Die frühe Spezifikation ergänzte DVI um Audio, YCbCr, Consumer Electronics Control (CEC) und HDCP 1.1.

Die Spezifikationsnummer beschreibt nicht automatisch alle Fähigkeiten eines Geräts. Viele fortgeschrittene Video- und Audioformate sind optional; die Mindestanforderungen liegen deutlich niedriger. Wichtige Entwicklungsschritte sind:

• HDMI 1.0: 1920 × 1080p bei 60 Hz, 8-Kanal-PCM sowie MPEG, Dolby Digital und DTS; maximale Datenrate 3,96 Gbit/s.
• HDMI 1.2: PCM bis 192 kHz, 24 Bit und maximal 8 Kanäle; außerdem SACD. HDMI 1.2 erreicht bis zu 3,96 Gbit/s bei Typ A und 7,92 Gbit/s bei Typ B.
• HDMI 1.3: bis zu 8,16 Gbit/s, 2560 × 1440p bei 60 Hz, Dolby Digital Plus, Dolby TrueHD und dts-HD. Die Farbtiefe kann 10, 12 oder 16 Bit pro Farbkomponente betragen; außerdem kamen xvYCC und spezielle Farbraum-Metadaten hinzu.
• HDMI 1.4: 3840 × 2160p bei 24 Hz, 3D, HDMI Ethernet Channel und Audio Return Channel. Bei 1080p sind bis zu 120 Hz möglich.
• HDMI 2.0: bis zu 14,4 Gbit/s, 3840 × 2160p bei 60 Hz, 32-Kanal-Audio und der Farbraum ITU-R BT.2020. HDMI 2.0a unterstützte offiziell HDR nach CEA 863.1; HDMI 2.0b ermöglichte die dynamische Synchronisation mehrerer Audio- und Videostreams.
• HDMI 2.1: effektive Datenraten von 21⅓ GBit/s im FRL6x4-Modus und 42⅔ GBit/s im FRL12x4-Modus, darunter 7680 × 4320p bei 60 Hz und 3840 × 2160p bei 120 Hz.
• HDMI 2.2: 56⁸⁄₉, 71⅑ und 85⅓ GBit/s in FRL16x4-, FRL20x4- und FRL24x4-Modi. Unterstützt werden unter anderem 3840 × 2160p bei 480 Hz, 7680 × 4320p bei 240 Hz, 11520 × 6480p bei 120 Hz und 15360 × 8640p bei 60 Hz. Neu ist das Latency Indication Protocol (LIP).

Die maximale Datenrate beträgt bei HDMI 1.3 und 1.4 8,16 Gbit/s, bei HDMI 2.0 14,4 Gbit/s und bei HDMI 2.1 42,667 Gbit/s. Bei HDMI 1.3 entspricht die Bruttodatenrate 3 TMDS-Verbindungen × 340 MHz × 10 Bit = 10,2 GBit/s; nach dem Overhead der 8b10b-Kodierung bleiben maximal 8,16 GBit/s netto.

HDMI 2.1 und HDMI 2.1a

HDMI 2.1 wurde am 4. Januar 2017 auf der CES in Las Vegas vorgestellt und am 28. November 2017 offiziell veröffentlicht. Ab dieser Version sind die Spezifikationen nicht mehr öffentlich verfügbar, sondern nur für HDMI Adopters mit Nutzungslizenz. Die rechtlichen Vorgaben des HDMI-Forums verhindern außerdem die Unterstützung von HDMI ab Version 2.1 in quelloffenen Grafiktreibern.

Technisch wechselte HDMI von einer pixeltaktsynchronen Übertragung zu einer reinen Datenübertragung mit festem Takt. Das bisher für den Pixeltakt verwendete Adernpaar wird als vierte Daten-Lane eingesetzt. Statt 8b10b wird der 10 % effizientere 16b18b-Leitungscode verwendet. Möglich sind 6 GHz beziehungsweise 24 GBit/s brutto im FRL6x4-Modus und 12 GHz beziehungsweise 48 GBit/s brutto im FRL12x4-Modus; effektiv werden 21⅓ beziehungsweise 42⅔ GBit/s übertragen. Dadurch entfallen die früheren Zwangspausen für Zeilen- und Bildaustastlücken.

Zu den wichtigsten Funktionen gehören Display Stream Compression (DSC 1.2a), Dynamic HDR, Enhanced Audio Return Channel (eARC), Variable Refresh Rate (VRR), Quick Media Switching (QMS), Quick Frame Transport (QFT) und Auto Low Latency Mode (ALLM). VRR passt die Bildwiederholfrequenz an die Berechnung des Grafikprozessors an und vermindert Latenz, Frame Tearing und Stottern. QMS erlaubt den Wechsel von Auflösung oder Bildrate ohne Bildaussetzer; QFT überträgt Frames möglichst schnell; ALLM kann bei Spielen einen Modus mit niedriger Latenz aktivieren. Dynamic HDR kann Metadaten pro Szene oder sogar pro Frame übertragen und unterstützt Dolby Vision, SL-HDR1, Advanced HDR und HDR10+.

HDMI 2.1a wurde am 4. Januar 2022 vorgestellt. Die wesentliche neue Funktion ist SBTM (Source-Based Tone Mapping): Das Zuspielgerät fragt die HDR-Fähigkeiten des Displays ab und führt das Tone Mapping selbst durch. HDMI 2.1b vom 10. August 2023 enthielt vor allem Bereinigungen, Klarstellungen und Errata. Bei HDMI 2.1 wurde außerdem ein Chipfehler von Panasonic Solutions (Nuvoton Technology) bekannt, der unter bestimmten Bedingungen, etwa 4K mit 120 Bildern pro Sekunde und HDR, bei AV-Receivern ein schwarzes Bild verursachen kann; betroffen waren unter anderem Geräte von Denon, Marantz und Yamaha.

Kabel, Anschlüsse und Zusatzkanäle

Seit etwa November 2010 werden HDMI-Kabel in Klassen eingeteilt. Seit dem 1. Januar 2012 dürfen Kabel und Geräte nicht mehr einfach mit HDMI-Versionsnummern beworben werden, weil eine Versionsnummer keine sichere Aussage über die tatsächlich unterstützten Funktionen erlaubt. Stattdessen müssen die Funktionen angegeben werden. Die Bezeichnungen sind unter anderem HDMI Standard, HDMI High Speed, HDMI Premium High Speed, HDMI Ultra High Speed und HDMI Ultra 96; jeweils gibt es teilweise Varianten mit Ethernet sowie Automotive-Kategorien.

HDMI High Speed erreicht maximal 8,16 GBit/s netto und unterstützt Full-HD-3D, Deep Color bis 1080p sowie 4K2K bei 24 Hz. HDMI Premium High Speed ist für 6 GHz und 14,4 beziehungsweise 21⅓ GBit/s ausgelegt. HDMI Ultra High Speed unterstützt 12 GHz und 42⅔ GBit/s sowie 4K bei 120 Hz und 8K bei 60 Hz. HDMI Ultra 96 arbeitet mit 24 GHz und 85⅓ GBit/s und ist für 4K bei 480 Hz, 8K bei 240 Hz, 12K bei 120 Hz und 16K bei 60 Hz vorgesehen. Automotive-Kabel sind für Temperaturschwankungen und Vibrationen im Fahrzeug ausgelegt; dafür kann der besser geschützte Stecker Typ E verwendet werden.

HEC (HDMI Ethernet Channel) überträgt 100-MBit/s-Ethernet. ARC (Audio Return Channel), zusammen mit HEC auch HEAC genannt, führt Audiosignale über dasselbe HDMI-Kabel vom Fernseher zu einem Audio-/Video-Receiver zurück. Dadurch ist kein separates TOSLINK- oder Cinch-Kabel nötig. HEC und HEAC wurden mit HDMI 1.4 eingeführt.

Definiert sind die Steckertypen A, B, C, D und E. Typ A ist der Standardstecker, Typ C der Mini-HDMI-Stecker und Typ D der Micro-HDMI-Stecker. Typ E ist für Automotive-Anwendungen vorgesehen. Typ A, C und D nutzen eine Single-Link-Verbindung mit drei TMDS-Signalleitungspaaren. Typ B hätte mit sechs Paaren eine doppelte Datenrate ermöglicht, wurde bei HDMI aber nie verwendet. Typ A besitzt 19 Kontakte; zu den wichtigen Signalen gehören drei TMDS-Datenpaare, ein TMDS-Taktpaar, CEC, DDC-Leitungen, +5 V, Hot-Plug-Erkennung sowie bei HDMI 1.4 HEC Data+ und HEC Data−.

Kabellänge, Kompatibilität und Grenzen

Bis zu zehn Meter lange Kabel ohne Elektronik können die Leistungstests für Standard-Kabel erfüllen. Lichtwellenleiterkabel sollen Längen bis zu 100 Metern ermöglichen. Für lange Strecken sind Kabelqualität, Hochfrequenzeigenschaften, Dämpfung, Signallaufzeitdifferenzen, Übersprechen und die Empfangseigenschaften des HDMI-Empfängers entscheidend. Signalrepeater können die Distanz verdoppeln; für größere Entfernungen kommen Extender, Lichtwellenleiter oder Umwandlungen nach HD-SDI und zurück infrage.

Übertragungsfehler zeigen sich bei HDMI typischerweise durch farbiges Aufblitzen einzelner Pixel oder ganzer Pixelreihen, nicht durch das herkömmliche analoge Bildrauschen. HDMI-DVI-Adapter benötigen häufig keinen Wandler, weil HDMI DVI-Single-Link sehr ähnlich ist. Bei aktiviertem HDCP müssen jedoch Sender und Empfänger passende Hardware-Chips besitzen; sonst bleibt der Bildschirm dunkel oder zeigt farbiges Rauschen.

Kompatibilitätsprobleme können durch unterschiedliche Pegelbereiche entstehen: DVI-PC verwendet Helligkeitswerte von Y = 0 bis Y = 255, während DVI-Video nach ITU-601R Schwarz mit Y = 16 und Weiß mit Y = 235 definiert. Je nach Gerätekombination erscheinen dunkle Bereiche dann zu schwarz, Schwarz zu hell oder Weiß übersteuert. Außerdem können Fernseher neue Tonformate wie DTS-HD oder Dolby TrueHD oft nicht vollständig über S/PDIF weitergeben. Bei DTS-HD wird der DTS Core mit 1509,75 kBit/s ausgegeben; bei anderen Formaten kann ein Echtzeit-Downmix von etwa 6144 kBit/s auf 1536 kBit/s erfolgen.

Alternative Multimedia-Schnittstellen sind DVI, SDI, UDI, DisplayPort, HDBaseT und Thunderbolt.