HDMI接口在HDTV中的应用
摘要：简要介绍了HDMI的发展背景，HDMI1．2版的通信协议及TMDS链路构成。并详细分析了HDMI接口芯片AD9880在HDTV中的应用。
关键词：高清晰度多媒体接口、高清晰度电视、最小变换差分信号、色度空间转换中图分类号：TN949．17。 1引言
消费类电子市场已经进入从模拟设备向数字设备的转型期，HDTV就是其中最为典型设备之一。与模拟技术相比，音视频的数字化可以提供高品质的图像和声音，并具有较强的交互功能，根据国家广电总局的数字电视计划，到2015年停止模拟电视广播时，中国现有的3．2亿台模拟电视接收机都要完成数字化改造——或加装数字机顶盒、或置换为数字电视接收机，对于欧美市场这几年HDTV已逐渐普及化。虽然现在的电视扫描线数可达到1080P，但是信号的传输还是模拟接口，信号从DVD解码再传输到电视，首先须要经一级D／A转换，经Cable(电缆)传输到电视，还要经一级A／D转换，A／D与D／A转换本身就存在量化误差，且在传输过程中存在损耗与干扰，应用模拟接口传输信号很难达到HDTV的要求。必须采用数字技术传输，数字信号具有很好的抗干扰能力，只要干扰不超过一定阀值，就能无损的传输，即使有干扰，也可以利用纠错技术 还原信号。利用DVI或HDMI接口只须一根电缆可实现高品质的数字视频无压缩传输，但DVI接口不能传输音频信号，HDMI接口是在DVI的基础上发展起来的，完全兼容DVI，且能传输具有CD质量(192KHz)多达8个声道的音频信号。美国FCC规定，从2005年7月1日起，要求境内所有的消费数字类产品都具备有DVI或HDMI接口。因此，HD—MI是进军美国数字电视的关键。 2 HDMI接口介绍
HDMI是High—DefinitionMultimediaInter—face(高清晰度多媒体接口)的缩写，2002年4月，日立、松下、飞利浦、索尼、汤姆逊、东芝和硅图像等七家公司联合组成HDMI组织。2002年12月上述七家公司共同发布了HDMI1。0规格，
2005年8月HDMI1．2规格发布。目前已有超过200家公司成为HDMI的许可采纳者，HDMI已经获得所有主要的消费电子产品制造商的采用。支持所有的CE类视频格式，扫描线最高达到1080P。如图1所示，HDMI包括三个相互独立的通信通道：TMDS、DDC(Display DataChanne1)、CEC(ConsumerElectronicsContro1)。TMDS通道主要传输包括视频，音频及音视频的辅助数据。辅助数据用来描述音视频数据的格式，这个是单向通道，只 能是发送端传输到接收端。DDC通道是一个双向通道，发送端可通过DDC通道读取接收端的E—EDID(增强扩展显示识别数据，即接收端的设备配置数据)存储器来配置输出数据的格式使发送端与接收端之间达到最佳状态。CEC通道是一个可择的高级控制通道，通过CEC通道可实现设备之间的相互控制。另外，HDMI还通过HPD引脚支持HPD(热插拔)的功能。此外，HDCP(High—band-widthDigitalContentProtection)高带宽数码内容保护协议并不是HDMI标准所必备的功能，不过目前市场上所有HDMI产品都具备HDCP的功能，保护高品质的图像与声音不被非法复制。TMDS链路结构众所周知，差分信号能有效的滤除共模的干扰，HDMI就是采用差分的形式传输信号，其传输的方式为最小变换差分信号TMDS(TransitionMini-mizedDifferentialSigna1)，如图1所示，TMDS包括三个数据通道与一个时钟通道，三个数据通道能传输视频信号、音频信号和辅助数据。每个时钟周期内每通道传输一个像素(10位)。发送端传输的信号有视频信号、数据岛和控制信号。每个视频信号有24位，数据岛有12位，控制信号有6位。根据信号可分为三种周期：视频信号周期、数据岛周期和控制信号周期。每种信号采用不同的编码方法。视频信号周期三个通道传输串行的24位视频信号，每通道传输8位，TMDS编码采用DC平衡的方法将每通道的8位的串行数据变换成10位，而对于象素传输速率低于25MHz／S的视频格式，采取像素重复的方式，如：720×480i(NTSC制)的象素速率为13．5MHz，采用像素重复方式，即每个象素传输2次。为了传输音频信号和辅助数据，HDMI采用打包的方式，将音频信号与辅助数据合成多个封包组成数据岛周期，数据岛周期内传送12位的数据岛。为了提高数据的可靠性，先用BCH纠错码进行纠错编码，再采用TERC4编码(TMDS错误减少编码)将每通道4位的数据岛变换到1O位。在控制信号周期内，6位的控制信号(每通道2位)包括行场同步信号及下个周期的指示信号(导言)，将每通道2位控制信号的变换到1O位。在图像的正程，传送视频信号；在图像的逆程，传送音频信号、辅助数据(数据岛)和控制信号。[1] 3 HDMI接口设计 3．1 HDTV架构
典型的HDTV接收机如图2所示：具有传统的接口与现有的模拟有线电视、DVD、机顶盒相。提供数字接口DVI／HDMI以便与最新的数DVD及PC机联接，实现完全数字化，以播放高的视频与音频。AD9880是世界上第一个用于TV的集成模拟与数字双接口的IC(见图3)。数字接121使用HDMI或DVI能提供高达0p和SXGA(150Mbps)的图像分辨率。模拟接A／D转换成数字信号，工作带宽高达150MHz示分辨率也能达到1080p和SXGA。另外HDMI接口还可以在图像逆程传输具有CD质量(192kHz)的8声道环绕立体声的音频。此外，AD9880的HDMI接口还支持HDCP，保护高品质的图像与声音不被非法复制。 3．2视频接收
3．2．1 AVI(AuxiliaryVideoinformation)
辅助图像信息封包接收端通过AVI数据封包确定不同视频格式，在每两帧图像之间必须传输一个AVI数据封包。AVI封包包括如下内容：传输的图像编码是RGB还是YCbCr，行场同步信号的描述，扫描的方式是隔行扫描还是逐行扫描，屏幕的比例是4：3还是16：9，是否采用像素重复的方式等等信息。接收端可根据AVI封包正确接收视频信号。[2] 3．2．2视频数据解码
视频信号的发送是将每通道8bit的数据通过DC平衡的方式变换到lObit传输的。在接收端接收到视频信号后。要将lObit还原成8bit的信号。 其还原过程如图4所示。
3．2．3行场同步信号
在数据岛周期内，HDMI利用通道0的第1位传送行同步信号，通道0的第2位传送场同步信号。在视频信号周期内，同步信号不传送，但是接收端要保持之前的同步状态不变。在控制信号周期内，HDMI利用通道0来传送同步信号。 3．2．4像素解码
HDM1支持的像素编码有三种：RGB4：4：4、YCbCr4：4：4和YCbCr4：2：2。每个TMDS通道在一个时钟周期内只发送8bit数据。对RGB编码的信号，TMDS在每个时钟周期内接收一个完整的像素，通道0为B、通道1为G、通道2为R。对于YCbCr4：4：4像素编码信号，同样也在一个时钟周期内接收一个完整的像素，通道0为Cb、通道1为Y、通道2为Cr。但对YCbCr4：2：2编码来说，须要两个时钟周期才能接收一个完整的像素，在第一个时钟周期，通道0低4位接收Y0的低4位，高4位接收CbO的低4位，通道1接收YO的高8位，通道2接收CbO的高8位；在第二个时钟周期内，通道0低4位接收Y1的低4位，高4位接收Cr0的低4位，通道1接收Y1的高8位，通道2接收Cr0的高8位。对像素速率低于25MHz的信号，采取像素重复的方式，即在第一个周期内传送一个像素，在第二周期内再重复传送一次。· 3．3音频接收
音频信号是采取封包的方式在图像的逆程传输。在图像的正程传输视频信
号，在图像的逆程传输数据岛。数据岛周期包括音频信号与辅助数据。数据岛周期内每个封包包含32个像素数据的长度，封包包括包头(PH)，包体(PB)及相关的纠错位组成，包体由四个子包(SB)组成，每个子包由56位数 据与8位纠错位组成。 3．3．1音频信号包
音频信号包可以包括1至4个音频信号子包，可有不同的采样频率或不同个音频声道。表1音频信号封包头
音频封包头具体配置如表1所示：HB0=0x02，表示此封包为音频信号包；layout：规划音频通道与采样频率的参数；sample—present．spX：设置子包X是否包含音频数据(其具体设置如表2所示)；Sam—ple—flat．spX：设置声道的个数(只有当sample—present．sl：IX设置时才有效)，；BX：当BX=1时，子包X包含IEC60958框架，为0时为其他框架；layout=0时，HDMI最多有2声道，4个子包可有4种采样速率，每个子包各一种速率；当layou=1时，有8个声道，子包0为声道1、2的音频信号，子包1为声道3、4的音频信号，其余两个子包为通道5、6、7、8的音频信号。但此时采样速率必须相同。
3．3．2音频时钟恢复包
当接收到的封包头HB0—0XO1时，接收到的数据包为音频时钟恢复包。此时，HB1、HB2都为0，接收端可忽略HB1、HB2。包体包含N和CTS两个音频时钟恢复参数，每个参数为20位。音频信号通过数据岛周期传输，但是音频时钟fs没有专用的通道传输，HDM1只有一个视频时钟fTMDS—CLOCK，音频信号没有保留最初的采样时钟，因此在接收端必须用视频时钟和N与CTS参数来恢复音频时钟才能解码出音频信号，音频时钟的传输与时钟恢复如图5所示，其关系如下式：