现代通信新技术

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：

3．4色度空间转换CSC(OolorSpaceConverter)

AD9880支持任意色度空间的视频信号包括RGB、YUV、YCbCr。同时也可将输入的视频信号转换成任意色度空间输出。CSC是AD9880内部的任意色度空间转换电路，包括3个1×3的矩阵图6所示是其中一个矩阵。三个矩阵相互独立且参数一样。输入的信号来自模拟信号经A／D转换输入或HDMI输入。每个通道的转换公式如下：A通道：OUT—A=(IN—A×+IN—BX+IN—C×)×2B通道：OUT—B=(IN—A×+IN_BX+IN—C×)×2C通道：OUT—c一(IN—A×r1言十 IN—B×r●+IN—c×)×2阻上式中A1一A3、B1一B3、C1一C3是主要的输入比例系数，他们都13位的二进制数，其范围为一4095一+4095。取值范围从一4095／4096一+4095／4096，A4、B4、C4用来设置一个偏移量，也是一 个13位的二进制数。而CSC—scale主要是用来保证上述系数的值不超过4095。其取值有0、1、2三种。如果有一个值超过系数的取值范围。那csc_-scale必须设置为1或2。如果CSC—scale设置为1时。其他系数的取值只能取一半，为2时，取值为1／4。一般通道A为R或Cr输入。通道B为G或Y输入。通道C

为B或Cb输入。下面举例说明系数的设置，将输入HDTV的YCbCr转换成 12位RGB输出。R—Y十1．540(Cr一2048)一Y+1．540Cr一3154G—Y一0．459(Cr一2048)一0．183(Cb一2048)=Y一0．459×Cr一0．183×Cb+1315 B—Y十1．816(Cb一2048)=Y+1．816×Cb一3719 从上面表达式可以看出有一系数为1．816，超过了系数的取值范围一4095／4096一+4095／4096。因此CSC scale必须设置为1，那么×Cr+1×Y一)×2=(×Cr+Cb+×Y一1577)X2G一(×cr+坠XCb++XY一萼)X2·=(×Cr+Cb+~Y+657)~2B=‘0 X C r+×cb+÷×Y一)X2=(×Cr+Cb+×Y一1859)X2从上式可知A1—3154—0x0C52、A2=0=0x0000、A3=2048—0x0800、B1一一940—0xlC54、B2一一375—0x3E89、B3—2048=0x0800、C1=0=OxOOOO、C2=3719—0x0E87、C3—2048—0x0800、A4一一1577—0xl9D7、B4—657—0x0291、C4一一1859=Ox18BD、 csc-scale=1。将这些参数输入对应的寄存器就可以将输入的YCbCr转换成12位RGB输出。[3]

3．5电路与PCB设计时注意事项

虽然，HDMI传输的是数字信号。但是，HDMI是采用差分TMDS的方式来传送数据的。每个TMDS通道的阻抗为lOOlf，即每条线的阻抗为5012。因此，要注意电路设计与PCB设计时电路的阻抗匹配，每对线要尽量平行；长度要尽量相等，最好不要超过10cm；且尽量不要有过孔来连接这4对线；一般采用4层的PCB板设计。另外在电路与PCB设计时还要考虑ESD及EMC的问题。 4结论

应用具有模拟与数字双接口的芯片AD9880作为HDTV的接口芯片。简化了电路与PCB板的设计。无论是模拟输入还数字输入清晰度都能达到1080P和SXGA。而且降低了设计成本。

3资源潜力预测

(1)块体厚度确定：块体厚度拟定为500m，就是只估算500m厚岩块中蕴藏的金属总量。

(2)成矿率确定：选择区域典型的勘查程度较高的坪定金矿以及与其相对应的12O万水系沉积物测量圈定的Au异常参数，计算出金的成矿率为1.7。

(3)资源潜力预测：图1显示的是舟曲一武都Au地球化学块体中元素由边部向中心逐步浓集的特征，由表2计算结果可以看出，该区根据浓集强度不同、按

照浓集度单位面积内金属供应量7．6t／kniz、8．7t／km。、10．7t／km。分别计算块体金成矿资源量，其结果：Aul714—1约为401万吨，Au17141—1约为344万吨，Aul71—4约为280万吨。

(4)已发现金矿床评价资源最：该区内主要金矿是坪定中型金矿和九原小型金矿。经地质勘查评价，获得(333+3347)金资源量5．228吨，333占 (333+3347)32．9。[4] 4结论

甘肃舟曲一武都一带，区域地质背景具备了含矿地层、控矿构造和中酸性脉岩相伴生的良好成矿条件；地球化学块体及其异常显示了形成金大型矿集区的主要特征；资源潜力预测反映了形成大型矿集区的物质基础；区域矿产特征及已发现的众多金矿床(点)和经地质勘查评价获得的金资源量证明了形成大型矿集区的可能性。作者认为，该区带是西秦岭南部主要的金成矿远景区，具有形成大型金矿集区的潜力。 参考文献：

[1]HDMILicensingLLC．High—DefinitionMultimediaInterface(HDMI)Specification Version 1．2August22，2005

[2]AnalogDevices．Analog／HDMIDualDisplayInterfaceAD9880．http：／／www．analog．conr／Up1oadeFi1es／Da—taSheets／555987760AD98800．PDF 2005

[3]DelJones．AD9880ColorSpaceConerterUser'sGuide．httptffwww．analog．com／UploadeFiles／ApplitcationNotes／4988575AN 7950．PDF2005

[4]张茂贵等．高清晰度多媒体接口一HDMI1．1广播与电视技术．2006．3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/472w.html