基于hdi的視頻數(shù)字視頻接口

1替代模擬音視頻接口隨著生活水平的提高，人們對視覺和聽力的需要越來越高。數(shù)字視頻接口逐漸取代了模擬的視頻接口，成為電子消費電子的主流。在DVI接口的基礎(chǔ)上，HDMI接口增加了對音頻的傳輸和數(shù)字內(nèi)容版權(quán)保護，而且大幅提高了傳輸速率，逐漸成為數(shù)字視頻的主要傳輸技術(shù)，因此HDMI接口技術(shù)的研究具有極大的商業(yè)價值和社會意義。2hdmi視頻編碼HDMI系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由發(fā)射端和接收端組成，如圖1所示，HDMI接口包含三組獨立的數(shù)據(jù)通道:TMDS(最小轉(zhuǎn)換差分信號)通道、DDC(顯示數(shù)據(jù))通道和CEC(消費電子控制)通道。其中TMDS通道主要傳輸音視頻數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)。TMDS通道的數(shù)據(jù)傳輸作為HDMI傳輸?shù)闹黧w部分是本文討論的重點。TMDS通道包括三組差分數(shù)據(jù)信號和一組差分時鐘信號，它們構(gòu)成用于傳輸視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和輔助信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道和時鐘通道。通常情況下TMDS時鐘工作在視頻像素時鐘上，在接收端它作為恢復(fù)三路TMDS數(shù)據(jù)通道內(nèi)容的參考頻率。在發(fā)送端TMDS編碼將8-bit的TMDS視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10-bit直流平衡、最小變化傳輸?shù)牟罘中盘?。每一個視頻像素在編碼前可以用24,30,36或者48bit表示。默認情況下，24-bit色彩深度視頻的像素時鐘頻率等于TMDS時鐘頻率，更高色彩深度的視頻傳輸需要相應(yīng)提高TMDS時鐘頻率。HDMI在TMDS通道中采用數(shù)據(jù)包的形式傳輸音頻和輔助信息數(shù)據(jù)。DDC通道按照標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議工作，信號高低電平采用5V和0V，被發(fā)射端用來讀取接收端EDID(ExtendedDisplayIdentificationData)數(shù)據(jù)，而EDID數(shù)據(jù)主要包含接收端可以支持的視頻分辨率信息和音頻格式信息。為了實現(xiàn)即插即用功能，發(fā)射端可以通過讀取接收端的EDID信息來自動更改發(fā)出的音視頻格式。高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護功能HDCP也依靠DDC通道來交換密鑰實現(xiàn)加密解密過程，達到音視頻內(nèi)容保護的目的。版權(quán)保護功能雖然是HDMI的要求，但是HDCP協(xié)議相對HDMI是獨立存在的，限于篇幅本文不再討論。CEC通道主要是將多個多媒體發(fā)送和接收設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)一鍵控制功能，CEC通道是HDMI協(xié)議的可選功能，目前尚未普遍使用。3hdmi編碼格式HDMI鏈路包含三種工作模式:視頻數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)島周期、控制周期。在視頻數(shù)據(jù)周期傳輸有效視頻行的有效像素。在數(shù)據(jù)島周期以多種數(shù)據(jù)包形式傳輸音頻和輔助數(shù)據(jù)以及糾錯碼。在沒有視頻、音頻或者輔助數(shù)據(jù)需要傳輸控制周期，控制周期用來指示下一個周期是視頻數(shù)據(jù)周期還是數(shù)據(jù)島周期，因此在任意兩種非控制周期之間要傳輸一個控制周期。在進行HDMI編碼之前，每個TMDS通道包含8bit視頻數(shù)據(jù)、4bit音頻數(shù)據(jù)包、2bit控制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在HDMI編碼時按照不同的編碼方式擴展成10bit。如圖2所示是編碼之前的數(shù)據(jù)在三個數(shù)據(jù)通道中的示意圖。3.1編碼之前的8-金融數(shù)據(jù)如前所述，視頻傳輸主要發(fā)生在視頻數(shù)據(jù)周期，每個視頻周期內(nèi)的前兩個TMDS時鐘周期作為視頻數(shù)據(jù)周期的前防護帶被稱為LeadingGuardBand。在視頻周期內(nèi)，三個TMDS通道的前防護帶有其特定的值，此值以10-bit形式與編碼后的視頻數(shù)據(jù)共同存在，并不存在編碼之前的8-bit數(shù)據(jù)，如表1:在前防護帶之后，就開始傳輸編碼后的視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)編碼將8位視頻數(shù)據(jù)變換為10位，然后在視頻數(shù)據(jù)周期傳輸。首先，將8位字符在最低位不變情況下，對剩下7位分別與其前1位通過“異或”或者“異或非”最小變化編碼后，再加上編碼指示位產(chǎn)生9位的字符(實際采用“異或”還是“異或非”由8位數(shù)據(jù)所包含的“1”的個數(shù)決定，第9位標(biāo)志采用了哪種變換方式，0表示“異或非”，1表示“異或”)。然后根據(jù)已經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)0和1的個數(shù)以及當(dāng)前將傳輸數(shù)據(jù)的0和1個數(shù)，決定是否對第一步所產(chǎn)生的9位信息中的8個數(shù)據(jù)位作反轉(zhuǎn)操作(如果已經(jīng)傳輸了更多1，而且當(dāng)前數(shù)據(jù)的1比0多，那么反轉(zhuǎn))，變換成10位的直流平衡碼(第10位標(biāo)志是否作了反轉(zhuǎn)，1表示作了反轉(zhuǎn)，0表示沒有反轉(zhuǎn))。最后，編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過串行化之后在TMDS通道上以差分形式串行發(fā)送出去。3.2tmds信號機制數(shù)據(jù)島周期用來傳輸音頻采樣數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)。輔助數(shù)據(jù)包括信息包和其他一些描述視頻或者音頻有效與否的數(shù)據(jù)包。與視頻數(shù)據(jù)周期類似，數(shù)據(jù)島周期以一個前防護帶開始，然后才是數(shù)據(jù)島周期的第一個數(shù)據(jù)包，與視頻數(shù)據(jù)周期不同的是數(shù)據(jù)島周期以一個尾防護帶TrailingGuardBand結(jié)束，而視頻數(shù)據(jù)周期沒有尾防護帶。在數(shù)據(jù)島周期中，數(shù)據(jù)通道1和2的GuardBand也有其特定的值，對應(yīng)數(shù)據(jù)通道0的位置不按照GuardBand編碼。具體如表2:在數(shù)據(jù)島周期的每一個TMDS時鐘周期(包括兩個GuardBand)，數(shù)據(jù)通道0的第0位和第1位都傳送經(jīng)過編碼的HSYNC和VSYNC。信號數(shù)據(jù)通道0的第2位用于傳送數(shù)據(jù)包頭，數(shù)據(jù)通道1和2各有低四位被用來傳送數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包有32個像素的長度，并通過BCH錯誤校正碼進行錯誤糾正和檢測。數(shù)據(jù)島周期中，三條TMDS通道都是在傳送一系列由4位輸入數(shù)據(jù)編碼得到的10位數(shù)據(jù)，使用的是降錯編碼TERC4。如表3:3.3tmds信號轉(zhuǎn)換模塊的確定控制周期傳輸引導(dǎo)數(shù)據(jù)，同時也用于接收端字符同步。每一個TMDS通道傳輸兩位控制信息，如表4:CTL0-CTL3用來指示接下來傳輸?shù)氖且曨l數(shù)據(jù)周期還是數(shù)據(jù)島周期。只有下表兩個值是有效的，其他都是非法值，如表5:2位控制數(shù)據(jù)編碼得到的10位數(shù)據(jù)如表6:TMDS接收器需要在一系列的串行數(shù)據(jù)中確定數(shù)據(jù)邊界的位置，一旦數(shù)據(jù)通道中的邊界字符被確定，接收器將依此同步串行數(shù)據(jù)流，并且將TMDS通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流解碼。在視頻數(shù)據(jù)周期和數(shù)據(jù)島周期內(nèi)，10位編碼數(shù)據(jù)包含5次或更少的轉(zhuǎn)換，而在控制周期則包含7次或更多的轉(zhuǎn)換。內(nèi)容轉(zhuǎn)換次數(shù)多的編碼字在控制周期中傳送，成為解碼器端字符同步的基礎(chǔ)。4hdmi信號解碼模式視頻格式的支持是目前消費電子廠家爭相改進的重要方面。本節(jié)從以下三個方面討論HDMI器件所支持的視頻格式:像素編碼、色彩深度、視頻分辨率。在像素編碼方面，HDMI支持三種方式:RGB444、YUV422、YUV444，并且RGB444是要求必須支持的一種，另外兩種可選。如果HDMI接收或者發(fā)送器件能以模擬分量視頻或者數(shù)字視頻支持YUV422或YUV444，那么就要求在HDMI發(fā)送端或者接收端也支持對應(yīng)的格式，而且HDMI接收端對YUV422和YUV444的支持是同時的。在色彩深度方面，所有的HDMI設(shè)備都必須支持24位色彩深度要求。超過24位的色彩深度被稱為是深度色彩模式，30位、36位、48位三種色彩深度對于HDMI設(shè)備來說是可選的。如果HDMI設(shè)備支持深度色彩模式，那么首先必須支持36位色彩模式。對于24位色彩模式，TMDS時鐘周期等于視頻像素周期，而在深度色彩模式下TMDS時鐘周期與視頻像素周期成對應(yīng)倍數(shù)關(guān)系。在視頻分辨率方面，HDMI發(fā)送端必須至少支持640*480p@60Hz、720*480p@60Hz、720*576p@50Hz中的一種。如果HDMI發(fā)送器件能以模擬分量視頻或者數(shù)字視頻支持1920*1080i@60Hz、1280*720p@60Hz、1920*1080i@50Hz、1280*720p@50Hz、720*576p@50Hz、720*480p@60Hz六種分辨率中的任意一種，那么要求HDMI發(fā)送端也能支持對應(yīng)的分辨率。對于HDMI接收端，要求都必須支持640*480p@60Hz。除此之外，所能支持的像素編碼方式、色彩深度以及視頻分辨率都必須在EDID信息中標(biāo)明供HDMI發(fā)送端識別。5hdmi發(fā)送器簡介篇幅所限，本文并不能對HDMI系統(tǒng)的所有內(nèi)容詳細介紹，主要從HDMI整體結(jié)構(gòu)以及各類數(shù)據(jù)編解碼方法對HD-MI傳輸進行剖析，使讀者對HDMI傳輸過程中的每一個時刻信號所代表的內(nèi)容有一個直觀而確定的認識，這是HDMI設(shè)計過程中最難理解也是最重要的部分。常用的HDMI發(fā)送器能夠支持RGB444/YUV422/YUV444三種像素編碼格式和24位色彩深度。在分辨率方面，除了能支持1920*1080p@60Hz、1920*1080p@30Hz、1920*1080p@25Hz、1920*1080i@60Hz、19