視頻數(shù)據(jù)在HDMI接口中的編解碼分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21639視頻數(shù)據(jù)在HDMI接口中的編解碼分析案例 1276811.1HDMI接口編解碼概覽 1159381.1.1鏈接架構 1256641.1.2運行模式簡述 2101331.2HDMI視頻編碼 4241481.2.1控制周期編碼 455801.2.2視頻數(shù)據(jù)編碼 56351.2.3視頻數(shù)據(jù)編碼電路 9206391.2.4功能仿真 103311.3HDMI視頻解碼 10222521.3.1視頻數(shù)據(jù)解碼 10133911.3.2視頻數(shù)據(jù)解碼電路 124531.3.3功能仿真 12100341.4設計結果分析 131.1HDMI接口編解碼概覽1.1.1鏈接架構HDMI的連接結構如圖1.1.1-1所示，輸入的數(shù)據(jù)流進入源端，單鏈路的HDMI發(fā)送端包含三個同樣的編碼器，2位控制信號或8位視頻數(shù)據(jù)通過編碼器后，轉為串行數(shù)據(jù)，TMDS時鐘通道的時鐘信號頻率是字符傳遞的速率。數(shù)據(jù)也會隨著運行周期的改變發(fā)進行類型變化，有視頻像素數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)包和控制信號。輸入前數(shù)據(jù)類型不一致，但是經(jīng)歷各自對應的編碼操作后，都是以10位的形式進行一個傳遞。。圖1.1.1-1HDMI編碼器/解碼器概覽1.1.2運行模式簡述鏈路在工作運行的時候，有三個模式。這三個運行模式中，有效視頻信息在視頻數(shù)據(jù)周期的時間段里進行傳送，TMDS數(shù)據(jù)通道中是有效視頻像素數(shù)據(jù)；傳輸在音頻數(shù)據(jù)方面，是在數(shù)據(jù)島周期時間，分組數(shù)據(jù)包囊括了音頻數(shù)據(jù)和其輔助數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)包的形式進行傳輸；在非數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間段，運行在控制周期?？刂浦芷谑亲鳛橐粋€過渡期在其他兩個任意類型的運行模式之間，如下圖1.1.2-1所示，是上述的周期類型在實際中的配置。圖1.1.2示例：720x480p視頻幀中的TMDS周期視頻數(shù)據(jù)周期內傳輸?shù)氖怯行б曨l數(shù)據(jù)，在傳輸有效視頻的時候，使用轉換最小化編碼對8bit的R/G/B數(shù)據(jù)進行編碼或者是24位的像素進行編碼，使其傳輸過程中電平跳變次數(shù)盡量少。數(shù)據(jù)島周期時間以與最小化編碼方法類似的轉換方式應用，這種方式叫做錯誤減少編碼(TERC4)，這個編碼方式每信道傳輸4位數(shù)據(jù)，或者一個時鐘周期的時間里傳輸?shù)奈粩?shù)總和為12位。在控制周期的時間里，每個傳輸通道會應用到與上述兩個時期不同的方式，稱之為轉換最大化編碼，這種編碼的方式實際上是對每個時鐘執(zhí)行單個通道2位或全部通道總和達6位的編碼，它們分別是、、CTL0、CTL1、CTL2和CTL3。4個CTLX位，它們能起到的作用是一個指示作用，在導言中，這四個位可以表示在這個控制周期即將結束的時刻，后面緊跟著的周期類型。前文中所提及的三個運行模式，除去控制周期，所以，CTLX位所表明的內容：CTL0、CTL1、CTL2、CTL3為“1000”，控制周期后是視頻數(shù)據(jù)周期；為“1010”，后跟數(shù)據(jù)島周期。在進入視頻數(shù)據(jù)段和數(shù)據(jù)島周期之前，都會配置一個前導保護帶；數(shù)據(jù)島周期還配置有一個尾保護帶。這么做的目的，在切換控制周期和數(shù)據(jù)周期的時候，可以過渡平穩(wěn)。表1.1.2-1編碼類型和傳輸數(shù)據(jù)周期數(shù)據(jù)傳輸編碼類型視頻數(shù)據(jù)周期視頻像素視頻數(shù)據(jù)編碼（8bitto10bit）保護帶固定10位模式數(shù)據(jù)島周期數(shù)據(jù)包--音頻采樣--信息幀HSYNC，VSYNC編碼(4bitto10bit)保護帶固定10位模式控制周期控制信號--導言--HSYNC，VSYNC控制周期編碼(2bitto10bit)1.2HDMI視頻編碼1.2.1控制周期編碼在控制周期時間內，每個數(shù)據(jù)傳輸通道都包含兩個控制數(shù)據(jù)信號，里面的控制信號如表1.2.1-1所示。表1.2.1-1TMDS通道D0D10HSYNCVSYNC1CTL0CTL12CTL2CTL3三個TMDS通道內的兩個控制信號分別應按照如下形式進行編碼：case(D1，D0):0，0:q_out[9:0]=0b1101010100;0，1:q_out[9:0]=0b0010101011;1，0:q_out[9:0]=0b0101010100;1，1:q_out[9:0]=0b1010101011;endcase;1.2.2視頻數(shù)據(jù)編碼這部分主要內容是對于視頻信號傳送過程中需要采取的編碼控制算法特點進行了詳細描述。給出了一個示例，以詳細說明編碼器的類型。其他的類型可能存在并且可能實現(xiàn)，但是在給定相同類型的字符編碼序列的情況下，必須將它們的轉換輸出必須與由上述編碼器轉換后的輸出（10位）字符編碼序列一致。在處于視頻數(shù)據(jù)周期的時間內，執(zhí)行了編碼操作后，會將輸入的8位的像素數(shù)據(jù)轉換成一個DC-Balance的10位字符串。在數(shù)據(jù)有效階段，編碼操作的流程，有兩個主要的環(huán)節(jié)組成：第一個環(huán)節(jié)根據(jù)輸入進來的那個8位的像素數(shù)據(jù)，添加表示一個邏輯運算的標識的第九位，完成一個轉換次數(shù)最少的9位的字符串；第二個環(huán)節(jié)緊密承接上一個環(huán)節(jié)，再添加一個第十位代表翻轉的標識符，即已經(jīng)運算完成的TMDS字符串并進行輸出的運算結果，管理傳輸?shù)淖址鞯恼w的直流平衡將由它來管理。九位數(shù)的代碼的話，來自編碼器工作流程順序的第一階段的結果是通過8位的經(jīng)過邏輯判斷運算后得到的。在得到轉換完成后的8位的結果，這之后一個擁有表示標識功能的第九個特殊位會被插入到整個信息當中。是用來說明有兩種描述方法轉換，前面的轉換方法是具體選擇了這兩個方法中的哪一個。無論是哪一個轉換的方法，在執(zhí)行整個操作的流程完成后，輸出信息的LSB同輸入數(shù)據(jù)的LSB是完全相吻合的。當初始值被確定，輸出信息的其余7位由前面推導的每個位的順序特定的或特定的()函數(shù)派生。應當做出一個恰當?shù)倪x擇，在上述的兩個邏輯運算方法中依據(jù)實際的情況和需要，為了實現(xiàn)在編碼值中可能包含盡可能少的變換。所以，這個第九位的作用可用于表示具體是哪一個函數(shù)或函數(shù)被選擇用于進行對應的編碼轉換來輸出這個9位的數(shù)據(jù)。針對于這個9位數(shù)的字符串，它的解碼操作也只是把或邏輯計算在該代碼相鄰位上進行反演，而LSB則不加更改地從解碼器輸入傳遞到解碼器輸出。當我們在獲得一個9位數(shù)的階段性數(shù)據(jù)后，將會進入到編碼流程下一個環(huán)節(jié)。在第二個環(huán)節(jié)，前面生成的那一個9位的過渡的數(shù)據(jù)，會將這個9位的字符串里面的包含視頻數(shù)據(jù)信息的8位按照一定的規(guī)律進行翻轉。進行有條件的翻轉的目的是，在傳輸過程中減少數(shù)據(jù)轉換的次數(shù)，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流達到一個大體上的直流平衡。之后，第十位的加入，用于表示什么時候進行過翻轉。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中“0”還有“1”在過程中存在的差異會被編碼器獲得，再結合輸入的那個數(shù)據(jù)中的“0”和“1”的具體的數(shù)值差異，計算出轉換到下一個字符的時刻。一種情況是，整個傳輸流中通過的“1”的數(shù)量較大，且輸入的字符又包含比“0”數(shù)量多的“1”，那么整個字符會被翻轉后進行傳輸。根據(jù)上述的編碼流程的描述，解碼器的解碼流程也可以通過上面編碼完成后的差分傳輸信號的第十位的信息，逆向推導，完成解碼的操作。TMDS編碼算法的流程由圖1.2.2-1所示，并且圖內的參數(shù)都在表1.2.2-1有定義。根據(jù)輸入，可以生成一個包含460個數(shù)據(jù)的編碼查找的表，輸入和編碼后數(shù)據(jù)的對應關系可以在這中體現(xiàn)。在視頻數(shù)據(jù)周期，輸出其他類型10位數(shù)據(jù)是不被允許的，在進入該時期前，數(shù)據(jù)流視差（cnt）要歸零。表1.2.2-1編碼算法的定義D編碼器輸入數(shù)據(jù)集;D是8位像素數(shù)據(jù)cnt一個寄存器，是被設計來記錄數(shù)據(jù)流的差異。其中如果數(shù)據(jù)流中的“1”超過了“0”，會以正值的方式將數(shù)量計入該寄存器，反之則會用負值。Cnt（t-1）這個表達了上一個輸入數(shù)據(jù)集的差值，同理cnt（t）就應該反映出當前輸入數(shù)據(jù)集的差值。q_m中間值q_out這10位是編碼的輸出值此運算符返回參數(shù)“x”中的“1”的個數(shù)此運算符返回參數(shù)“x”中的“0”的個數(shù)圖1.2.2-1TMDS視頻數(shù)據(jù)編碼算法流程圖由TMDS數(shù)據(jù)通道傳送視頻數(shù)據(jù)的時候，8位的視頻數(shù)據(jù)會經(jīng)過編碼，輸出一個近似直流平衡的經(jīng)過編碼的字符，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流會做到盡量少的跳變次數(shù)。對于視頻數(shù)據(jù)的編碼處理，我們可以將整個操作過程大致分為兩個環(huán)節(jié)：一是從8位輸入生成一個跳變次數(shù)盡量的達到最小的9位字符，二是將上個環(huán)節(jié)產生9位的字符再加入一個第十位表示是否將其中的8位數(shù)據(jù)信息進行翻轉，來實現(xiàn)近似的直流平衡。所以，直流平衡是這個8b/10b編碼的特性之一，可以提高系統(tǒng)抗電磁干擾的性能。1.2.3視頻數(shù)據(jù)編碼電路圖1.2.3-1視頻編碼模塊的原理圖輸入的視頻數(shù)據(jù)分別進入R/G/B三個不同的顏色通道。從圖中也可以看出，每個顏色通道的處理過程都是一樣的，都是先經(jīng)過dvi_encoder進行編碼，然后經(jīng)過serializer_10_to_1模塊進行并串轉換。這里提及的OBUFDS是差分輸出緩沖器，可以實現(xiàn)信號的差分輸出。支持TMDS電平標準，用于將輸出的編碼后的串行數(shù)據(jù)轉換為差分信號輸出。圖1.2.3-2OBUFDS原語圖1.2.4功能仿真圖1.2.4-1編碼模塊電路仿真在使用vivado工具完成設計文件之后，要對其進行仿真。Vivado的集成度很高，可以在其中直接進行設計文件的仿真。最后仿真的得到的波形如上圖1.2.4-1所示，解碼將24位的數(shù)據(jù)“6a6a6a”編碼為三個通道中的10位數(shù)據(jù)十六進制“273”，即“1010110011”，結果是符合設計需求的。1.3HDMI視頻解碼1.3.1視頻數(shù)據(jù)解碼TMDS解碼算法流程由圖1.3.1-1所示。給定輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)歷編碼傳輸?shù)浇邮斩私獯a時，需要生成與上個編碼環(huán)節(jié)算法相對應的輸出數(shù)據(jù)流。圖1.3.1-1解碼算法流程圖接收端將從發(fā)送端進來的10bit串行差分數(shù)據(jù)轉化為串行單端數(shù)據(jù)，然后把串行的單端數(shù)據(jù)直接轉化成10bit的一個并行數(shù)據(jù)。然后由解碼器將并行數(shù)據(jù)進行10bit到8bit轉換。解碼器獲得傳入的10位數(shù)據(jù)后，先要區(qū)分是控制信號還是視頻信號?？刂菩盘柕慕獯a與上一節(jié)中編碼相對應。按照以下的方法完成解碼：case(d[9:0]):10’b1101010100:{D1，D0}=2’b00;10’b0010101011:{D1，D0}=2’b01;10’b0101010100:{D1，D0}=2’b10;10’b1010101011:{D1，D0}=2’b11;endcase;視頻數(shù)據(jù)則是根據(jù)上述的流程來完成10bit到8bit解碼，并產生行信號、場信號和數(shù)據(jù)有效使能。1.3.2視頻數(shù)據(jù)解碼電路圖1.3.2-1解碼模塊原理圖HDMI數(shù)據(jù)解碼模塊將輸入的串行差分信號轉化為并行數(shù)據(jù)，再通過字對齊校準模塊（phasealign）確定延遲值，然后通過數(shù)據(jù)同步模塊（channelbond）同步三組顏色數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過8b/10