音/視頻信息回放系統(tǒng)的HDIVI發(fā)送器解決方案
關鍵詞 回放系統(tǒng) 高清多媒體接口(HDMI) 最小變化差分編碼(TMDS) 寬帶數(shù)字內容保護(HDCP)
引 言
現(xiàn)在市場上大多回放系統(tǒng)都采用獨立的音/視頻接口，如音頻采用RCA端子、同軸端子等；視頻采用S端子、色差端子、DVI接口等。這些接口體積大(如DVI，不適合應用在便攜設備上)，且接口獨立、接線太多。另外．傳統(tǒng)的接口很多是模擬的，如RCA、S端子，它們都難以讓現(xiàn)在的數(shù)碼產品的優(yōu)勢體現(xiàn)出來。
高清多媒體接口HDMI在各方面都展現(xiàn)了它獨特的優(yōu)勢：體積小，帶寬高；不僅能夠傳輸從SDTV到HDTV分辨率的非壓縮數(shù)字視頻圖像，而且能夠同時傳輸2～8通道數(shù)字音頻，接口友好；能夠通過顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)讀取接收設備的E-EDID結構，自動確定發(fā)送給接收端所支持的音／視頻格式；采用了HDCP寬帶數(shù)字內容保護機制，防止非法設備的偷聽。這些都滿足了消費者對數(shù)字產品的新需求，因此HDMI接口在各種數(shù)碼產品上的廊用越來越廣泛。
1 回放系統(tǒng)
回放系統(tǒng)，主要是把從外部存儲卡(SD、MMC等)讀到的或通過有線(USB等)、無線(無線網(wǎng)卡等)傳輸方式接收到的音／視頻信息，解碼后通過一定的音／視頻接口傳輸給視聽設備(如TV等)，對數(shù)碼照片、數(shù)碼攝像等音／視頻進行回放。
從圖1可見。音／視頻接口是回放系統(tǒng)中不可或缺的部分。傳統(tǒng)的視頻接口主要采用S端子、色差端子；音頻接幾主要采用RCA端子、同軸端子。這些傳統(tǒng)的接口在數(shù)字技術發(fā)展迅速的情況下，已不再適應高品質、無壓縮的數(shù)字視頻和多通道的數(shù)字音頻的傳輸。新型的HDMI接口就是為了滿足消費者更高的要求而興起的。
2 HDMI接口
2．1 HDMI簡介
HDMI是繼DVI(數(shù)字視頻接口)之后的一種新接口。它不僅支持從SDTV到HDTV的無壓縮數(shù)字視頻傳輸，而且還支持2～8通道的數(shù)字音頻傳輸；同時配備許多其他輔助功能，如HDCP(寬帶數(shù)字內容保護)、智能連接配置等。
HDMI有很多優(yōu)點：
◇體積小，更適合便攜設備；
◇能夠在單一線纜上同時傳輸音／視頻，接口更加友好；
◇帶寬高，能夠傳輸上到l080 p的高清視頻和上到8通道的音頻，且支持RGB和YCbCr兩種像素編碼格式，可提供更高的顏色深度；
◇采用最小變化差分編碼TMDS，提供強壯的傳輸機制和可靠的數(shù)據(jù)恢復能力；
◇提供智能連接功能，使設備能夠自動發(fā)現(xiàn)對方，并且自動識別目標設備所需的分辨率和數(shù)據(jù)格式；
◇具備HDCP加密功能，能夠防止非法設備的偷聽；
◇兼容性好，能夠完全兼容DVI。
HDMI連接結構如圖2所示。
HDMI接口有3個獨立的通信通道：TMDS、DDC、CEC。其中，TMDS通道用來傳輸音／視頻數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)；DDC用來在自動配置中源端讀取接收端的E-EDID數(shù)據(jù)結構；CEC是一個可選通道，用來支持一些高級用戶功能，如紅外遙控等。
2.2 HDMI信號編碼
HDMI有3種工作模式：控制周期、視頻數(shù)據(jù)周期和數(shù)據(jù)島周期?？刂浦芷谟脕韨鬏斠龑畔ⅲ灰曨l數(shù)據(jù)周期用來發(fā)送有效視頻行的像素；數(shù)據(jù)島周期用來傳輸音頻采樣數(shù)據(jù)包和輔助數(shù)據(jù)包。一個帶有視頻信息的行周期上數(shù)據(jù)的周期分配情況如圖3所示。
在3個周期，TMDS通道上采用不同的編碼：控制周期，每通道2位有效信息，只有4種編碼組合；數(shù)據(jù)島周期，每通道4位有效信息，16種編碼組合，因此編碼比較簡單，查表可得；視頻數(shù)據(jù)周期相對復雜一些，采用TMDS編碼。TMDS編碼是一種將8位字符變換為lO位字符的一種特殊的編碼方式。首先，將8位字符，在最低位不變情況下，對剩下7位與前一個編碼數(shù)據(jù)對應的7位通過“異或”(XOR)或者“異或非”(XNOR)最小變化編碼(編碼前后變化最少)為9位的字符(第9位標志采用了哪種變換方式，O表示XNOR，l表示XOR)。然后，根據(jù)已經傳輸?shù)臄?shù)據(jù)O和l的個數(shù)以及當前將傳輸數(shù)據(jù)的0和1個數(shù)，決定是否對第一步所產生的9位信息中的8個數(shù)據(jù)位作反轉操作(如果已經傳輸了更多l(xiāng)，而且當前數(shù)據(jù)的l比O多，那么反轉)，變換成10位的直流平衡碼(第10位標志是否作了反轉，1表示作了反轉，O表示沒有反轉)。最后，編碼后的數(shù)據(jù)經過串行化之后在TMDS通道上以差分形式串行發(fā)送出去。
2.3 HDMI支持的音／視頻格式
①視頻。HDMI能夠支持RGB4：4：4、YCbCr4：4：4、YCbCr4：2：2三種像素編碼格式。傳輸視頻時，必須遵從一定的視頻格式所規(guī)定的視頻行的像素數(shù)、場的行數(shù)(有效數(shù)和總數(shù))和兩個同步信號的位置、極性、持續(xù)時間等。HDMI支持的基本視頻格式時序有640×480 p@59．94／60 Hz、1280×720 p@59．94／60 Hz、1 920×1 080 i@59．94／60 Hz、720×480 p@59．94／60 Hz、720(1440)×480 i@59．94，60 Hz、1 280×720 p@50 Hz、1 920×1 080 i@50 Hz、720×576 p@50 Hz、720(1440)×576 i@50 Hz。
②音頻。HDMI采用“包”結構在數(shù)據(jù)島周期發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，包結構采用IEC60958或者IEC61937封裝形式。HDMI至少支持IEC60958結構的兩通道L-PCM，采樣頻率可以是32 kHz、44．1 kHz、48 kHz，采樣深度為16位或者更多；允許以IEC60958或者IEC61937任何一種包格式發(fā)送L-PCM或者編碼的音頻數(shù)據(jù)，采樣頻率為44．1 kHz、48 kHz、88．2 kHz、96 kHz、176，4 kHz或者192 kHz。音頻采樣包有兩種布局(Layout)：第1種布局在每個子包都發(fā)送通道l和通道2的音頻數(shù)據(jù)，只支持2通道的音頻；第2種布局在子包[O～3]上分別發(fā)送通道[1，2]到通道[7，8]的音頻數(shù)據(jù)，支持4～8通道的音頻。
2．4 HDCP內容保護
HDMI采用HDCP主要有3個重要用途：
首先，HDCP可用來驗證接收設備是否被授權接收加密內容。源端首先通過DDC通道和接收端交換設備密鑰，驗證接收設備，并生成一個共用密鑰，相當于建立起加密通道。其次，傳輸過程中，HDCP在源端加密，在接收端解密，防止加密內容在傳輸過程中泄漏。源端(或接收端)分別利用公用密鑰在加密器中產生24位的偽隨機數(shù)據(jù)流(通過“異或”)加密(或解密)輸入的24位數(shù)據(jù)，如圖4所示。
還有，HDCP能夠識別和“吊銷”未經授權的設備，以防止非法密鑰的大量發(fā)布。HDCP有一個更新功能：數(shù)字內容保護機構LLC把被妥協(xié)設備的密鑰選擇向量(KSV)放到“吊銷列表”，并通過系統(tǒng)更新消息(SRM)發(fā)送給后續(xù)的源設備。因為源端在驗證過程中要檢測該列表，所以后續(xù)的源設備就能夠自動阻止已經被“吊銷”的接收設備。
3 回放系統(tǒng)HDMI發(fā)送器的實現(xiàn)
回放系統(tǒng)采用Atmel公司的多媒體處理專用芯片AT76C114作為信號源，HDMI接口控制器采用Silicon Image公司的Sii9030。
AT76C114是基于ARM946E-S內核的專用多媒體處理芯片。它不僅有強大的音／視頻處理能力(支持MP3解碼，支持JPEG編解碼，MPEG-l和MPEG-4編解碼)，還配備了USB控制器、閃存卡(如SD、MMC等)控制器等外圍功能。它的視頻輸出支持模擬的復合視頻信號(CVBS)、分立視頻信號(Y／C)、分量視頻信號(Y／PrPb)以及數(shù)字的(從SDTV的480i／480p到HDTV的720 p和1080i)各種視頻格式；像素編碼支持YCbCr和RGB輸出。音頻輸出支持I2S、S／PDIF接口。AT76C114功能模塊圖如圖5所示。
Sil9030是遵從HDMI 1．1、HDCP 1．1并兼容DVI l.0的HDMI發(fā)送控制器。它支持DTV的各種視頻格式輸入，支持YC和RGB像素編碼格式；音頻支持I2S和工業(yè)標準的S／PDIF輸入；集成了PaneLink TMDS編碼內核；集成了HDCP內容保護加密引擎；支持通過同一個I2C接口訪問Sii9030的寄存器和DDC通道；支持檢測到新的顯示設備、音頻FIFO溢出等中斷輸出。SiI9030功能模塊圖如圖6所示。
AT76C114與Sil9030硬件連接如圖7所示。視頻連接采用16位YCrCb(4：2：2)像素編碼格式；音頻采用I2S；SCK和SDA是AT76C114訪問Sii9030寄存器的I2C連接。AT76C114的外部中斷INT2用來處理SiI9030所發(fā)出的中斷請求。
所有的初始化配置都是通過I2C接口實現(xiàn)的，因為AT76C114沒有硬件的I2C接口，所以具體實現(xiàn)時采用了通用輸入／輸出口(GPIO)通過軟件模擬。初始化配置如下：
首先，AT76C114通過I2C接口設置SiI9030的HDCP控制器寄存器，驅動SiI9030內部的DDC通道邏輯控制器與接收設備進行認證過程，建立加密通道；如果認證成功，那么通過DDC通道訪問顯示接收設備的E-EDID確定顯示設備最佳的音／視頻的接收格式。然后，AT76C114根據(jù)上面確定的格式，設置自己輸出的音／視頻格式以及SiI9030接收(捕獲)的格式，主要包括：視頻像素時鐘及兩個同步信號的極性、分辨率等；音頻I2S時鐘再生參數(shù)N／CTS、采樣率、采樣深度、采樣包布局等。最后，啟動音／視頻輸出和HDCP加密。
結語
回放系統(tǒng)HDMI發(fā)送器方案可應用于MP4、機頂盒等多媒體產品。HDMI接口的一系列優(yōu)點，將使它在數(shù)字多媒體技術發(fā)展越來越成熟的消費電子領域得到越來越廣泛的應用。
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