HDMI/DVI新技術(shù)與芯片及其應(yīng)用

近年來視頻傳輸領(lǐng)域幾乎經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字根本轉(zhuǎn)變,VGA(視頻圖像陣列)和分量視頻—模擬視頻(模擬分量視頻信號(hào)(Y、U、V或Y、R-Y、B-Y) 接口)連接方式,正在被HDMI(高分辨率多媒體接口)和DVI(數(shù)字視頻接口)以及DisplayPort所取代。這是因?yàn)殡S著人們對(duì)圖像顯示質(zhì)量要求的不斷提升,傳統(tǒng)的以模擬方式來傳輸和顯示多媒體信號(hào)的技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的要求,特別是傳統(tǒng)的模擬視頻接口標(biāo)準(zhǔn)無法適應(yīng)新的產(chǎn)品在帶寬、內(nèi)容保護(hù)、音頻支持等方面的發(fā)展需求,以高清數(shù)字電視為代表的消費(fèi)類數(shù)字視頻設(shè)備的應(yīng)用越來越普遍使得HDMI UDI DisplayPort等新標(biāo)準(zhǔn)顯得更能適應(yīng)市場(chǎng)的需求,本文將對(duì)HDMI/DVI新技術(shù)與芯片及其應(yīng)用作分析說明。

1、先述HDMI/DVI數(shù)字視頻接口基本架構(gòu)

HDMI和DVI(Digital Visual Interface)數(shù)字視頻接口這兩種數(shù)字視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)的要求幾乎完全相同,并同時(shí)處理一組高頻和低頻信號(hào)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)均采用TMDS(最小跳變差分信號(hào)又稱最小化傳輸差分信號(hào))技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)的高頻(視頻)部分。

1.1 HDMI/DVI數(shù)字視頻接口的設(shè)計(jì)思想

DVI用于至數(shù)字顯示器的高速數(shù)字連接。DVI采用了TMDS技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)的高頻(視頻)信號(hào)(見圖1紅色塊所示)。

其單個(gè)鏈路可支持高達(dá)165Mpixels/s的UXGA(極速擴(kuò)展圖形陣列)、FPD(平面顯示器)、SXGA DCRT(高級(jí)擴(kuò)展圖形陣列的數(shù)字平面顯示器),還支持720p及1080i的HDTV(高清電視)。

高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(HDCP)。用于通過DVl發(fā)送視頻信號(hào)時(shí)的內(nèi)容保護(hù);HDCP的實(shí)現(xiàn)(見圖1蘭色塊HDMI/DVI- HDCP的實(shí)現(xiàn)示意),需要從數(shù)字內(nèi)容保護(hù)認(rèn)證的L.L.C(Intel的子公司)獲取唯一的許可。

其HDCP基礎(chǔ)。認(rèn)證是一個(gè)流程,用于核實(shí)一個(gè)經(jīng)授權(quán)的器件以處理受保護(hù)的內(nèi)容;閏用加密技術(shù)防止受保護(hù)內(nèi)容受到竊聽。

其TMDS 信號(hào)采用四個(gè)差分對(duì)傳輸R、G、B和時(shí)鐘,占用19針連接器的8個(gè)引腳。HDMI和DVI設(shè)計(jì)為“即插即用”,即監(jiān)視器(接收端)和視頻源連接在一起時(shí)尋找以最佳性能協(xié)同工作的方法。多數(shù)新型TMDS HDTV(高清晰度電視)芯片包含兩組完整TMDS (高頻)輸入,但無法處理LoF(低頻)信號(hào)。

1.2 HDMI/DVI數(shù)字視頻接口功能

要實(shí)現(xiàn)HDMI和DVI系統(tǒng)中的“即插即用”功能,源端(通常是一臺(tái)電腦、DVD播放器或游戲機(jī))和接收端(通常是監(jiān)視器或接收機(jī))必須連接起來。HDMI 和DVI借用VESA (視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))的開放標(biāo)準(zhǔn),采用DDC(數(shù)字顯示通道)、一個(gè)稱為HPD的新信號(hào)(熱插拔檢測(cè))、以及一路可以由源端向接收端提供50mA電流的標(biāo)準(zhǔn)5V信號(hào)。在標(biāo)準(zhǔn)的VESA方法中,源端尋址EDID(擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù))EPROM。該EPROM器件包含接收設(shè)備的品牌、類型號(hào)、以及所支持的分辨率模式。源端和接收端必須至少有一種相同的顯示模式,以便二者協(xié)同工作。圖2所示為通過HDMI/DVI連接器連接源端與接收端EDIDEPROM的示意圖。

圖2 中給出了作為四個(gè)差分對(duì)連接的TMDS信號(hào),+5V,HPD以及DDC信號(hào)。DDC信號(hào)連接至EDID。EDID電源由接收端內(nèi)部提供。該圖說明了源端和接收端的通用連接模式。源端和接收端通過I2C兼容的DDC線路進(jìn)行通信。I2C規(guī)范是+5V規(guī)范。典型的EDID EPROM如24LC22包含2kb的EPROM用于存儲(chǔ)所需信息,可工作于2.5V至5.5V。工作于+3.3V電源時(shí),典型的低成本EDID EPROM不具備+5V耐壓。因此,EDID EPROM器件必須工作于+5V電源,或者外部帶有+5V保護(hù)。

顯示數(shù)據(jù)信道(DDC)是用于讀取表示接收側(cè)清晰度等顯示能力的擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)(EDID)的信號(hào)線。搭載HDCP的發(fā)送接收設(shè)備之間也利用DDC線進(jìn)行密碼鍵的認(rèn)證。而連接源設(shè)備與接收器.任何源設(shè)備與接收器之間的HDMI連接都具有智能化的特點(diǎn),即接收器的EDIDROM芯片將顯示所支持的全部音頻和視頻格式,包括色深模式。這種方式可以使用戶享受到經(jīng)過自動(dòng)優(yōu)化、達(dá)到最佳質(zhì)量模式的音頻與視頻體驗(yàn),所有連接在一起的HDMI設(shè)備都能夠?qū)@種功能提供相互支持。

既然HDMI/DVI是基于TMDS技術(shù)支持,所以應(yīng)對(duì)其技術(shù)特征作分析。

2、TMDS(最小跳變差分信號(hào))技術(shù)特征

最小化傳輸差分信號(hào)(TMDS)作為電氣電平的標(biāo)準(zhǔn)。被應(yīng)用于發(fā)送數(shù)字視頻接口(DVl)及高清晰度多媒體接口(HDMl)的數(shù)據(jù)。其設(shè)計(jì)考慮因素之包括：

對(duì)內(nèi)偏斜(Intra-Pai rSkew)。在給定的一對(duì)差分信號(hào)上,真(true)信號(hào)及其互補(bǔ)信號(hào)之間的時(shí)間差應(yīng)盡可能的小;

殘余抖動(dòng)(Residual Jitter)。測(cè)試點(diǎn)與信號(hào)源之間所測(cè)量到的抖動(dòng)數(shù)量的差異?？山邮艿淖畲髿堄喽秳?dòng)等價(jià)于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間最小的抖動(dòng)預(yù)計(jì)量(budget);

靜電放電(ESD)。外部連接器因曝露于外界,因而更易受到靜電放電的影響。更高的靜電放電率可提供更良好的保護(hù)。

TMDS 包括3個(gè)RGB數(shù)據(jù)和1個(gè)時(shí)鐘,共計(jì)4個(gè)通道(稱為1個(gè)TMDS連接或Single-link)的傳輸回路。TMDS是把8位的RGB視頻數(shù)據(jù)變換成10 位轉(zhuǎn)換最小化、DC平衡的數(shù)據(jù),再完成數(shù)據(jù)的串行處理;接收端設(shè)備對(duì)串行數(shù)據(jù)解串行變成并行數(shù)據(jù),再轉(zhuǎn)換成8位視頻信號(hào)。因此,傳輸數(shù)字RGB數(shù)據(jù)需要3 個(gè)轉(zhuǎn)換最小化差分采樣信號(hào)構(gòu)成一個(gè)TMDS連接。為此可將圖2具體細(xì)化如圖3所示說明。

每個(gè)通道提供165MHz帶寬,1個(gè)10位的TMDS傳輸通道速率達(dá)1.65Gb/s,3個(gè)TMDS通道速率達(dá)4.95Gb/s。若采用dual-1ink 連接方式,其帶寬可達(dá)330MHz,傳輸速率可達(dá)9.9Gb/s,支持1600Х1200@85Hz的UXGA或2048Х1536@75Hz的QXGA 圖像以及720p、1080i、1080p的HDTV視頻信號(hào)的無壓縮實(shí)時(shí)傳輸。

從上圖3可知,發(fā)送器分別將視頻、音頻信號(hào)變換并合成為接收器可接收的信號(hào)格式。然后,進(jìn)行HDCP加密處理以及TMDS編碼,將并行視頻、音頻等數(shù)據(jù)行串行化處理,以最小化差分信號(hào)形式進(jìn)行傳輸。在接收側(cè)進(jìn)行的處理與發(fā)送側(cè)順序相反。搭載HDCP的發(fā)送接收設(shè)備之間也利用DDC線進(jìn)行密碼鍵的認(rèn)證。這是一個(gè)使用了硬件ID的加密系統(tǒng),發(fā)送側(cè)和接收側(cè)以一定間隔相互確認(rèn)進(jìn)行傳輸。HDMI搭載了認(rèn)證不成立或者中途不成立時(shí)圖像和音頻信號(hào)傳輸立即被中斷的強(qiáng)大內(nèi)容保護(hù)技術(shù)。

3、HDMI是DVI標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)和增強(qiáng)版

HDMI 是DVI標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)和增強(qiáng)版,支持音頻信號(hào),改進(jìn)了DVI標(biāo)準(zhǔn)的不足,可以簡(jiǎn)單理解為：DVI+音頻=HDMI。HDMI接口小巧(與USB相當(dāng)),傳輸?shù)木€纜長(zhǎng)度15m,HDMI向下兼容DVI,HDMl也支持HDCP(高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)),避免內(nèi)容非法拷貝,同時(shí)還支持VESA組織的EDID(擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù))、DDC(顯示數(shù)據(jù)通道,用以讀出EDID)及DMT(監(jiān)視同步協(xié)議)。HDMI也采用TMDS編碼方式,TMDS具備RGB或YPbPr 色彩數(shù)據(jù)和時(shí)鐘,共4個(gè)通道(稱為1個(gè)連接)的系列傳輸回路,1個(gè)通道帶寬165MHz(4.95Gb/s)。顯示數(shù)據(jù)信道(DDC)是用于讀取表示接收側(cè)清晰度等顯示能力的擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)(EDID)的信號(hào)線。搭載HDCP的發(fā)送接收設(shè)備之間也利用DDC線進(jìn)行密碼鍵的認(rèn)證。這是一個(gè)使用了硬件ID的加密系統(tǒng),發(fā)送側(cè)和接收側(cè)以一定間隔相互確認(rèn)進(jìn)行傳輸。HDMI搭載了認(rèn)證不成立或者中途不成立時(shí)圖像和音頻信號(hào)傳輸立即被中斷的強(qiáng)大內(nèi)容保護(hù)技術(shù)。

4、HDMl在深色技術(shù)中的應(yīng)用頗受青睞

4.1新版的HDMl l.3標(biāo)準(zhǔn)特征優(yōu)勢(shì)。

最新版的HDMl l.3標(biāo)準(zhǔn),它具有高傳輸帶寬(10.2 Gb/s)、深色和“xvYCC”色彩等強(qiáng)大功能時(shí),隨著視頻分辨率從標(biāo)清到高清的演化,視頻帶寬的不斷增加將是大勢(shì)所趨。其性能指標(biāo)：視頻帶寬為 340MHz(10Gbps)1080p,刷新率最高為120Hz;色深為24、30、36、48位;色彩空間為xvVCC 、RGB、YCbCr;音頻為杜比TrueHD、DTS-HD、SACD、DVD音頻、PCM、杜比數(shù)字、DTS;控制為CEC;連接器為迷你HDM、A 型。

HDMl 1.3版本傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)將具有更高的分辨率,呈現(xiàn)出來的清晰、明快的畫面內(nèi)容也將比以往更為豐富。HDMl 1.3版本的特點(diǎn)包括深色技術(shù)(DeepColor)帶來的更加生動(dòng)鮮明的色彩,以及多項(xiàng)其他改進(jìn),如：更為出色的聲音與畫面的同步功能、支持無損高清音頻格式、xvYCC擴(kuò)展色譜以及全新的小型連接器等。從而為用戶帶來更為鮮艷的色彩和更為逼真的電視體驗(yàn),解決了當(dāng)今高對(duì)比度顯示技術(shù)常見的帶狀干擾問題。深色技術(shù)能夠在最暗的黑色值和最亮的白色值之間提供更多灰色陰影,從而提高了對(duì)比度增加后的顯示質(zhì)量,能在屏幕上呈現(xiàn)出更為流暢的色彩圖像。新版本還增加了對(duì)xvYCC色彩標(biāo)準(zhǔn)的支持,從而極大地?cái)U(kuò)展了現(xiàn)有高清電視的色譜,如高清DVD與藍(lán)光播放器等。深色技術(shù)還被應(yīng)用于最新的游戲機(jī)產(chǎn)品中,見設(shè)計(jì)方案框圖4所示,為游戲機(jī)玩家?guī)砀鼮樯鷦?dòng)的游戲體驗(yàn)。

上圖中HDMI發(fā)射器與接收呈器了可用體TI的TFP510與TFP501型芯片或Sil9134和Sil9133型芯片。

為了完全實(shí)現(xiàn)源設(shè)備和高清電視之間的高數(shù)據(jù)傳輸速率,系統(tǒng)所用電纜必須能夠處理更強(qiáng)的帶寬信號(hào)。值此討對(duì)當(dāng)今電纜均衡器新技術(shù)典型應(yīng)用作說明。

4.2數(shù)字視頻均衡器新技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字均衡器擴(kuò)展DVI/HDMI電纜的距離至60米,帶有±5kVESD保護(hù).擴(kuò)展數(shù)字視頻應(yīng)用至5米界限以外?，F(xiàn)代的顯示器(LCD、DLP)和信號(hào)源 (DVD播放器、PC)能夠以原始的數(shù)字模式發(fā)送和接收視頻信號(hào),這是保持圖像完整性的最佳方式。DVI/HDMI接口取代了模擬分量視頻和VGA互連,但最長(zhǎng)只能達(dá)到5米。如用MAX3815 DVI/HDMI數(shù)字視頻電纜均衡器突破了3米至5米的電纜長(zhǎng)度限制,將電纜距離延長(zhǎng)至60米。MAX3815特別適合于那些遠(yuǎn)離信號(hào)源的數(shù)字顯示器,例如LCD/DLP投影儀和LCD/等離子顯示屏等。見圖5所示。

其MAX3815TMDS 數(shù)字視頻均衡器,用于DVI/HDMI電纜。該電纜均衡器IC,可將DVI/HDMI信號(hào)傳輸距離延長(zhǎng)到60米MAX3815電纜均衡器自動(dòng)為DVI, HDMI, DFP, PanelLink和ADC電纜提供補(bǔ)償。MAX3815適用于對(duì)最小轉(zhuǎn)換差分信號(hào)(TMDS)格式編碼的信號(hào)進(jìn)行均衡。MAX3815可以為三個(gè) TMDS(最少轉(zhuǎn)換差分信號(hào))通道上、高達(dá)1.65Gbps每通道的信號(hào)加一路十分之一(0.1x)速率的時(shí)鐘提供最多40dB的損耗補(bǔ)償。 MAX3815自動(dòng)擴(kuò)展了VGA、SVGA、XGA和UXGA計(jì)算機(jī)的分辨率,以及480p、720p和1080iHDTV的分辨率。MAX3815 TMDS均衡器,1.65Gbps(825MHz)速率下最高40dB的全自動(dòng)均衡,無需用戶控制,+3.3V電源時(shí)0.6W功耗。

數(shù)字視頻均衡器應(yīng)用：可理想用于數(shù)字標(biāo)示牌、數(shù)字投影儀和家庭影院;均衡器可用于顯示器內(nèi)部或外部;接收器內(nèi)的均衡器根據(jù)電纜長(zhǎng)度和損耗自動(dòng)調(diào)整一無信號(hào)扭曲。

5、幾種適用于HDMI/DVI技術(shù)的芯片與應(yīng)用

5.1MAX4929E用于HDMI(高分辨率多媒體接口)/DVI(數(shù)字顯示接口)低頻開關(guān)MAX4929E 是一款低頻HDMI/DVI開關(guān),設(shè)計(jì)用于監(jiān)視器或HDTV接收器。該器件能夠處理所有需要切換的低頻信號(hào),可以和新型MAX4886TMDS開關(guān)或具有兩路輸入的TMDS接收器配合使用。為了在兩路HDMI/DVI源之間切換,設(shè)計(jì)人員必須處理兩路不同的信號(hào)：TMDS高頻信號(hào)和前面提到的低頻信號(hào)。一些新型HDMI處理器已包含兩套可處理高頻TMDS信號(hào)的輸入端,但是無法處理帶有高壓的低頻信號(hào)。MAX4929E可在處理上述低頻信號(hào)時(shí)提供最大的靈活性。

其低頻控制開關(guān)(MAX4929E)特性

集成的控制：兩路源出至一路吸入;所有外部I/O端口均具有±15kV ESD保護(hù);熱插拔檢測(cè)信號(hào),將MCU轉(zhuǎn)換至TTL電平;3.0V至5.5V DDC輸出箝位;4mm x 4mm、20引腳或20引腳QSOP封裝在低頻視頻信號(hào)源之間切換。

使用MAX4929E,所有與外部連接器連接的信號(hào)都具有±15kV HBM (人體模型)保護(hù)。這種高級(jí)別的ESD保護(hù)通常可以省去各引腳的額外保護(hù)措施。MAX4929E允許接入兩組DDC信號(hào),器件選擇其中一路輸入。這種源切換可實(shí)現(xiàn)多種功能：為信號(hào)提供ESD保護(hù)、同一時(shí)刻只選通一個(gè)源端并提供邏輯電平箝位,以保護(hù)EDID EPROM端不出現(xiàn)高于其電源的電壓。

在多數(shù)系統(tǒng)中,MCU控制各種操作。MCU必須確定輸入是否有效,并且在EDID握手之后,返回一個(gè)TTL兼容的HPD信號(hào)。MAX4929E的功能可解決三個(gè)問題：HPD輸出端的ESD保護(hù);允許MCU確定所選的HDMI輸入是否已連接;提供從低電壓MCU至5V TTL兼容信號(hào)的邏輯電平轉(zhuǎn)換功能。

圖6為原理圖給出MAX4929E的典型電路連接方式。該器件提供實(shí)現(xiàn)完整的2:1 HDMI或DVI開關(guān)所要求的切換、邏輯電平匹配以及ESD保護(hù)功能。

MAX4929E 應(yīng)用。除了與包含兩路高頻輸入的TMDS器件協(xié)同工作外,MAX4929E還可與MAX4886 HDMI/DVI視頻開關(guān)組成芯片組,用于將兩組TMDS輸入和集成到單個(gè)裝置中,見圖7所示。MAX4886/MAX4929E芯片組可為單路輸入設(shè)備提供第二組輸入。

MAX4886 高速模擬開關(guān)可理想用于HDMI/DVI切換應(yīng)用,允許2:1或1:2切換。MAX4886包含4個(gè)1:2或2:1開關(guān)差分對(duì),用于RBG和時(shí)鐘信號(hào)的選擇。MAX4886可將1個(gè)監(jiān)視器連接至2路數(shù)字視頻信號(hào)中的一路,或?qū)⒁宦稨DMI/DVI信號(hào)源連接至2個(gè)負(fù)載(接收器)中的一個(gè)。能為為視頻信號(hào)的 RBG和時(shí)鐘信號(hào)提供8Ω (典型值)導(dǎo)通電阻和2.5pF導(dǎo)通電容的開關(guān)。MAX4886是MAX4929的高頻配套器件。兩個(gè)芯片組合可實(shí)現(xiàn)完整的2:1 HDMI/DVI選擇功能。適合于筆記本電腦等功耗敏感的應(yīng)用。

MAX4929E控制2:1 HDMI/DVI開關(guān)中所有低頻信號(hào)的切換。為所有外部引線提供高等級(jí)的ESD保護(hù)。MAX4929E與EDID EPROM配合使用,其輸入端可接受+5V信號(hào)電平并將輸出鉗位至+3.3V電平,以便匹配EDID。另外,MAX4929E隔離了一條電纜的電容,所以 DDC輸出每次僅帶有一組DDC連接。

5.2 PaneIBUS HDCP數(shù)字接收機(jī)TFP507、TFP503

TFP501 及TFP503是源自TI的PaneIBUS(板總線)平板器示產(chǎn)品,是涵蓋面極廣的端到端(end-to-end)DV1.0兼宅決方案系列的一部分。 TFP501/TFP503支持以24位真彩色像素的制式,達(dá)到UXGA標(biāo)準(zhǔn)的分辨率來進(jìn)行顯示,并包括了標(biāo)難HDTV制式。TFP501丌FP503提供了設(shè)計(jì)的靈活性,每時(shí)鐘周期可驅(qū)動(dòng)一或兩個(gè)像素點(diǎn),支持TFT或DSTN顯示板,并提供了時(shí)間交錯(cuò)(time-staggered)像素點(diǎn)輸出

選項(xiàng)以降低接地反彈(ground-bounce)。

主要特點(diǎn)：

支持UXGA分辨率(輸出像素速率高達(dá)165MHz);兼容數(shù)字視頻接口(DVI)及大帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(HDCP)規(guī)范;經(jīng)加密的外部HDCP器件密鑰儲(chǔ)存庫(kù),更為安全且易于實(shí)現(xiàn);真彩色、24位/像素,48位雙像素輸出模式,16.7/M彩色時(shí)每時(shí)鐘周期一或兩個(gè)像素;4x過采樣,以降低位錯(cuò)誤率,并在通過較長(zhǎng)的纜線傳輸時(shí)獲約得好的性能;嵌入式的HDCP密鑰(僅限TFP503);支持熱插入(hot-plug)檢測(cè);封裝模式：100引腳TQFPPowerPAD封裝。

應(yīng)用：桌面型LCD顯示器,DLP及LCD投影儀,數(shù)字電視。

5.3 PaneIBUS數(shù)字發(fā)射機(jī)TFP510、TFP513

TFP510 及TFP513所提供的通用接口允許無膠合(glueless)連接至最常用的圖形控制器。此類通用接口的部分優(yōu)點(diǎn)包括了可選擇的總線寬度、可調(diào)節(jié)的信號(hào)電平以及差分和單端的時(shí)鐘。DVI接口所支持的平板顯示分辨率在165MHz、24位真彩色像素制式時(shí),可達(dá)到UXGA的標(biāo)準(zhǔn)。

主要特點(diǎn)：

兼容數(shù)字視頻接口{DVI);支持從VGA-UXGA的分辨率(25MHz至165MHz的像素率);通用圖形控制器接口：12位、雙緣(dual- edge)及24位、單緣(single-edge)輸入模式,可調(diào)節(jié)的1.1V至1.8V以及標(biāo)準(zhǔn)的3.3VCMOS輸入信號(hào)電平,全差分及單端的輸入時(shí)鐘模式,標(biāo)準(zhǔn)的Intel 12位數(shù)字視頻端口兼容,與Intel的81x芯片集一致;可編程使用I2C串行接口;通過熱插入及接收機(jī)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)視器的檢測(cè);嵌入式的HDCP密鑰 (僅限TFP513);封裝模式：64引腳TQFPPowerPAD封裝。