作者：Brett Li and Witold Kaczurba

消費(fèi)市場(chǎng)已經(jīng)在電視、投影儀和其他多媒體設(shè)備中采用了高清多媒體接口（HDMI）技術(shù)，使HDMI成為全球公認(rèn)的接口，很快將用于所有多媒體設(shè)備。HDMI接口已經(jīng)在家庭娛樂中很受歡迎，在便攜式設(shè)備和汽車信息娛樂系統(tǒng)中變得越來越普遍。

標(biāo)準(zhǔn)化多媒體接口的實(shí)施是由競(jìng)爭(zhēng)激烈的消費(fèi)市場(chǎng)推動(dòng)的，其中上市時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素。除了提高市場(chǎng)接受度外，使用標(biāo)準(zhǔn)接口還大大提高了投影儀、DVD 播放器、高清電視和各種制造商生產(chǎn)的其他設(shè)備之間的兼容性。

然而，在一些工業(yè)應(yīng)用中，從模擬視頻到數(shù)字視頻的過渡時(shí)間比消費(fèi)市場(chǎng)要長(zhǎng)，而且許多設(shè)備尚未轉(zhuǎn)向發(fā)送集成視頻、音頻和數(shù)據(jù)的新數(shù)字方法。這些設(shè)備仍然使用模擬信號(hào)作為傳輸視頻的唯一手段，這可能是由于特定市場(chǎng)或應(yīng)用的特定要求。例如，一些客戶仍然喜歡將視頻圖形陣列 （VGA） 電纜用于投影儀，而另一些客戶則使用音頻/視頻接收器 （AVR） 或媒體盒作為集線器，將單根 HDMI 電纜連接到電視，而不是一批不美觀的電纜，如圖 1 所示。

圖1.媒體盒將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為HDMI。

新采用者可能會(huì)將HDMI視為一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，需要經(jīng)過驗(yàn)證的軟件驅(qū)動(dòng)程序，互操作性檢查和合規(guī)性測(cè)試，以確保一個(gè)設(shè)備與其他各種設(shè)備的正確行為。這可能看起來有點(diǎn)壓倒性 - 就像新技術(shù)經(jīng)常出現(xiàn)的情況一樣。

然而，先進(jìn)的硅解決方案越來越多地可用于解決實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性問題，實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字領(lǐng)域的改進(jìn);它們包括用于均衡差分信號(hào)的更高性能模塊和更復(fù)雜的算法，以減少軟件開銷并糾正位錯(cuò)誤。

本文展示了先進(jìn)的硅解決方案和智能實(shí)施的軟件如何促進(jìn)HDMI的實(shí)施。HDMI至VGA（“HDMI2VGA”）和VGA至HDMI（“VGA2HDMI”）轉(zhuǎn)換器兩種基本器件為熟悉視頻應(yīng)用的工程師提供了一種在模擬視頻和數(shù)字視頻之間轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)便方法。

雖然HDMI已經(jīng)成為高清視頻的事實(shí)接口，但VGA仍然是筆記本電腦上最常見的接口。本文還介紹了如何互連這些視頻技術(shù)。

HDMI應(yīng)用和視頻標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

HDMI 接口使用轉(zhuǎn)換最小化差分信號(hào) （TMDS） 線路以數(shù)據(jù)包的形式傳輸視頻、音頻和數(shù)據(jù)。除了這些多媒體信號(hào)外，該接口還包括用于交換擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù) （EDID） 和高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù) （HDCP） 的顯示數(shù)據(jù)通道 （DDC） 信號(hào)。

此外，HDMI接口可以配備消費(fèi)電子控制（CEC），音頻回傳通道（ARC）和家庭以太網(wǎng)通道（HEC）。由于這些對(duì)于此處描述的應(yīng)用程序不是必需的，因此本文不討論它們。

EDID數(shù)據(jù)包括一個(gè)128字節(jié)長(zhǎng)（VESA—視頻設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）或256字節(jié)長(zhǎng)（CEA-861—消費(fèi)電子協(xié)會(huì)）的數(shù)據(jù)塊，用于描述視頻接收器（Rx）的視頻和（可選）音頻功能。EDID由視頻源（播放器）通過DDC線路從視頻接收器讀取，使用I2C 協(xié)議。視頻源必須發(fā)送視頻接收器在 EDID 中支持和列出的首選或最佳視頻模式。EDID 還可能包含有關(guān)視頻接收器的音頻功能的信息，以及支持的音頻模式及其各自頻率的列表。

VGA和HDMI都具有DDC連接，以支持源和接收器之間的通信。EDID的前128字節(jié)可以在VGA和HDMI之間共享。根據(jù)ADI公司HDMI一致性測(cè)試（CT）實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)，EDID的前128字節(jié)更容易出錯(cuò)，因?yàn)橐恍┰O(shè)計(jì)人員不熟悉HDMI規(guī)范的嚴(yán)格要求，大多數(shù)文章都側(cè)重于EDID擴(kuò)展模塊。

表 1 顯示了 EDID 的前 128 個(gè)字節(jié)中容易出錯(cuò)的部分。可以參考 CEA-861 規(guī)范，了解 CEA 擴(kuò)展塊設(shè)計(jì)的詳細(xì)信息，該擴(kuò)展塊設(shè)計(jì)可能位于 EDID 的前 128 個(gè)字節(jié)之后。

表 1.電子開發(fā)局基本介紹

VGA和HDMI的定時(shí)格式由上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定組分別定義：VESA和CEA/EIA。VESA 計(jì)時(shí)格式可以在 VESA 監(jiān)視器計(jì)時(shí)和坐標(biāo)視頻計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中找到;HDMI 定時(shí)格式在 CEA-861 中定義。VESA計(jì)時(shí)格式涵蓋了主要用于PC和筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)，如VGA，XGA，SXGA。CEA-861描述了電視和ED/HD顯示器中使用的標(biāo)準(zhǔn)，例如480p，576p，720p和1080p。在計(jì)時(shí)格式中，只有一種格式 640 × 480p @ 60 Hz 是 VESA 和 CEA-861 標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制性和通用格式。PC 和電視都必須支持此特定模式，因此在本例中使用它。表 2 顯示了常用支持的視頻標(biāo)準(zhǔn)之間的比較。詳細(xì)數(shù)據(jù)可以在相應(yīng)的規(guī)格中找到。

表 2.最受歡迎的 VESA 和 CEA-861 標(biāo)準(zhǔn)（p = 逐行，i = 隔行掃描）

簡(jiǎn)要介紹應(yīng)用和部分要求

HDMI2VGA和VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵要素是確保視頻源發(fā)送符合適當(dāng)視頻標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。這是通過提供具有適當(dāng) EDID 內(nèi)容的視頻源來完成的。收到后，可以將正確的視頻標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為最終的HDMI或VGA標(biāo)準(zhǔn)。

圖2和圖3中的功能框圖概述了HDMI2VGA和VGA2HDMI轉(zhuǎn)換的相應(yīng)過程。HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器假定HDMI Rx包含一個(gè)內(nèi)部EDID。

圖2.具有音頻提取功能的HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器。

圖3.VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器。

操作理論

VGA2HDMI：VGA 源從接收器讀取 EDID 內(nèi)容，以使用 DDC 線路通道獲取支持的時(shí)序列表，然后視頻源開始發(fā)送視頻流。VGA 電纜具有 RGB 信號(hào)和單獨(dú)的水平 （HSYNC） 和垂直 （VSYNC） 同步信號(hào)。下游VGA ADC鎖定至HSYNC以重現(xiàn)采樣時(shí)鐘。輸入的同步信號(hào)通過VGA解碼器與時(shí)鐘對(duì)齊。

數(shù)據(jù)使能 （DE） 信號(hào)指示視頻的活動(dòng)區(qū)域。VGA ADC不輸出此信號(hào)，這對(duì)于HDMI信號(hào)編碼是強(qiáng)制性的。DE的邏輯高電平部分表示視頻信號(hào)的有效像素或可視部分。DE上的邏輯低電平表示視頻信號(hào)的消隱周期。

圖4.水平 DE 生成。

圖5.垂直 DE 生成

DE信號(hào)對(duì)于產(chǎn)生有效的HDMI流至關(guān)重要。DE信號(hào)的缺失可以通過HDMI發(fā)射器（Tx）進(jìn)行補(bǔ)償，HDMI發(fā)射器具有再生DE的能力。現(xiàn)代HDMI發(fā)射器可以使用一些參數(shù)設(shè)置從HSYNC和VSYNC輸入生成DE信號(hào)，例如HSYNC延遲、VSYNC延遲、有效寬度和有效高度（如圖4和圖5所示），確保HDMI信號(hào)傳輸?shù)募嫒菪浴?/p>

HSYNC 延遲定義從 HSYNC 前緣到 DE 前沿的像素?cái)?shù)。VSYNC延遲是VSYNC前沿和DE之間的HSYNC脈沖數(shù)。活動(dòng)寬度表示活動(dòng)水平像素的數(shù)量，活動(dòng)高度是活動(dòng)視頻的行數(shù)。DE 生成功能也可用于顯示功能，例如將活動(dòng)視頻區(qū)域居中置于屏幕中間。

VGA輸入必須調(diào)整顯示位置。數(shù)字化模擬輸入信號(hào)的第一個(gè)和最后一個(gè)像素不得與任何 HSYNC 或 VSYNC 脈沖重合或接近。DE信號(hào)低的時(shí)間段（如垂直或水平消隱間隔）用于傳輸額外的HDMI數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)包，因此不能違反。ADC采樣相位會(huì)導(dǎo)致這種失調(diào)。活動(dòng)區(qū)域錯(cuò)位可能由屏幕可視區(qū)域的黑色條紋暗示。對(duì)于復(fù)合視頻廣播信號(hào)（CVBS），這種現(xiàn)象可以通過過掃描5%至10%來糾正。

VGA旨在顯示整個(gè)活動(dòng)區(qū)域，而不會(huì)消除任何區(qū)域。圖像沒有過掃描，因此顯示位置調(diào)整對(duì)于VGA到HDMI的轉(zhuǎn)換很重要。在最佳情況下，可以自動(dòng)識(shí)別黑色條紋，并且可以自動(dòng)將圖像調(diào)整到最終屏幕的中間，或者根據(jù)回讀信息手動(dòng)調(diào)整。如果將VGA ADC連接到后端縮放器，則活動(dòng)視頻可以正確地重新對(duì)齊到整個(gè)可見區(qū)域。

但是，使用縮放器修復(fù)活動(dòng)視頻區(qū)域未對(duì)準(zhǔn)會(huì)增加設(shè)計(jì)成本和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。例如，使用縮放器和視頻模式，活動(dòng)區(qū)域內(nèi)小白框周圍的黑色區(qū)域可以識(shí)別為無用的條并被刪除。刪除黑色區(qū)域后，白框?qū)⒆優(yōu)榧儼咨尘啊Ａ硪环矫妫话氚咨鸵话牒谏膱D像會(huì)導(dǎo)致失真。必須集成一些預(yù)防機(jī)制來防止這種不正確的檢測(cè)。

一旦 HDMI Tx 鎖定并重新生成 DE 信號(hào)，它就會(huì)開始將視頻流發(fā)送到 HDMI 接收器，例如電視。同時(shí)，板載音頻組件，如音頻編解碼器，也可以通過I發(fā)送音頻流。2S、S/PDIF 或 DSD 到 HDMI Tx。HDMI的優(yōu)點(diǎn)之一是它可以同時(shí)發(fā)送視頻和音頻。

當(dāng)VGA2HDMI轉(zhuǎn)換板上電并且源和接收器連接時(shí)，MCU應(yīng)通過HDMI Tx DDC線路回讀HDMI接收器的EDID內(nèi)容。MCU應(yīng)將EDID的前128字節(jié)復(fù)制到VGA DDC通道的EEPROM，只需稍作修改，因?yàn)閂GA DDC通道通常不支持用于HDMI的CEA擴(kuò)展。表 3 提供了所需修改的列表。

表 3.VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器所需的修改列表

HDMI2VGA：HDMI2VGA 轉(zhuǎn)換器必須先向 HDMI 源提供適當(dāng)?shù)?EDID 內(nèi)容，然后才能接收所需的 640 × 480p 信號(hào)或視頻源和顯示器通常支持的其他標(biāo)準(zhǔn)。HDMI Rx通常在內(nèi)部存儲(chǔ)EDID內(nèi)容，處理熱插拔檢測(cè)線（指示顯示器已連接），并接收，解碼和解釋傳入的視頻和音頻流。

由于HDMI流結(jié)合了音頻，視頻和數(shù)據(jù)，因此HDMI Rx還必須允許回讀輔助信息，例如色彩空間，視頻標(biāo)準(zhǔn)和音頻模式。大多數(shù)HDMI接收器適應(yīng)接收的流，自動(dòng)將任何色彩空間（YCbCr 4：4：4，YCbCr 4：2：2，RGB 4：4：4）轉(zhuǎn)換為視頻DAC所需的RGB 4：4：4色彩空間。自動(dòng)色彩空間轉(zhuǎn)換 （CSC） 可確保將正確的色彩空間發(fā)送到后端設(shè)備。

一旦輸入的HDMI流被處理并解碼為所需的標(biāo)準(zhǔn)，它就會(huì)通過像素總線輸出到視頻DAC和音頻編解碼器。視頻DAC通常具有RGB像素總線和時(shí)鐘輸入，沒有同步信號(hào)。HSYNC和VSYNC信號(hào)可以通過緩沖器輸出到VGA輸出，最后輸出到監(jiān)視器或其他顯示器。

HDMI 音頻流可以攜帶各種標(biāo)準(zhǔn)，例如 L-PCM、DSD、DST、DTS、高比特率音頻、AC3 和其他壓縮比特流。大多數(shù)HDMI接收器在提取任何音頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)都沒有問題，但進(jìn)一步的處理可能會(huì)。根據(jù)后端設(shè)備的不同，最好使用簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)而不是復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，以便輕松轉(zhuǎn)換為揚(yáng)聲器的模擬輸出。HDMI 規(guī)范確保所有設(shè)備至少支持 32 kHz、44.1 kHz 和 48 kHz LPCM。

因此，重要的是產(chǎn)生與提取音頻的HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器的音頻功能和VGA顯示器的原始功能相匹配的EDID。這可以通過使用一種簡(jiǎn)單的算法來完成，該算法通過DDC線路從VGA顯示器中檢索EDID內(nèi)容。應(yīng)解析和驗(yàn)證回讀數(shù)據(jù)，以確保顯示器不允許比HDMI Rx或視頻DAC支持的頻率更高的頻率（請(qǐng)參閱表4）。EDID圖像可以使用額外的CEA塊進(jìn)行擴(kuò)展，該塊列出了音頻功能，以反映HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器僅支持其線性PCM標(biāo)準(zhǔn)的音頻。因此，準(zhǔn)備好的包含所有模塊的EDID數(shù)據(jù)可以提供給HDMI源。HDMI源應(yīng)在脈沖熱插拔檢測(cè)線（HDMI電纜的一部分）后從轉(zhuǎn)換器重新讀取EDID。

一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器或CPU可用于通過讀取VGA EDID并對(duì)HDMI Rx和音頻DAC/編解碼器進(jìn)行編程來控制整個(gè)電路。通常不需要控制視頻DAC，因?yàn)樗鼈儧]有I等控制端口2C 或 SPI。

表 4.HDMI2VGA 轉(zhuǎn)換器所需的修改列表

內(nèi)容保護(hù)注意事項(xiàng)

由于典型的模擬VGA不提供內(nèi)容保護(hù)，因此獨(dú)立轉(zhuǎn)換器不應(yīng)允許解密受內(nèi)容保護(hù)的數(shù)據(jù)，以使最終用戶能夠訪問原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。另一方面，如果電路是較大設(shè)備的組成部分，則只要不允許用戶訪問未加密的視頻流，就可以使用它。

電路示例

VGA-HDMI板示例可以使用高性能8位顯示接口AD9983A，該接口支持高達(dá)UXGA定時(shí)和RGB/YPbPr輸入，以及ADV7513高性能165 MHz HDMI發(fā)射器，支持24位TTL輸入、3D視頻和可變輸入格式。使用這些設(shè)備構(gòu)建VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器既快速又方便。ADV7513還內(nèi)置DE發(fā)生模塊，因此無需外部FPGA即可產(chǎn)生缺失的DE信號(hào)。ADV7513還具有嵌入式EDID處理模塊，可以從HDMI Rx自動(dòng)讀回EDID信息，也可以強(qiáng)制手動(dòng)回讀。

同樣，構(gòu)建 HDMI2VGA 轉(zhuǎn)換器也不太復(fù)雜;ADV7611低功耗、165 MHz HDMI接收器和三通道、8位、330 MHz視頻DACADV7125可以構(gòu)建高度集成的視頻路徑。Rx帶有內(nèi)置的內(nèi)部EDID，用于處理熱插拔斷言的電路，一個(gè)可以輸出RGB 4：4：4的自動(dòng)CSC，無論接收的色彩空間如何，以及一個(gè)允許亮度和對(duì)比度調(diào)整的組件處理模塊，以及同步信號(hào)重新對(duì)齊。SSM2604低功耗音頻編解碼器支持立體聲I2要解碼的S流，并通過DAC以任意音量輸出。音頻編解碼器不需要外部晶體，因?yàn)闀r(shí)鐘源可以從ADV7611 MCLK線路獲取，配置只需要幾次寫入。

一個(gè)簡(jiǎn)單的MCU，例如內(nèi)置振蕩器的ADuC7020精密模擬微控制器，可以控制整個(gè)系統(tǒng)，包括EDID處理、色彩增強(qiáng)以及帶有按鈕、滑塊和旋鈕的簡(jiǎn)單用戶界面。

圖6和圖7提供了VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器必不可少的視頻數(shù)字化儀（AD9983A）和HDMI Tx （ADV7513）的示例原理圖。不包括 MCU 電路。

圖6.AD9983A原理圖

圖7.ADV7513原理圖

結(jié)論

ADI公司的音頻、視頻和微控制器組件可以實(shí)現(xiàn)高度集成的HDMI2VGA或VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器可以使用USB連接器提供的少量電源供電。

兩款轉(zhuǎn)換器均表明，采用HDMI技術(shù)的應(yīng)用很容易與ADI元件配合使用。對(duì)于應(yīng)該在HDMI中繼器配置中工作的設(shè)備，HDMI系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，因?yàn)檫@需要處理HDCP協(xié)議以及整個(gè)HDMI樹。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器均未使用 HDMI 中繼器配置。

視頻接收器（顯示器）、視頻發(fā)生器（源）和視頻轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用需要相對(duì)較小的軟件堆棧，因此可以快速簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：郭婷