【導讀】在消費電子市場，電視、投影儀和其它多媒體設備紛紛采用高清多媒體接口(HDMI®)技術，使得HDMI成為全球公認的接口。相信不久之后，所有多媒體設備都需要配備該接口。HDMI接口在家庭娛樂中已經(jīng)廣為流行，近來在便攜式設備和汽車信息娛樂系統(tǒng)中，它也日漸風行。
實現(xiàn)標準化多媒體接口是競爭高度激烈的消費電子市場的必然要求，上市時間對于該市場而言至關重要。除了提高市場認可度以外，采用標準接口還能大大改善投影儀、DVD播放機、高清電視以及不同制造商生產(chǎn)的其它設備之間的兼容性。
然而，在某些工業(yè)應用中，從模擬視頻向數(shù)字視頻過渡所需的時間比消費電子市場要長，許多設備尚未采用新的數(shù)字方法來發(fā)送合成音視頻數(shù)據(jù)。這些設備仍然使用模擬信號作為唯一的視頻傳輸途徑，原因可能是特殊市場或應用有特定要求。例如，對于投影儀，有些客戶仍然偏好使用視頻圖形陣列(VGA)電纜，而其它一些客戶則使用音頻/視頻接收器(AVR)或媒體盒作為集線器，將一條HDMI電纜連接到電視，而不是一組凌亂且不美觀的電纜，如圖1所示。
圖1. 媒體盒將模擬信號轉換為HDMI
新使用者可能認為HDMI是一種相對較復雜的標準，需要經(jīng)過驗證的軟件驅動器、互通性和兼容性測試，從而保證一種設備與其它各種設備結合使用時能夠正常工作。這似乎有點難以把握，遇到新技術時常常會發(fā)生這種情況。
然而，先進的半導體技術正在解決這些難題，模擬域和數(shù)字域均實現(xiàn)了改進，包括通過更高性能的模塊來均衡較差的差分信號，以及利用更復雜的算法來減少軟件開銷和糾正位錯誤。
本文說明先進的半導體解決方案和靈巧的軟件如何幫助實現(xiàn)HDMI。兩種基本器件——HDMI-VGA (“HDMI2VGA”)和VGA-HDMI (“VGA2HDMI”)轉換器——為熟悉視頻應用的工程師提供一種簡單的模擬視頻與數(shù)字視頻相互轉換的方法。
雖然HDMI已成為事實上的高清視頻接口，但VGA仍是筆記本電腦上最常用的接口。本文還會說明如何使這兩種接口互連。
HDMI應用和視頻標準簡介
HDMI接口利用最小差分傳輸信號(TMDS)線傳輸包形式的視頻、音頻和數(shù)據(jù)。除了這些多媒體信號以外，接口還包括顯示器數(shù)據(jù)通道(DDC)信號，用于交換擴展顯示識別數(shù)據(jù)(EDID)和高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護信息(HDCP)。
此外，HDMI接口還可以配備消費電子控制(CEC)、音頻回授通道(ARC)和家庭以太網(wǎng)通道(HEC)。由于這些不是本文所述應用的重要部分，本文將不予討論。
EDID數(shù)據(jù)包括一個128字節(jié)（VESA—視頻設備標準協(xié)會）或256字節(jié)（CEA-861—消費電子協(xié)會）數(shù)據(jù)模塊，用于說明視頻接收器(Rx)的視頻和（可選）音頻能力。EDID由視頻源（播放器）利用I2C協(xié)議通過DDC線從視頻接收器讀取。視頻源必須發(fā)送視頻接收器支持的且列于EDID中的首選或最佳視頻模式。EDID可能還包含關于視頻接收器音頻能力的信息，以及支持的音頻模式列表和相應的頻率。
VGA和HDMI均有DDC連接，用以支持視頻源與接收器之間的通信。EDID的前128字節(jié)可以由VGA和HDMI共享。根據(jù)ADI公司HDMI兼容性測試(CT)實驗室的經(jīng)驗，EDID的前128字節(jié)更容易出錯，因為一些工程師不熟悉HDMI規(guī)范的嚴格要求，而且大多數(shù)文章都是側重于EDID擴展模塊。
表1顯示了EDID前128個字節(jié)中容易出錯的部分。有關EDID前128個字節(jié)之后的CEA擴展模塊設計的詳細信息，請參閱CEA-861規(guī)范。
表1. EDID簡介
VGA和HDMI的時序格式由上述兩個標準設置組分別定義：VESA和CEA/EIA。VESA時序格式的定義參見“VESA監(jiān)視時序和協(xié)同視頻時序標準”；HDMI時序格式的定義參見CEA-861。VESA時序格式包括主要用于PC和筆記本電腦的標準，如VGA、XGA、SXGA等。CEA-861描述電視和增清/高清顯示器所用的標準，如480p、576p、720p和1080p等。在這些時序格式中，只有640 × 480p @ 60 Hz這一種格式是強制性的，為VESA和CEA-861標準所共有。PC和電視均必須支持這種模式，因此本例使用該模式。表2比較了一般支持的視頻標準。詳細數(shù)據(jù)請參閱相應的規(guī)范。
表2. 最常用的VESA和CEA-861標準（p = 逐行；i = 隔行）
應用和部分要求簡介
HDMI2VGA和VGA2HDMI轉換器的重要要求是確保視頻源發(fā)送的信號符合正確的視頻標準。這是通過提供一個具有適當EDID內(nèi)容的視頻源來實現(xiàn)的。一旦收到，就可以將正確的視頻標準轉換為最終HDMI或VGA標準。
圖2和圖3中的功能框圖顯示了HDMI2VGA和VGA2HDMI轉換的相應過程。HDMI2VGA轉換器假設HDMI Rx內(nèi)置EDID。
圖2. 具有音頻提取功能的HDMI2VGA轉換器
圖3. VGA2HDMI轉換器
工作原理
VGA2HDMI: VGA源從接收器讀取EDID內(nèi)容，利用DDC線路通道獲取支持的時序列表，然后視頻源開始發(fā)送視頻流。VGA電纜具有RGB信號和獨立的水平(HSYNC)與垂直(VSYNC)同步信號。下游VGA ADC鎖定HSYNC以重新產(chǎn)生采樣時鐘。VGA解碼器將輸入的同步信號與時鐘對齊。
數(shù)據(jù)使能(DE)信號指示視頻的有效區(qū)域。VGA ADC并不輸出此信號，它是HDMI信號編碼的強制要求。DE的邏輯高電平部分表示有效像素，或者說視頻信號的可視部分。DE的邏輯低電平部分表示視頻信號的消隱部分。
圖4. 水平DE生成
圖5. 垂直DE生成
DE信號對于產(chǎn)生有效HDMI流至關重要。如果沒有DE信號，可以通過HDMI發(fā)送器(Tx)來補償，它能重新生成DE信號。現(xiàn)代HDMI發(fā)送器可以利用若干參數(shù)設置，如HSYNC延遲、VSYNC延遲、有效寬度和有效高度等，從HSYNC和VSYNC輸入產(chǎn)生DE信號（如圖4和圖5所示），確保兼容HDMI信號傳輸。
HSYNC延遲定義從HSYNC前沿到DE前沿的像素數(shù)。VSYNC延遲定義VSYNC和DE前沿之間的HSYNC脈沖數(shù)。有效寬度表示有效水平像素數(shù)，有效高度表示有效視頻的行數(shù)。DE生成功能也可用于顯示功能，例如使有效視頻區(qū)域處于屏幕的中央。
顯示位置調(diào)整是VGA輸入的強制要求。數(shù)字化模擬輸入信號的第一個和最后一個像素不得靠近任何HSYNC/VSYNC脈沖或與之重合。DE信號低電平期間（如垂直或水平消隱間隔）用于發(fā)送額外的HDMI數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)包，不得違反要求。ADC采樣階段可能會引起這種不對齊現(xiàn)象。屏幕可視區(qū)域中的黑條可能意味著有效區(qū)域不對齊。對于復合視頻廣播信號(CVBS)，此現(xiàn)象可通過過掃描5%到10%進行校正。
VGA旨在顯示整個有效區(qū)域，不落下任何區(qū)域。畫面不會過掃描，因此顯示位置調(diào)整對于VGA轉HDMI很重要。最佳情況下，黑條可以被自動識別，圖像可以自動調(diào)整到最終屏幕的中央，或者根據(jù)回讀信息手動調(diào)整。如果VGA ADC連接到后端定標器，有效視頻將能正確地與整個可視區(qū)域重新對齊。
然而，使用定標器解決有效視頻區(qū)域不對齊問題會提高設計成本及相關風險。例如，利用定標器和視頻圖案，有效區(qū)域內(nèi)一個小白框周圍的黑色區(qū)域可能會被視為無用棒而予以消除有效區(qū)域內(nèi)一個小白框周圍的黑色區(qū)域可能會被視為無用條而予以消除。黑色區(qū)域消除后，白框就變?yōu)榧儼咨尘啊Ａ硪环矫妫氚装牒趫D像會產(chǎn)生失真。為了防止此類不當失真，必須采取某種預防機制。
HDMI Tx一旦鎖定并重新產(chǎn)生DE信號，就會向HDMI接收器（如電視等）發(fā)送視頻流。與此同時，片上音頻器件，如音頻編解碼器等，也可以通過I2S、S/PDIF或DSD向HDMI Tx發(fā)送音頻流。HDMI的優(yōu)勢之一是可以同時發(fā)送視頻和音頻。
VGA2HDMI轉換板上電且源和接收器連接后，MCU應通過HDMI Tx DDC線回讀HDMI接收器的EDID內(nèi)容。MCU應將EDID的前128字節(jié)略微更改后復制到VGA DDC通道的EEPROM，因為VGA DDC通道一般不支持用于HDMI的CEA擴展。表3列出了需要的更改。
表3. VGA2HDMI轉換器需要的更改列表
HDMI2VGA: HDMI2VGA轉換器首先必須向HDMI源提供適當?shù)腅DID內(nèi)容，然后才能接收所需的640 × 480p信號，或者視頻源/顯示器支持的其它常見標準。HDMI Rx一般將EDID內(nèi)容存儲在內(nèi)部，處理熱插拔檢測線（表示顯示器已連接），接收、解碼并解讀輸入的視頻和音頻流。
由于HDMI流將音頻、視頻和數(shù)據(jù)合并在一起，因此HDMI Rx也必須支持回讀輔助信息，如顏色空間、視頻標準和音頻模式等。多數(shù)HDMI接收器會自適應接收流，自動將任何顏色空間（YCbCr 4:4:4、YCbCr 4:2:2、RGB 4:4:4）轉換為視頻DAC要求的RGB 4:4:4顏色空間。自動顏色空間轉換(CSC)確保將正確的顏色空間發(fā)送至后端器件。
輸入HDMI流經(jīng)過處理并解碼為所需的標準后，便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像素總線和時鐘輸入，但無同步信號。HSYNC和VSYNC信號可通過緩沖器輸出到VGA輸出，最終輸出到監(jiān)視器或其它顯示器。
HDMI音頻流可以承載許多不同標準，例如：L-PCM、DSD、DST、DTS、高比特率音頻、AC3和其它壓縮位流。多數(shù)HDMI接收器在提取音頻標準方面沒有問題，但進一步處理可能有問題。根據(jù)后端器件不同，可能優(yōu)先使用簡單標準，而不是復雜標準，以便能將其輕松轉換為揚聲器用模擬輸出。HDMI規(guī)范確保所有器件至少支持32 kHz、44.1 kHz和48 kHz LPCM。
因此，必須產(chǎn)生EDID信號，這個信號既與提取音頻的HDMI2VGA轉換器的音頻能力相匹配，又與VGA顯示器的原始能力匹配的顯示器的原始信號相匹配EDID。這可以通過一個經(jīng)由DDC線從VGA顯示器檢索EDID內(nèi)容的簡單算法來實現(xiàn)。回讀數(shù)據(jù)應經(jīng)過解析和驗證，確保監(jiān)視器允許的頻率不高于HDMI Rx或視頻DAC支持的頻率（參見表4）。EDID鏡像可以利用一個列出音頻能力的額外CEA模塊進行擴展，以反映HDMI2VGA轉換器僅支持線性PCM標準的音頻。包含所有模塊的預備EDID數(shù)據(jù)因此可以向HDMI源提供。向熱插拔檢測線（HDMI線纜的一部分）發(fā)送脈沖后，HDMI源應從轉換器重新讀取EDID。
可以利用一個簡單的微控制器或CPU來控制整個電路，讀取VGA EDID并對HDMI Rx和音頻DAC/編解碼器進行編程。一般不需要控制視頻DAC，因為它沒有I2C或SPI等控制端口。
表4. HDMI2VGA轉換器需要的更改列表
內(nèi)容保護考慮
典型模擬VGA不提供內(nèi)容保護，因此獨立轉換器不應允許解密內(nèi)容保護數(shù)據(jù)，否則最終用戶將能訪問原始字數(shù)據(jù)。另一方面，如果該電路是較大器件的組成部分，只要它不允許用戶訪問未加密的視頻流，就可以使用它。
電路示例
示例VGA轉HDMI板使用高性能8位顯示器接口AD9983A，它支持最高UXGA時序和RGB/YPbPr輸入，以及高性能165 MHz HDMI發(fā)送器ADV7513， 它支持24位TTL輸入、3D視頻和可變輸入格式。利用這些器件可以快速方便地構建一個VGA2HDMI轉換器。ADV7513還有一個內(nèi)置DE生成模塊，因而無需外部FPGA來產(chǎn)生丟失的DE信號。ADV7513也有一個嵌入式EDID處理模塊，可以自動從HDMI Rx回讀EDID信息，或者手動強制回讀。
同樣，構建一個HDMI2VGA轉換器也不是非常復雜。利用低功耗165 MHz HDMI接收器ADV7611和三通道、8位、330 MHz視頻DACADV7125，可以構建一個高度集成的視頻路徑。Rx包括內(nèi)置的EDID、用于處理熱插拔置位的電路、可以輸出RGB 4:4:4的自動CSC（與接收的顏色空間無關），以及一個支持亮度/對比度調(diào)整和同步信號重新對齊的器件處理模塊。低功耗音頻編解碼器SSM2604可以解碼立體聲I2S流，并通過DAC以任意音量輸出。該音頻編解碼器的時鐘源可以從ADV7611 MCLK線獲得，不需要外部晶振，配置只需要執(zhí)行幾次寫操作。
一個簡單的MCU，例如內(nèi)置振蕩器的精密模擬微控制器ADuC7020就能控制整個系統(tǒng)，包括EDID處理、顏色增強和一個帶按鈕、滾動條、旋鈕的簡單用戶接口。
圖6和圖7分別顯示VGA2HDMI轉換器的重要部件——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
結束語
ADI公司的音頻、視頻和微控制器器件可以實現(xiàn)高集成的HDMI2VGA或VGA2HDMI轉換器，轉換器從USB連接器獲取的少量電源供電。
兩種轉換器均表明：利用ADI器件，可以輕松實現(xiàn)采用HDMI技術的應用。對于應在HDMI中繼器配置中工作的設備，HDMI系統(tǒng)復雜度會提高，因為這要求處理HDCP協(xié)議和整個HDMI樹。兩種轉換器均不使用HDMI中繼器配置。
視頻接收器（顯示器）、視頻發(fā)生器（源）和視頻轉換器等應用要求軟件堆棧相對較小，因此可以快速輕松地實現(xiàn)。有關更多信息和原理圖，請參閱ADI公司的EngineerZone網(wǎng)頁。
歡迎您在中文技術論壇上的模擬對話社區(qū)對HDMI-VGA轉換發(fā)表評論。
參考電路
A DTV Profile for Uncompressed High Speed Digital Interfaces (CEA-861-E).
顯示器監(jiān)視時序(DMT)、協(xié)同視頻時序(CVT)和增強擴展顯示識別數(shù)據(jù)(E-EDID)標準可從VESA獲得。
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