實(shí)現標準化多媒體接口是競爭高度激烈的消費電子市場(chǎng)的必然要求，上市時(shí)間對于該市場(chǎng)而言至關(guān)重要。除了提高市場(chǎng)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，從模擬視頻向數字視頻過(guò)渡所需的時(shí)間比消費電子市場(chǎng)要長(cháng)，許多設備尚未采用新的數字方法來(lái)發(fā)送合成音視頻數據。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(chǎng)或應用有特定要求。例如，對于投影儀，有些客戶(hù)仍然偏好使用視頻圖形陣列(VGA)電纜，而其它一些客戶(hù)則使用音頻/視頻接收器(AVR)或媒體盒作為集線(xiàn)器，將一條HDMI電纜連接到電視，而不是一組凌亂且不美觀(guān)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(guò)驗證的軟件驅動(dòng)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(shí)能夠正常工作。這似乎有點(diǎn)難以把握，遇到新技術(shù)時(shí)常常會(huì )發(fā)生這種情況。

 

然而，先進(jìn)的半導體技術(shù)正在解決這些難題，模擬域和數字域均實(shí)現了改進(jìn)，包括通過(guò)更高性能的模塊來(lái)均衡較差的差分信號，以及利用更復雜的算法來(lái)減少軟件開(kāi)銷(xiāo)和糾正位錯誤。

 

本文說(shuō)明先進(jìn)的半導體解決方案和靈巧的軟件如何幫助實(shí)現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(jiǎn)單的模擬視頻與數字視頻相互轉換的方法。

 

雖然HDMI已成為事實(shí)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(huì )說(shuō)明如何使這兩種接口互連。

 

HDMI應用和視頻標準簡(jiǎn)介

 

HDMI接口利用最小差分傳輸信號(TMDS)線(xiàn)傳輸包形式的視頻、音頻和數據。除了這些多媒體信號以外，接口還包括顯示器數據通道(DDC)信號，用于交換擴展顯示識別數據(EDID)和高帶寬數字內容保護信息(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數據包括一個(gè)128字節（VESA—視頻設備標準協(xié)會(huì )）或256字節（CEA-861—消費電子協(xié)會(huì )）數據模塊，用于說(shuō)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(guò)DDC線(xiàn)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(guān)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字節可以由VGA和HDMI共享。根據ADI公司HDMI兼容性測試(CT)實(shí)驗室的經(jīng)驗，EDID的前128字節更容易出錯，因為一些工程師不熟悉HDMI規范的嚴格要求，而且大多數文章都是側重于EDID擴展模塊。

 

表1顯示了EDID前128個(gè)字節中容易出錯的部分。有關(guān)EDID前128個(gè)字節之后的CEA擴展模塊設計的詳細信息，請參閱CEA-861規范。

 

表1. EDID簡(jiǎn)介

 

VGA和HDMI的時(shí)序格式由上述兩個(gè)標準設置組分別定義：VESA和CEA/EIA。VESA時(shí)序格式的定義參見(jiàn)“VESA監視時(shí)序和協(xié)同視頻時(shí)序標準”；HDMI時(shí)序格式的定義參見(jiàn)CEA-861。VESA時(shí)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(shí)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。詳細數據請參閱相應的規范。

 

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(jiǎn)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(guò)提供一個(gè)具有適當EDID內容的視頻源來(lái)實(shí)現的。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(guò)程。HDMI2VGA轉換器假設HDMI Rx內置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內容，利用DDC線(xiàn)路通道獲取支持的時(shí)序列表，然后視頻源開(kāi)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(shí)鐘。VGA解碼器將輸入的同步信號與時(shí)鐘對齊。

 

數據使能(DE)信號指示視頻的有效區域。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(shuō)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(guān)重要。如果沒(méi)有DE信號，可以通過(guò)HDMI發(fā)送器(Tx)來(lái)補償，它能重新生成DE信號?，F代HDMI發(fā)送器可以利用若干參數設置，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。VSYNC延遲定義VSYNC和DE前沿之間的HSYNC脈沖數。有效寬度表示有效水平像素數，有效高度表示有效視頻的行數。DE生成功能也可用于顯示功能，例如使有效視頻區域處于屏幕的中央。

 

顯示位置調整是VGA輸入的強制要求。數字化模擬輸入信號的第一個(gè)和最后一個(gè)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數據和音頻數據包，不得違反要求。ADC采樣階段可能會(huì )引起這種不對齊現象。屏幕可視區域中的黑條可能意味著(zhù)有效區域不對齊。對于復合視頻廣播信號(CVBS)，此現象可通過(guò)過(guò)掃描5%到10%進(jìn)行校正。

 

VGA旨在顯示整個(gè)有效區域，不落下任何區域。畫(huà)面不會(huì )過(guò)掃描，因此顯示位置調整對于VGA轉HDMI很重要。最佳情況下，黑條可以被自動(dòng)識別，圖像可以自動(dòng)調整到最終屏幕的中央，或者根據回讀信息手動(dòng)調整。如果VGA ADC連接到后端定標器，有效視頻將能正確地與整個(gè)可視區域重新對齊。

 

然而，使用定標器解決有效視頻區域不對齊問(wèn)題會(huì )提高設計成本及相關(guān)風(fēng)險。例如，利用定標器和視頻圖案，有效區域內一個(gè)小白框周?chē)暮谏珔^域可能會(huì )被視為無(wú)用棒而予以消除有效區域內一個(gè)小白框周?chē)暮谏珔^域可能會(huì )被視為無(wú)用條而予以消除。黑色區域消除后，白框就變?yōu)榧儼咨尘?。另一方面，半白半黑圖像會(huì )產(chǎn)生失真。為了防止此類(lèi)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(huì )向HDMI接收器（如電視等）發(fā)送視頻流。與此同時(shí)，片上音頻器件，如音頻編解碼器等，也可以通過(guò)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(shí)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(guò)HDMI Tx DDC線(xiàn)回讀HDMI接收器的EDID內容。MCU應將EDID的前128字節略微更改后復制到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源提供適當的EDID內容，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(jiàn)標準。HDMI Rx一般將EDID內容存儲在內部，處理熱插拔檢測線(xiàn)（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、視頻和數據合并在一起，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HDMI接收器會(huì )自適應接收流，自動(dòng)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(dòng)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(guò)處理并解碼為所需的標準后，便通過(guò)像素總線(xiàn)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(xiàn)和時(shí)鐘輸入，但無(wú)同步信號。HSYNC和VSYNC信號可通過(guò)緩沖器輸出到VGA輸出，最終輸出到監視器或其它顯示器。

 

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HDMI接收器在提取音頻標準方面沒(méi)有問(wèn)題，但進(jìn)一步處理可能有問(wèn)題。根據后端器件不同，可能優(yōu)先使用簡(jiǎn)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(gè)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(guò)一個(gè)經(jīng)由DDC線(xiàn)從VGA顯示器檢索EDID內容的簡(jiǎn)單算法來(lái)實(shí)現?；刈x數據應經(jīng)過(guò)解析和驗證，確保監視器允許的頻率不高于HDMI Rx或視頻DAC支持的頻率（參見(jiàn)表4）。EDID鏡像可以利用一個(gè)列出音頻能力的額外CEA模塊進(jìn)行擴展，以反映HDMI2VGA轉換器僅支持線(xiàn)性PCM標準的音頻。包含所有模塊的預備EDID數據因此可以向HDMI源提供。向熱插拔檢測線(xiàn)（HDMI線(xiàn)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(gè)簡(jiǎn)單的微控制器或CPU來(lái)控制整個(gè)電路，讀取VGA EDID并對HDMI Rx和音頻DAC/編解碼器進(jìn)行編程。一般不需要控制視頻DAC，因為它沒(méi)有I2C或SPI等控制端口。

 

表4. HDMI2VGA轉換器需要的更改列表

 

內容保護考慮

 

典型模擬VGA不提供內容保護，因此獨立轉換器不應允許解密內容保護數據，否則最終用戶(hù)將能訪(fǎng)問(wèn)原始字數據。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(hù)訪(fǎng)問(wèn)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A(yíng)D9983A，它支持最高UXGA時(shí)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(gè)VGA2HDMI轉換器。ADV7513還有一個(gè)內置DE生成模塊，因而無(wú)需外部FPGA來(lái)產(chǎn)生丟失的DE信號。ADV7513也有一個(gè)嵌入式EDID處理模塊，可以自動(dòng)從HDMI Rx回讀EDID信息，或者手動(dòng)強制回讀。

 

同樣，構建一個(gè)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(gè)高度集成的視頻路徑。Rx包括內置的EDID、用于處理熱插拔置位的電路、可以輸出RGB 4:4:4的自動(dòng)CSC（與接收的顏色空間無(wú)關(guān)），以及一個(gè)支持亮度/對比度調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(guò)DAC以任意音量輸出。該音頻編解碼器的時(shí)鐘源可以從ADV7611 MCLK線(xiàn)獲得，不需要外部晶振，配置只需要執行幾次寫(xiě)操作。

 

一個(gè)簡(jiǎn)單的MCU，例如內置振蕩器的精密模擬微控制器ADuC7020就能控制整個(gè)系統，包括EDID處理、顏色增強和一個(gè)帶按鈕、滾動(dòng)條、旋鈕的簡(jiǎn)單用戶(hù)接口。

 

圖6和圖7分別顯示VGA2HDMI轉換器的重要部件——視頻數字化儀(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(yǔ)

 

ADI公司的音頻、視頻和微控制器器件可以實(shí)現高集成的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(shí)現采用HDMI技術(shù)的應用。對于應在HDMI中繼器配置中工作的設備，HDMI系統復雜度會(huì )提高，因為這要求處理HDCP協(xié)議和整個(gè)HDMI樹(shù)。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(shí)現。有關(guān)更多信息和原理圖，請參閱ADI公司的EngineerZone網(wǎng)頁(yè)。

 

歡迎您在中文技術(shù)論壇上的模擬對話(huà)社區對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).

 

顯示器監視時(shí)序(DMT)、協(xié)同視頻時(shí)序(CVT)和增強擴展顯示識別數據(E-EDID)標準可從VESA獲得。

 

 

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