MAX9217/MAX9218視頻鏈路中的音頻數(shù)據(jù)傳輸

MAX9217/MAX9218串行器和解串器芯片組通過一對(duì)兒雙絞線LVDS鏈路實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸，廣泛用于汽車和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。視頻信號(hào)的每一幀總是存在消隱周期，可以利用這些周期“承載”音頻數(shù)據(jù)。在本應(yīng)用筆記中，我們討論音頻數(shù)據(jù)的傳輸格式，視頻鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)的方法以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體實(shí)例。


Introduction
MAX9217/MAX9218芯片組[1]是一個(gè)收發(fā)器對(duì)兒，發(fā)送器(MAX9217)將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，發(fā)送給接收器(MAX9218)；接收器再將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。該芯片組設(shè)計(jì)用于通過一對(duì)兒低成本雙絞線電纜(如，以太網(wǎng)中常用的UTP-CAT5電纜)，將視頻和控制信號(hào)從圖形控制器(處理器)傳輸?shù)絃CD或等離子平面顯示器。傳輸距離可超過10米。該芯片組鏈路結(jié)構(gòu)簡單，所使用的傳輸線為低成本電纜，是汽車、儀表、醫(yī)療設(shè)備等視頻顯示的理想方案。
該芯片組不僅可以在兩點(diǎn)之間傳送視頻信號(hào)，有時(shí)，人們還希望其同時(shí)傳送音頻信號(hào)。在本應(yīng)用筆記中，我們將討論如何利用視頻信號(hào)的消隱期，通過控制信號(hào)通道將音頻數(shù)據(jù)傳送到顯示器。我們還將解釋怎樣把數(shù)字音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)，并給出了顯示面板端揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。


MAX9217/MAX9218鏈路功能和視頻數(shù)據(jù)格式
MAX9217串行器具有27位并行輸入，總線速率高達(dá)35Mbps。在這27位中，18位是視頻RGB數(shù)據(jù)：3基色各占用6位，其余9位是控制信號(hào)。9位控制信號(hào)中的前3位指定為垂直、水平和RGB數(shù)據(jù)同步：VSYNC (C0)、HSYNC (C1)和ENAB (C2)。剩下的6個(gè)控制位(C3至C8)用于其他控制信號(hào)。本例中，我們使用6個(gè)控制位中的一部分傳輸音頻數(shù)據(jù)。MAX9217可以將18位RGB數(shù)據(jù)或9位控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，然后通過LVDS鏈路對(duì)其進(jìn)行傳輸。在視頻顯示的消隱期內(nèi)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，由RGB數(shù)據(jù)使能信號(hào)(ENAB)指示。
MAX9218接收到串行數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換成與MAX9217輸入格式相同的并行數(shù)據(jù)。同樣，當(dāng)MAX9218輸出并行數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)串行LVDS鏈路的時(shí)序重新生成總線時(shí)鐘。圖1所示為MAX9217和MAX9218之間視頻、控制數(shù)據(jù)鏈路設(shè)置和連接的結(jié)構(gòu)圖。圖2所示為視頻數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的時(shí)序。根據(jù)視頻格式、顯示器分辯率和鏈路速率，RGB數(shù)據(jù)的控制占空比在1%至5%之間。


圖1. MAX9217/MAX9218的視頻鏈路設(shè)置


圖2. 串行鏈路的視頻數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)格式


數(shù)字音頻數(shù)據(jù)類型和傳輸格式
數(shù)字音頻數(shù)據(jù)有多種不同格式。我們討論3種最常用的格式：采樣數(shù)字音頻(PCM)、MPEG層3音頻(MP3) [2]和ATSC數(shù)字音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(AC3) [3]。
PCM數(shù)字音頻是CD ROM或DVD采用的數(shù)據(jù)格式。對(duì)左右聲道的音頻信號(hào)采樣得到PCM數(shù)字信號(hào)，采樣率為44.1kHz，精度為16位或32位。因此，精度為16位時(shí)，PCM音頻數(shù)據(jù)速率為1.41Mbps；32位時(shí)為2.42Mbps。一張700MB CD可保存大約60分鐘的16位PCM數(shù)據(jù)格式的音樂。

MP3是MP3播放器采用的音頻格式，對(duì)PCM音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。立體聲MP3數(shù)據(jù)速率為112kbps至128kbps。對(duì)于這種數(shù)據(jù)速率，解碼后的MP3聲音效果與CD數(shù)字音頻的質(zhì)量相同。AC3是數(shù)字TV、HDTV和電影數(shù)字音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。立體聲AC3編碼后的數(shù)據(jù)速率為192kbps。 

為了恢復(fù)音頻信號(hào)，可將編碼后的音頻數(shù)據(jù)送入音頻解碼器芯片，該芯片生成PCM數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，傳送至音頻DAC，最終恢復(fù)成模擬音頻信號(hào)。相反，沒有編碼的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)可以直接送入音頻DAC。(下面詳細(xì)說明這種類型的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。)

編碼或解碼音頻數(shù)據(jù)的常用串行音頻數(shù)字接口是Inter-IC音頻總線(I2S) [4]。圖3所示為I2S接口配置和時(shí)序圖。每個(gè)音頻字的邊界由信號(hào)WS標(biāo)識(shí)。在我們的應(yīng)用中采用配置模式1。在SCK信號(hào)的上升沿，數(shù)據(jù)被鎖存至接收器，但是當(dāng)SCK保持低電平時(shí)，不接收數(shù)據(jù)。


圖3. I2S接口配置和時(shí)序

使用MAX9217和MAX9218之間的串行鏈路仿真I2S接口，可以將音頻數(shù)據(jù)從圖形控制器一端傳送至遠(yuǎn)端。我們將控制位C3和C4分別分配給SD和WS信號(hào)。對(duì)于SCK時(shí)鐘，如果要發(fā)送PCM數(shù)字音頻，可以直接使用MAX9218恢復(fù)的像素時(shí)鐘PCLK_OUT。對(duì)于傳送MP3或AC3音頻，可采用控制位C5為SCK時(shí)鐘生成一半或較低速率的像素時(shí)鐘。圖4顯示了這兩種情況的時(shí)序波形。為防止接收器溢出，大部分I2S接口需要進(jìn)行節(jié)流控制，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以將SCK置低，直接實(shí)現(xiàn)節(jié)流控制。圖4中Case 1，工作期間SCK信號(hào)無法置低，可以使用片選引腳/CS關(guān)閉接收器。在這種情況下，圖4中的Case 1將C6分配給/CS信號(hào)。


圖4. I2S接口的控制數(shù)據(jù)位波形 


消隱比和音頻數(shù)據(jù)吞吐率
由于音頻數(shù)據(jù)是通過視頻信號(hào)的消隱周期傳輸?shù)?，我們需要確定給定像素頻率fP下行消隱比和場消隱比。圖5所示為顯示面板上的行消隱和場消隱周期。

圖5. 行消隱和場消隱

以RL表示行消隱比，RF表示場消隱比，由圖5所示，我們可以按以下各式計(jì)算這些比值：

RL = (I1 + I2) / L

和 

RF = (f1 + f2) / F

由此得到音頻數(shù)據(jù)吞吐率RA，即：

RA = (RFF + (1 - RF) RLL) fP

其中F和L是消隱周期中的音頻數(shù)據(jù)傳輸利用率。利用率是指整個(gè)消隱周期中，音頻數(shù)據(jù)傳輸所占的比例，是節(jié)流控制的結(jié)果。作為一個(gè)實(shí)例，表1所示參數(shù)為3種類型的音頻數(shù)據(jù)設(shè)置數(shù)據(jù)速率。 

表1. 不同類型音頻數(shù)據(jù)的消隱參數(shù)設(shè)置 Audio Data Type fP RA RB F L Data Rate 
16-Bit PCM Audio Data 35 0.02 0.03 81% 82% 1.41Mbps 
MP3 17.5 0.01 0.01 35% 38.5% 128Kbps* 
AC3 17.5 0.01 0.01 50.3% 60% 192Kbps* 

*注：MP3和AC3音頻數(shù)據(jù)都含有頭文件?？紤]到這些信息后，實(shí)際的編碼數(shù)據(jù)速率會(huì)稍高一些[2, 3]。


系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
要在面板端播放音頻信號(hào)，我們需要將PCM數(shù)據(jù)送至音頻DAC或解碼MP3和AC3數(shù)據(jù)，然后將其送至音頻DAC。由于沒有反向通道將握手信號(hào)回送給控制器，解碼器主機(jī)時(shí)鐘必須與像素時(shí)鐘同步，以防止數(shù)據(jù)上溢或下溢。圖6所示為編碼和未編碼數(shù)據(jù)音頻重放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖6. 面板端音頻重放實(shí)現(xiàn)

在上述結(jié)構(gòu)圖中，采用了3次I2S接口。從左邊開始，第一和第二個(gè)I2S接口的數(shù)據(jù)速率相同，能夠達(dá)到35MHz。第三個(gè)接口——MAX9850 DirectDrive耳機(jī)放大器[5]接口，速率固定為音頻采樣率的倍數(shù)。時(shí)鐘SCK2送入MAX9491多路時(shí)鐘發(fā)生器[6]，它產(chǎn)生解碼器、FIFO和MAX9850的同步時(shí)鐘。MAX9491提供包含OTP的兩個(gè)可編程PLL，是本應(yīng)用的理想頻率合成器。Case 1適用于提供解碼PCM音頻數(shù)據(jù)的圖形控制器，Case 2用于面板端壓縮數(shù)據(jù)的解碼。Case 1的節(jié)流控制由/CS引腳實(shí)現(xiàn)，Case 2中通過空閑SCK時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。對(duì)比這兩種實(shí)現(xiàn)方式，我們看到PCM音頻數(shù)據(jù)的Case 1不需要占用太多的消隱時(shí)間(表1)，不需要使用音頻解碼器芯片，成本低于Case 2。因此，如果圖形控制器能夠從MP3或AC3等編碼音頻數(shù)據(jù)流中生成PCM數(shù)據(jù)，建議直接在鏈路上傳送這些數(shù)據(jù)。

參考資料
[1] MAX9217和MAX9218數(shù)據(jù)資料
[2] MPEG音頻III幀結(jié)構(gòu) (English only)
[3] 數(shù)字音頻壓縮(AC-3) (English only)
[4] I2S總線規(guī)范 (English only)
[5] MAX9850數(shù)據(jù)資料
[6] MAX9491屬于未來產(chǎn)品，供貨狀況請(qǐng)與廠商聯(lián)系。