USB供電的DVI/HDMI至VGA轉(zhuǎn)換器(HDMI2VGA) 具有音頻提取功能

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一個完整的HDMI/DVI至VGA(HDMI2VGA)轉(zhuǎn)換解決方案，帶有模擬音頻輸出。它使用 ADV7611低功耗、高清多媒體接口(HDMI)接收器，可接收高達165 MHz的視頻流。該電路以USB電纜供電，最高工作分辨率為1600 × 1200 (60 Hz)。

電路使用擴展顯示識別數(shù)據(jù)(EDID)內(nèi)容， 確保來自HDMI/DVI的視頻流可達到HDMI源、轉(zhuǎn)換器和視頻圖像適配器(VGA)顯示所支持的最高分辨率。

HDMI接收器還可用來調(diào)節(jié)視頻，如亮度或?qū)Ρ榷?音頻編解碼器可用來設置音頻輸出的音量。

該電路有很多優(yōu)勢。高度集成的視頻接收器無需額外的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)便可調(diào)節(jié)視頻。可輕松通過I2C寫入調(diào)節(jié)亮度、對比度或改變音頻音量。內(nèi)置式EDID存儲器可減少器件數(shù)量和電路板面積。降壓開關調(diào)節(jié)器允許USB端口對電路供電。通過采用業(yè)界標準的片間連接，接收器、編解碼器和視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)之間可實現(xiàn)直接互連。該電路使用2層印刷電路板(PCB)，能以高達UXGA的分辨率(60 Hz時1600 × 1200)工作。

電路描述

ADV7611 為HDMI輸入提供接收解決方案，并具有5 V電纜檢測、熱插拔檢測線路置位和用于EDID的DDC線路。 集成了一個內(nèi)部EDID RAM，可顯示HDMI源。本電路中的內(nèi)置色彩空間轉(zhuǎn)換器(CSC)可轉(zhuǎn)換任何HDMI色彩空間至8位RGB444字，適合驅(qū)動 ADV7125 視頻DAC輸入。它涉及如下色彩空間的轉(zhuǎn)換：RGB、YCrCb(601和709)、XVYCC(601和709)以及HDMI規(guī)范中的其他色彩空間。ADV7611還支持所有444和422之間轉(zhuǎn)換的采樣方案。

ADV7125 視頻DAC可將接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成VGA兼容模擬信號。

轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的音頻處理始于 ADV7611 的內(nèi)置音頻數(shù)據(jù)包提取模塊。該器件可輸出幾乎任何HDMI標準;然而，后端的 SSM2604 音頻編解碼器僅接受以44.1 kHz或48 kHz速率采樣、并以線性脈沖碼調(diào)制(LPCM)的I2S數(shù)據(jù)流。為保證這種I2S數(shù)據(jù)流的正常傳送，ADV7611必須提供具有適當EDID內(nèi)容的HDMI源，且EDID內(nèi)容必須僅有LPCM功能。

音頻線路的輸出信號阻抗為100Ω，并且需要一個額外的功率放大器級以便連接耳機或揚聲器。

該電路采用 ADuC7020 微控制器控制。ADuC7020采用I2C SDA和SCL線路，通過 ADG736 連接，并切換到任一VGA顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)線路或主I2C總線。這種切換可以將主I2C總線從VGA I2C DDC線路中隔離，以降低任何潛在沖突的風險(以防萬一監(jiān)視器與其他設備共享DDC I2C，或VGADDC線路故障)。主I2C總線包含ADV7611和SSM2604 I2C從機設備。

ADuC7020 亦帶有通用異步收發(fā)器(UART)線路。它們與串行編程按鈕(與P0.0相連)和復位按鈕共同使用，通過可執(zhí)行文件對片內(nèi)閃存進行編程。正常工作時，UART接口在軟件開發(fā)期間還可用于調(diào)試輸出或終端。它需要一個額外的電平轉(zhuǎn)換器(比如 ADM3202ADM3202)通過RS232標準接口連接電腦。 ADuC7020 同時連接 ADV7611 的INT1和RESET 引腳和 ADV7125的 PSAVE 引腳，用于視頻DAC控制。

該電路板使用兩個 ADP2301 降壓開關調(diào)節(jié)器，以5 V USB電源對電路板供電。這款高效率調(diào)節(jié)器可為電路板上的器件提供3.3 V和1.8 V電源。

初始化電路板

當電路板第一次通電時，它將VGA EDID從監(jiān)視器讀回，對 ADV7611編程，使其接收HDMI流，并對 SSM2604 編程，使I2S音頻可以通過DAC輸出。

設置EDID內(nèi)容

HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器確保視頻顯示器支持的正確視頻標準可通過HDMI鏈路發(fā)送。HDMI規(guī)范要求HDMI源在發(fā)送視頻流之前檢查支持的HDMI接收器視頻模式。一旦HDMI源讀取了EDID內(nèi)容，它便只能選擇視頻顯示器支持的標準，理想化的情況是該標準正好最適用于該顯示器。因此，要確保顯示器支持輸出視頻，EDID內(nèi)容非常重要。

音頻標準的處理方法與此類似。EDID的內(nèi)容中同時列出了HDMI接收器支持的音頻標準。HDMI源發(fā)送的音頻流必須匹配EDID內(nèi)容羅列的標準之一。

ADuC7020用于讀取VGA內(nèi)容，以確定監(jiān)視器的能力。典型監(jiān)視器的VGA EDID不羅列音頻能力，并且可能含有 ADV7611 不支持的視頻分辨率(例如超過165 MHz的像素速率以及60 Hz時的1920 × 1200 VESA)。

因此，確保傳送至HDMI源的EDID內(nèi)容僅包含 ADV7611 和VGA顯示通常支持的視頻模式便非常重要。

為 ADV7611準備EDID

最近發(fā)送至HDMI源的EDID信息初始源包含來自VGA監(jiān)視器并經(jīng)過讀取和更改的EDID。一旦讀取，VGA EDID便將以下字節(jié)復制到內(nèi)部ADuC7020 RAM作更改。一旦完成更改，它們便提供給HDMI源(通過 ADV7611 內(nèi)部EDID)。

· • Bytes[0:19], 報頭信息

· • Bytes[19:24], 基本顯示信息

· • Bytes[25:34], 顏色坐標

· • Bytes[35:37], 已建立的位圖設置( ADV7611全部支持)

EDID的第20位字節(jié)(視頻輸入?yún)?shù))被修改為0以表示 HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器是一種數(shù)字視頻輸入。

EDID的字節(jié)[38:54]包含標準時序信息。為確保所列模式無一超過165 MHz的最大像素時鐘頻率，STD時序信息模塊中列出的每一種模式均使用如下公式計算像素時鐘頻率：

PCLK = (X分辨率 + 1) × (Y分辨率 + 1) × 垂直刷新率

上面的方程估算傳輸視頻時必須使用的最小像素頻率。該估算基于這樣一個假設：視頻僅包含一個水平同步脈沖，每行脈沖寬度僅為一個像素值，并且每幀的垂直消隱間隔 (VBI)僅一行。在實際應用中不會采用這種類型的視頻，并且該估算也只是近似值。若要獲得準確的PCLK值，請查找基于實際VESA標準的表格。

若計算得到的PCLK頻率超過165 MHz，則EDID放棄使用該視頻模式。

EDID的下一部分(字節(jié)[54:125])由4個描述符模塊占據(jù)([54:71]、[72:89]、[90:107]和[108:125])。該應用檢查全部4個描述符模塊，并鑒別出兩種類型的描述符：

· 詳細的時序描述符(起始兩位字節(jié)中至少有一個為非零)，用于像素時鐘頻率

· 監(jiān)視器范圍描述符(起始兩位字節(jié)為零，第四位字節(jié)等于253)，用于監(jiān)視器支持的最大像素時鐘頻率

詳細時序描述符(DTD)表示監(jiān)視器的本地視頻時序。起始兩位字節(jié)包含像素時鐘頻率值。若超過165 MHz，則整個描述符由適合640 x 480 (60 Hz)視頻模式的DTD模塊替換。

監(jiān)視器范圍描述符包含監(jiān)視器可處理的最高PCLK頻率信息。若它超過165 MHz，則將其設為等于165 MHz。

標準EDID的最終模塊包含兩個字節(jié)。

· 第126位字節(jié)給出額外EDID模塊的數(shù)目。本應用以1覆寫此字節(jié)以提供一個額外的EDID。

· 第127位字節(jié)是校驗和字節(jié)。

額外的EDID模塊(CEA-861類型)長度為128字節(jié)，包含音頻能力和可支持視頻標準的640 x 480像素的描述信息。該模塊的主要目的是為HDMI源提供音頻能力信息：帶有左前置和右前置揚聲器的立體聲LPCM，44.1 kHz、48 kHz和32kHz。CEA-861模塊還包含所支持視頻標準的額外信息，如YCbCr444和YCbCr422，以及標準RGB。

更多信息， 請參考設計支持文件中的C源代碼：http://www.analog.com/zh/CN0282-DesignSupport

HDMI源和VGA顯示的檢測

來自HDMI電纜信號的5 V信號將輸入視頻告知VGA監(jiān)視器。 ADuC7020 target=_new> ADuC7020 并不檢測VGA連接，并假設連接存在。監(jiān)視器檢測可通過回讀EDID內(nèi)容完成。若沒有 I2C 應答，則假定監(jiān)視器未連接。

無需檢測HDMI源。一旦 ADV7611針對接收HDMI內(nèi)容編程，每次當電纜連接或輸入視頻標準變更時它便工作。當電纜斷開時，HDMI接收器以最后接收的視頻分辨率生成藍屏。

HDMI源的檢測由 ADV7611完成。連接狀態(tài)可由回讀IO映射內(nèi)的寄存器0x6F決定(器件地址為0x98)。參見 硬件使用指南(UG-180)

HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器的限制

需要考慮數(shù)據(jù)內(nèi)容的保護。標準VGA信號是未經(jīng)加密的視頻信號，可使用模擬記錄儀記錄并回放，期間無任何內(nèi)容保護機制。因此，VGA視頻對于受版權保護的內(nèi)容而言并不安全。因為HDMI至VGA轉(zhuǎn)換器不支持原始版權視頻流的內(nèi)容保護，應當不允許它接收這些內(nèi)容。

ADV7611 解決了這一問題。它發(fā)布了兩個芯片版本： ADV7611 和 ADV7611-P. ADV7611 支持加密內(nèi)容的解密，而 ADV7611-P 沒有這一功能，它僅能接收未加密的視頻內(nèi)容。HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器必須使用 ADV7611-P

圖1所示電路加以修改便可在現(xiàn)有VGA監(jiān)視器內(nèi)接收加密內(nèi)容，只要修改的方式不允許用戶輕松訪問解密視頻流即可。

布局考慮

ADV7611BSWZ-P 和 ADV7125BCPZ 之間謹慎的布線可讓該電路建立在一塊2層電路板上。該電路板已證明可在165MHz像素時鐘頻率下傳輸視頻流。PCB的底層主要是一個實體接地層，一些線路與底層相連。許多過孔連通頂層和底部接地層，減少高速信號下電路板電流的瞬變特性造成的接地反彈。圖2是PCB的俯視圖。若需完整原理圖、物料清單(BOM)和布局細節(jié)， 請參考設計支持文件： http://www.analog.com/zh/CN0282-DesignSupport

在實際系統(tǒng)中使用時，4層的PCB更具有優(yōu)勢。HDMI兼容性測試要求進入HDMI接收器的所有最小化傳輸差分信號(TMDS)線路具有100Ω ± 10%的特征阻抗。4層PCB通常比2層PCB更容易保持線路特征阻抗。另外，4層PCB提供更多選項抑制電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)，并符合電磁兼容規(guī)范(EMC)。

高速數(shù)字信號具有快速上升和下降沿， 因此有產(chǎn)生EMI/RFI效應的風險。電路板上的高速信號主要存在于連接 ADV7611 輸出和 ADV7125DAC輸入的像素總線鏈路上。某些情況下，可在這些線路上添加串聯(lián)電阻，減緩快速邊沿，以盡可能降低EMI/RFI效應。在2層電路板布局中， ADV7611 和 ADV7125 相對距離較近，因此無需串聯(lián)電路。

提供設置像素總線驅(qū)動器以及音頻輸出的驅(qū)動強度的選項，可用來降低EMI/RFI輻射的影響。在 ADV7611內(nèi)部完成驅(qū)動強度的降低工作。更多信息，請參考 UG-180 用戶指南的“驅(qū)動強度選擇”部分。

評估與測試

該電路使用如下HDMI源進行測試：

· • DVD-S97 DVD/CD播放器(640 × 480p)

· • Dell E6520筆記本電腦(1280 × 1024或1600 ×1200 VGA監(jiān)視器分辨率)

· • 藍光Panasonic DMP-BDT100 (640 × 480p)

· • Quantum Data 882視頻發(fā)生器 (UXGA 1600 × 1200，60Hz，8 bpp)

該電路使用如下VGA監(jiān)視器進行測試：

· Dell 1908FP(60 Hz時，最大分辨率：1280 ×1024)

· Dell 2007FP(60 Hz時，最大分辨率：1600 ×1200)

· Sun Microsystems GDM-5010PT監(jiān)視器

電路板評估過程中，使用UART連接器 EVAL-ADuC-CABLE1Z)顯示評估板的編程信息、調(diào)試信息和VGA監(jiān)視器的EDID內(nèi)容 。 EVAL-ADuC-CABLE1Z 是一款RS-232電平轉(zhuǎn)換器，允許LVTTL和RS-232邏輯電平間接口。

測試要求連接圖3所示電纜(VGA、HDMI、音頻輸出和USB)，并按下復位按鈕。

消費類視頻播放器(DVD或藍光)通常不支持VESA視頻分辨率，如XGA、SXGA或UXGA。測試過程中，這些源輸出標準VGA。

Dell E6520筆記本電腦可用作視頻源，它本身支持VESA標準并可正確回讀HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器提供的內(nèi)容。它輸出1280 × 1024 / 60 Hz至Dell 1908FP監(jiān)視器，或輸出1600 × 1200 /60 Hz至Dell 2007FP監(jiān)視器。

兩個視頻播放器均可針對EDID提供LPCM音頻內(nèi)容，并可從音頻編解碼器正常解碼及輸出數(shù)據(jù)。