視頻顯示信號(hào)與MAX9406 DP-HDMI/DVI電平轉(zhuǎn)換

引言

TV和PC視頻顯示器正在轉(zhuǎn)向具有數(shù)字電纜接口的平板視頻顯示器。利用高清多媒體接口(HDMI)電纜，我們就可以將平板電視連接至PC或者高清電視(HDTV)機(jī)頂盒。通過(guò)VGA或數(shù)字視頻接口(DVI)電纜，PC可以連接到外部顯示器。DVI可以看作數(shù)字VGA接口。注意，HDMI的視頻部分與DVI完全相同。

這里提供的是全文的第1部分。該應(yīng)用筆記闡述了當(dāng)前的一些TV和PC視頻顯示電纜接口，包括RGBHV、HDMI以及VGA的一些特點(diǎn)。第2部分(應(yīng)用筆記4313：“Video Display Signals and the MAX9406 DP-HDMI/DVI Level Shifter—Part II”)詳細(xì)介紹了DVI的背景，以及如何將MAX9406用作適當(dāng)?shù)臄?shù)字視頻顯示電纜驅(qū)動(dòng)器。

RGBHV

RGBHV格式是一種先進(jìn)的高清顯示器的模擬視頻顯示接口。RGBHV視頻信號(hào)由五對(duì)獨(dú)立電纜傳輸，即R、G、B、H和V。每條電纜端均配有一個(gè)BNV或者RCA插孔。R、G、B電纜分別傳輸紅、綠、藍(lán)信號(hào)；H傳輸行同步脈沖，V傳輸場(chǎng)同步脈沖。

這些RGBHV電纜的一端也可以由VGA插頭端接。圖1顯示了RGBHV視頻電纜的典型色標(biāo)。R為紅色，G為綠色，B為藍(lán)色，H為灰色，V為黑色。所有終端阻抗均為75Ω。


圖1. 分量視頻電纜的色標(biāo)

RGBHV是最新的模擬視頻信號(hào)格式，傳輸HDTV節(jié)目時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量影響很小，甚至不會(huì)降低圖像質(zhì)量。圖2顯示了RGBHV和其它模擬視頻信號(hào)格式之間的關(guān)系。


圖2. 不同模擬視頻信號(hào)格式之間的關(guān)系

圖2中的箭頭顯示了這種技術(shù)發(fā)展的方向。實(shí)際上，所有不同類型的模擬信號(hào)都是由基本的紅、綠、藍(lán)、行、場(chǎng)同步分量組成的。Y/C分離功能電路從復(fù)合信號(hào)分離出亮度和色度信號(hào)。盡管這種組合很簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中卻很難實(shí)現(xiàn)整體的分離。從彩色副載波中恢復(fù)載波有可行的，色度信號(hào)的I、Q分量可以通過(guò)解調(diào)方式恢復(fù)。但在重新組合前，I、Q并不等同于Pr和Pb。另外，復(fù)合信號(hào)的同步脈沖并不剛好是增加的行、場(chǎng)分量。相反，在場(chǎng)同步脈沖前后都增加了預(yù)均衡及后置均衡脈沖，以確保鎖相環(huán)(PLL)保持連續(xù)工作，正確恢復(fù)出行同步信號(hào)。

隨著HDTV的引入，從RF (射頻)載波解調(diào)后，將在數(shù)字域處理視頻信息，而平板視頻顯示器均為數(shù)字產(chǎn)品。使用數(shù)字視頻信號(hào)傳輸電纜可以省去HDTV端的數(shù)/模轉(zhuǎn)換(DAC)以及平板視頻顯示器端的模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)等額外電路，同時(shí)還消除了轉(zhuǎn)換過(guò)程可能帶來(lái)的圖像質(zhì)量下降。

HDMI

HDMI由四個(gè)低壓差分信號(hào)(LVDS)對(duì)組成。紅、綠、藍(lán)信號(hào)分別由通道2至0 (LVDS信號(hào)對(duì))傳輸。專用時(shí)鐘(與通道0至2的數(shù)據(jù)位同步) LVDS信號(hào)對(duì)用于支持HDTV和平板視頻顯示器之間的可靠信號(hào)傳輸。利用ADC將每個(gè)彩色圖像像素的幅度數(shù)字轉(zhuǎn)換成8位分辨率。該彩色信息被所謂的最小化傳輸差分信號(hào)(TMDS?)編碼器擴(kuò)展至10位分辨率，以進(jìn)行帶寬最小化和直流均衡。編碼后的彩色數(shù)據(jù)位經(jīng)過(guò)串行轉(zhuǎn)換發(fā)送到LVDS驅(qū)動(dòng)器，請(qǐng)參考圖3。


圖3. RGBHV-HDMI轉(zhuǎn)換

每個(gè)LVDS通道可以支持較高的數(shù)據(jù)速率。對(duì)于60Hz刷新速率、分辨率為1920 × 1080的HDTV屏幕，像素率為124.416MHz。對(duì)于5%和15%的同步、消隱期，像素率分別為130MHz或143MHz。每像素彩色信號(hào)為10位數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)LVDS通道的數(shù)據(jù)速率為1.3Gbps到1.43Gbps之間，具體取決于所要求的裕量。就平板視頻顯示器而言，電子束回程的消隱期并不是必不可少的。因此，裕量通?？梢耘c能夠恢復(fù)的同步定時(shí)相當(dāng)。

數(shù)字視頻信號(hào)格式嚴(yán)格遵循模擬視頻信號(hào)的時(shí)序。在HDMI格式中，從左到右發(fā)送像素，每行之間均有行同步碼；從上到下發(fā)送行數(shù)據(jù)，每屏之間均有場(chǎng)同步碼。對(duì)應(yīng)于每行及每屏之間模擬視頻信號(hào)的消隱期，行、場(chǎng)同步脈沖在通道0被編碼。四個(gè)10位字1101010100、0010101011、0101010100和1010101011，分別代表(H = 0, V = 0)、(H = 1, V = 0)、(H = 0, V = 1)和(H = 1, V = 1)。利用這些代碼，可以在時(shí)域表示行、場(chǎng)同步脈沖，并保持像素時(shí)鐘的精確度。

由于同步脈沖的起點(diǎn)最重要，不需要像模擬格式定義的那樣在任何時(shí)間都對(duì)這些脈沖進(jìn)行編碼。HDMI格式中，同步脈沖定義的起始部分之后的消隱時(shí)間專門(mén)用于傳輸音頻信號(hào)。相當(dāng)于模擬信號(hào)的消隱期在時(shí)間上劃分成同步控制和音頻信息數(shù)據(jù)位的傳輸。

圖4給出了行消隱期間的同步和音頻數(shù)據(jù)包的時(shí)序，與模擬視頻格式定義相同。在視頻信息數(shù)據(jù)位之后，由通道0傳輸行同步位。在典型的138像素消隱期內(nèi)，同步信息可持續(xù)62個(gè)像素時(shí)鐘周期。之后，64個(gè)像素專門(mén)用于傳輸音頻數(shù)據(jù)包。音頻數(shù)據(jù)包的報(bào)頭與同步信息一起由通道0傳輸，同時(shí)音頻數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)位由通道1和2傳輸。每個(gè)通道的數(shù)據(jù)島周期內(nèi)，利用TMDS減少誤差編碼(TERC4)，每組四個(gè)信息位均被編碼為10比特。相同周期內(nèi)，兩個(gè)音頻報(bào)頭位和兩個(gè)行同步位被組合成通道0的TERC4編碼輸入。消隱期終止于少數(shù)及格行同步像素(12)。


圖4. HDMI視頻數(shù)據(jù)、控制和數(shù)據(jù)島周期

60Hz屏幕刷新率，每屏1080線，每線64像素，每個(gè)HDTV信號(hào)均以8位/像素表示，可以利用下式計(jì)算得到最大音頻比特率：

R_Audio = 60 × 1080 × 64 × 8 = 33.1776Mbps

該數(shù)據(jù)速率足以傳輸任何多通道、高質(zhì)量音頻信號(hào)。

HDMI中，每像素的信息也可以由大于8位/色彩的形式表示。對(duì)于更高色彩分辨率的格式來(lái)說(shuō)，每像素色彩的比特?cái)?shù)被擴(kuò)展至8位8B10B編碼單位以上。例如，要得到10位/色彩，四像素的數(shù)據(jù)位就要擴(kuò)展到五個(gè)8B10B編碼單位，從而導(dǎo)致時(shí)鐘速率提高20%。同樣，12位/色彩將兩像素?cái)U(kuò)展至三個(gè)8B10B編碼單位，導(dǎo)致時(shí)鐘速率提高50%。平板顯示器的高色彩分辨能力由其擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)(EDID)的內(nèi)容表示。

圖5和表1顯示了HDMI A型插頭的引腳布局。對(duì)于采用I2C協(xié)議的HDTV設(shè)備，通過(guò)SCL和SDA獲取平板顯示信息。平板顯示信息(EDID)均存儲(chǔ)于EEPROM中，通常為128字節(jié)，并帶有0×A0 I2C器件地址。熱插拔檢測(cè)引腳幫助HDTV設(shè)備檢測(cè)平板顯示信息是否存在。打開(kāi)平板顯示裝置，熱插拔引腳將被設(shè)置在2.4V到5.3V之間。CEC表示消費(fèi)類電子產(chǎn)品控制，將用戶控制指令傳遞給所有互聯(lián)電子設(shè)備。


圖5. HDMI A型插頭引腳

表1. HDMI A型插頭引腳布局

VGA

圖7所示為VGA插卡的功能框圖。為了避免增加CPU執(zhí)行寫(xiě)像素操作的負(fù)擔(dān)(例如：移動(dòng)圖像)，采用了專門(mén)的圖像處理單元(GPU)。CPU只需發(fā)送部分或全屏顯示的屬性，GPU將正確的像素內(nèi)容填充到視頻RAM。顯示時(shí)序功能電路是GPU的組成部分。為了實(shí)現(xiàn)顯示