SDI—HDMI的技术实现

有线电视技术数字电视QQSbIp)106180110.051HDMI的技术实现张勇浙江师范大学现代教育技术中心摘要:对SDI-HDMI进行设计与开发,通过对音枧频信号的编码转换,实现低成本使用带HDMI接口的LCD作为高清监视器使用。设计的实现可有效改变原使用CRT高标清监枧器使用昂贵的状况。关键词:SDI HDMI 设计技术实现随着数字电视技术的日益发展和成熟应用,高清.可靠地恢复原始数据。这样在概念上可以将数字串行晰度(High Definition,HD)、 标准清晰度(Standard接口理解为一种基带信号调制。SDI 接口能通过Definition,SD)电视信号的摄制与传输在国内各电视270Mb/s的串行数字分量信号，对于16:9格式图像,台得到了广泛的应用。为保证制作和监看质量,大多能传送360Mb/s的信号。数摄录编设备都采用SDI接口进行电视信号的采集SDI接口不能直接传送压缩数字信号,数字录像与监看。目前高清非线性编辑系统、高清摄像机、高清机、硬盘等设备记录的压缩信号重放后,必须经解压监视器、高清录像机等设备大都由国外厂家生产,价并经SDI接口输出才能进入SDI系统。如果反复解压格昂贵。高清摄录编设备监看用的显示器选配的一块和压缩,必将引起图像质量下降和延时增加,为此各SD -SDI卡需数千元,-块HD- -SDI 卡达到几万元,价种不同格式的数字录像机和非线性编辑系统,规定了格昂贵且如需维修则费时费力。如何通过对SDI转换自己的用于直接传输压缩数字信号的接口。如索尼公.为HDMI进行设计与开发，实现较低成本运用具有司的串行数字数据接口SDDI (Serial Digital DataHDMI接口的LCD作为高标清监视器用,满足需求并Interface)，用于Betacam -SX非线性编辑或数字新闻大大降低成本,对于电视技术人员来说研究显得日益传输系统,通过这种接口,可以4倍速从磁带上载到重要。磁盘;索尼公司的4倍速串行数字接口QSDI(QuarterSerial Digital Interface), 在DVCAM录像机编辑系统1 SDI. HDMI概述中,通过该接口以4倍速从磁带上载到磁盘、从磁盘下载到磁带或在盘与盘之间进行数据拷贝;松下公司.1 串行数字接口的压缩串行数字接口CSDI (Compression SerialSDI (Serial Digital Interface), 又称串行数字接Digital Interface), 用于DVCPRO和Digital-S 数字录口,是把数据字节的各个比特以及相应的数据通过单像机、非线性编辑系统中,由带基到盘基或盘基之间一通道顺序传送的接口。由于串行数字信号的数据率可以4倍速传输数据。以上三种接口互不兼容,但都很高,在传送前必须经过处理。它是用扰码的倒相不与SDI接口兼容。归零(NRZI) 来代替早期的分组编码，其标准为1.2中国煤化工.SMPTE- -259M和EBU -Tech- 3267,包括了含数字音imedia Interface),又频在内的数字复合和数字分量信号。在传送前,对原称高.MH.CN M H C高达5Cbps的数据始数据流进行扰频,并变换为NRZI码确保在接收端传输带宽,是首个支持在单线缆上传输,不经过压缩5数字电视有线电视技术的全数字高清晰度、多声道音频和智能格式与控制命信号输人令数据的数字接口。无需在信号传送前进行数/模或.者模/数转换,可以保证最高质量的影音信号传送。S119030的处理:「LMH0031的处理:HDMI技术不仅能提供清晰的画质,而且由于音数据等待......信号检测、设置音L视频数据频/视频采用同一电缆，大大简化了家庭影院系统的否安装。2002 年4月，日立、松下、飞利浦.Silicon输人格式是否正确Image、索尼、汤姆逊、东芝共7家公司成立了HDMI是组织，开始制定新的专用于数字视频/音频传输的标DVI模式HDMI模式。HDI还是DVI模式准。2002年岁末,HDMI 1.0 标准颁布。HDMI已从刚SI19030的处理:发布时的1.0版发展到现今的1.3版。HDMI在针脚| 强制HDMIl模式输出、强制DVI模式输出.启动对音物数据的处上和DVI(Digital Visual Interface, 数字视频接口)兼禁止对音频数据处理| 理、对音频数据有无判容,只是采用了不同的封装。与DVI相比,HDMI可以.[ 断并作相应处理信号输出传输数字音频信号，并增加了对HDCP (High-圈1设计流程图bandwidth Digital Content Protection, 高带宽数字内容保护)的支持，同时提供了更好的DDC(Display配置和控制寄存器中的存储数据和功能进行外部访Data Channel, 显示数据通道)可选功能。HDMI 支持问的功能。5Cbps的数据传输率,最远可传输15米,足以应付一SII9030 芯片是支持HDMI .HDCP和DVI的第二个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一代Panel Link 传输器，有着丰富的视频输人接口,支.个1080p的视频和- -个8声道的音频信号需求少于持8/10/12 -bit YCbCr 4:2:2 (ITU.601 和656),16/4Gbps,因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一20/24- bit YCbCr 4:2:2 的解码。还提供4路I2S的输根电缆分别连接DVD播放器、接收器。此外HDMI支人,支持32~96k的音频采样频率。持EDID (Extended Display Identification Data, 外部3技术实现显示设备标识数据,指DDC通讯中传输的显示设备数据)、DDC2B (主机与显示设备准双向通讯)，基于SDI转换成HDMI技术实现框图如图2所示。PC通讯协议,因此具有HDMI的设备有“即插即用”3.1串行信号解码的特点,信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，HD-SDI传输速率高达1.485Gbps,其频谱分布自动选择最合适的视频/音频格式。一般在4GHz以上,所以在SDI传输时必须使用高频2技术设计衰减较少的特性阻抗75Q2专用电缆。SDI 信号通过75Q电缆传送至解码器，主芯片LMH0031的解串过SDI转换成HDMI方案技术设计上选用National程按照SMPTE299M/259M标准来进行。如解码Semiconductor 公司生产的LMH0031和Silicon ImageSMPTE 292M、1.485Gbps (或1.483Cbps)串 行视频数公司生产的SII9030芯片负责转换的全程工作。据到一个带同步时钟的20bits的并行数据，也能够解LMH0O31负责输人SDI信号的检测、数据的串/并行串并且编码SMPTE 259M 、270Mbps、360Mbps和转换与输出;SI19030负责并行转换后数据的处理(是SMPTE344M(推荐使用)、540Mbps串行视频数据否支持HDCP是否有AUDIO)并输出至监视器。技术到l0bits的并行数据。并行视频输出具有一个深度可设计流程如图1所示。变的FIFO,通过调节此FIFO,可以将输出数据延迟LMH0031是搭载音频和辅助数据FIFO的数字达4个并行数据时钟周期,如图3所示。视频解串行器/解码器,LMH0031执行的功能包括:在按照ANSI/SMPTE292M标准制定的串行视频从串行数据进行的时钟/数据恢复、串并数据转换、传输过程中,在视频流的辅助数据空间中,为了传输SMPTE标准数据解码、NRZI至NRZ(不归零)转换、音频.子音频的传输格式。具并行数据时钟生成、文字设计、CRC和EDH数据检测体TYH中国煤化工:bits 的AES数字音和处理、辅助数据提取和自动视频格式检测。频数.CNMHG只适合按照ANSL/LMH0O31独有的多功能输入/输出端口提供了对于SMPTE292M标准编码的视频流中。52有线电视技术数字电视20bits( HD )或者10bits( SD )-YCbCr~并行视频数据SDISDI信号FPGA信号源750电缆SDI串行| 按照SMPTE299M和272M标准信号|把l0bis并行数据转换成串行的解码器48k 的12S音频数据10hits- 并行辅助数据12S音频数据10bits( SD )-YCbCx-HDMI信号编码器HDMI信号电缆HDML信号终端显示设备图2 SDI-HDMI 原理框图对应关系传递给HDMI编码器。SMPTEFPGA选用一片ALTERA的EP2C5Q208,为了保LMH0031视频数据输出持时钟数据的同步关系,只是用主时钟的上升沿敲了SD/HD Decoder/Deserializer并行10bits一下数据,然后直接输出给SII9030了,在FPGA中没辅助数据输出有对视频进行处理。H13 SDI串行信号解码3.2.2辅助数据部 分在按照ANSI/SMPTE259M标准制定的串行视频由LMH0031解码出来的10bits的辅助数据中,传输过程中,在视频流的辅助数据空间中,为了传输包含有我们所需要的音频数据,数据包中DID表示辅音频信号,SMPTE272M则定义了音频的传输格式。具.助数据包的关键字,DBN表示一个数据块中的数,DC体SMPTE272M标准定义的是24bits的AES数字音表示一个数据包中数据的总个数,CLK中能够得到音频数据和相关的控制信息，它只适合按照ANSI/频的采样频率,AES1和AES2中包含有24bits的音SMPTE259M标准编码的视频流中。频数据,ECC0-5是循环校验码,CS是冗余校验码。在3.2 FPGAHD中提取出来的音频数据包具体如图4所示。FPGA(Field Programmable Gate Array)即 现场可编程门阵列，它是在PAL,CAL、EPLD等可编程器件的基础上进- -步发展的产物，是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数T2414↑4↑416有限的缺点。FPGA的使用非常灵活,同一片FPGA通g4 SMPTE299音频数据包(HD)过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA在SD中提取出来的音频数据包情况如图5所在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空示,DID,DBN,DC,CS的定义和HD一样,采样频率等航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的信息从AUX中得到。进一步降低,FPGA还将进人更多的应用领域。3.2.33.2.1视频部分中国煤化工视频行消隐和场消在FPGA中把由LMH0031解码出来的20bits或隐期|YHCNMHG不进行取样。这样音者10bits的视频数据,在主时钟的上升沿按照-定的频数据以辅助数据形式插人到数字视频分量不要的53数字电视有线电视技术有效的写FIFO时钟，而读FIFO的时钟,用从视频时AFSIAESI AES2， Channel 1 Channe2 1」Channe3 1B钟分频得到的48k时钟,这样FIFO就完成了。X.X+1.X+2| X.X+1,X+2X.x+1.X+2|从FIFO读出音频数据以后,放到一个寄存器中，SMPTE272音频数据包(SD)用OSLK从高到低一位位地把数据敲到SDOUT上，这样就可实现音频数据包到12S的转换。.3|3.3 HDMI 信号编码部分编码过程如图7所示。SMPTE272扩展数据包(SD)图5 SMPTE272音频数据包(SD)、扩展数据包(SD)HD、SD视频信号和I2S音频信号送人芯片FPGAlep2cSq208]10hite的辅助24/20hits10hits, 的辅助音频数据包输人音频数据输人音频数据输出.I2S 音频输出把0bis的FIFORea。A SDOUT苦共数据包32x24并行转申行| LMEH0O31,0l”1 HD)or32x20) FIFO. clk outI OSCLK| 20bits(SD )的音频数据48k音频采样时钟OSCLKOLRCK64xOLRCKFIFO_ InclkFIFO _ck_ In辅助数据时钟视频时钟二分频图6音频处理过程两空隙之中。在LMH0031中,它会自动把每一个消隐SII9030,SII9030对信号进行编码成HDMI信号后输间的辅助数据提取到它自身的FIFO当中。LMH0031出至带有HDMI接口的显示器。提供给用户一个辅助数据时钟输人PIN ,这样用户可201is( HD )或者51190301oisSDI-YOGHDMI输出以按照所提供的时钟频率提取出FIFO中的10bits 辅并行视频数据输人Panellink I助数据,音频处理过程具体如图6所示。音项输入=0为了使音频数据时钟与视频时钟同步,用主时钟显示器的一半(图6中FIFO. _Inclk)去做LMH0031提取辅助图7 HDMI 信号编码数据的时钟,把辅助数据提取出来以后,不能够拿它目前HDMI1.3的最高传输速率已达10.2Gb/s,直接输出给后面的SI19030,因为SI19030 只是接受因此HDMI布线时必须考虑布线问题，必须考虑线I2S格式的数据。所以要把按照SMPTE299和长线宽设置和布局问题。首先需注意的是HDMI信SMPTE272标准编码的格式提取出来的数据,转换成号线里传输的是高速率信号,其信号线的一小段引线I2S的格式。首先,把提取出来的数据,连接到FPGA中,因提就可能导致电磁千扰问题。因此在印制板上,HDMI取出来的数据不全是音频数据,所以要对它进行再--信号走线要尽可能短,同时为了保证HDMI信号的地线回路能尽可能短,与HDMI信号走线层邻近的层要次的提取,把用到的音频数据放到FPGA内部的一个保证地线的连续，最好是一整片的回路地。另外芯片FIFO中(具体音频数据格式见SMPTE299M(HD)标.SII9030工作速度很高，所以对电源和地要求比较严准和SMPTE272M(SD)标准)。格。在进行印制板布局时,要尽量让HDMI处理芯片把音频数据变换成并行的24bits (HD) 或者靠近板边,以防止它与其它器件之间的干扰。。20bits(SD)之后,要把它写人FIFO中。在FPGA的FIFO中,每提取出一包音频数据包,就相应的有一个t结论节拍的48k音频数据产生，所以FIFO写入的数据的时钟和FIFO读出的数据的时钟必须保持同频的关中国煤化工技术设计,实现了用系,这样才能保证FIFO不会溢出也不会读空。在这里较低YHCNMHGDMI接口的LCD作FIFO_ _clk_ in 在每提取出一包音频数据便会产生一个(下转第57页)54有线电视技术数字电视tomorrow多的被推向网络的边缘,网络边缘的设备需要具有更50MHz高的处理功能，并且能够在V0D、DOCSIS和SDV服30 8MHzslots务间根据用户的需求进行切换，以共享带宽,提高系统带宽的利用率。MPEC-2SD DTV在这种新的网络结构中需要从总前端设备直到NetworkHFC18x8MHz slots边缘QAM设备全面支持IP传输的功能。面对这种网160 channels络发展的趋势，图5是基于IP骨干传输的有线电视40 SlotsLUniversal QAI前端系统。votD.Y06S.SDV从总前端支持IP输出的卫星接收机,支持IP输Depending., 明750MHz人输出的解扰器，支持MPEG2&H.264同时输出的IP图4编码器,多路IP统计复用的IP复用器,到分前端低CentralHeadendrecovery.IDV sLConditionalRreonEchanet JEBRC自日几ENS930| MPSEC-4anMPEC-2 outpourlProtptedSPT OMITS MO redundoneryTT5130multichandescrambler空T12222斤叶DescrmibileIP ouBit Rate| changingnisis 8000End to end IPconnectivity and systemRedundancy图s被引入系统,并且部署到网络的边缘光节点。从而将成本的高密度的IP编码复用器，高度集成的支持光节点下同轴电缆上的带宽分配变化成图4的结构。VOD DOCSIS .SDV的边缘QAM。这种网络演进的实质上是通过在广电骨干传输总之,在数字电视快速发展的阶段,如果可以实网络引人IP技术将传统的固定连接的网络变化为交现类似于VOD形式的点播数字电视节目的方式,可换结构的网络以增加服务内容和性能。增加服务的性以大大节省网络带宽,为其他的业务提供更多稳定的能和内容意味着具有动态交换能力的设备将越来越宽裕的网络资源。A(上接第54页)tp://w.n.ional.co/o/C31A/.0rl(EB/OL为高标清监视器使用,改变了原有需购置昂贵的国外2李宁.HD-SDI信号的特征及检测方法的提案[]现代电视技术2004(8)产品才能实现高清或标清的监看的状况,即购置具有3黄庆敏,罗键. HDMI接口标准及应用设计U小电视技术,2007(2)标清或高清接口卡的昂贵的SONYJVC等CRT监视刘震,陈易等. HDMI音视频接口原理I现代电视技术204(11)器。而现在价格低廉的LCD显示器(电视机)一般都中国煤化工计I].中国有线电视,2005具备HDMI接口,完全可实现大屏幕监看相关SDI接6戴性MHCN M H G:要领小.电视技术.2000口设备输出的高标清电视节目。参考文献(8)▲57