《電子技術應用》
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輕松使用HDMI:HDMI-VGA和VGA-HDMI轉換器

2013-05-23
作者:Witold Kaczurba,Brett Li

 

在消費電子市場,,電視、投影儀和其它多媒體設備紛紛采用高清多媒體接口(HDMI®)技術,,使得HDMI成為全球公認的接口,。相信不久之后,所有多媒體設備都需要配備該接口,。HDMI接口在家庭娛樂中已經(jīng)廣為流行,,近來在便攜式設備和汽車信息娛樂系統(tǒng)中,,它也日漸風行,。

實現(xiàn)標準化多媒體接口是競爭高度激烈的消費電子市場的必然要求,上市時間對于該市場而言至關重要,。除了提高市場認可度以外,,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(shù)字視頻過渡所需的時間比消費電子市場要長,,許多設備尚未采用新的數(shù)字方法來發(fā)送合成音視頻數(shù)據(jù),。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或應用有特定要求,。例如,,對于投影儀,,有些客戶仍然偏好使用視頻圖形陣列(VGA)電纜,,而其它一些客戶則使用音頻/視頻接收器(AVR)或媒體盒作為集線器,,將一條HDMI電纜連接到電視,,而不是一組凌亂且不美觀的電纜,,如圖1所示,。

 

1

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)過驗證的軟件驅動器,、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能夠正常工作,。這似乎有點難以把握,遇到新技術時常常會發(fā)生這種情況,。

然而,,先進的半導體技術正在解決這些難題,模擬域和數(shù)字域均實現(xiàn)了改進,,包括通過更高性能的模塊來均衡較差的差分信號,,以及利用更復雜的算法來減少軟件開銷和糾正位錯誤。

本文說明先進的半導體解決方案和靈巧的軟件如何幫助實現(xiàn)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單的模擬視頻與數(shù)字視頻相互轉換的方法,。

雖然HDMI已成為事實上的高清視頻接口,但VGA仍是筆記本電腦上最常用的接口,。本文還會說明如何使這兩種接口互連,。

HDMI應用和視頻標準簡介
HDMI接口利用最小差分傳輸信號(TMDS)線傳輸包形式的視頻、音頻和數(shù)據(jù),。除了這些多媒體信號以外,,接口還包括顯示器數(shù)據(jù)通道(DDC)信號,用于交換擴展顯示識別數(shù)據(jù)(EDID)和高帶寬數(shù)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(shù)據(jù)包括一個128字節(jié)(VESA—視頻設備標準協(xié)會)或256字節(jié)(CEA-861—消費電子協(xié)會)數(shù)據(jù)模塊,用于說明視頻接收器(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DDC線從視頻接收器讀取,。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(jié)可以由VGA和HDMI共享,。根據(jù)ADI公司HDMI兼容性測試(CT)實驗室的經(jīng)驗,EDID的前128字節(jié)更容易出錯,,因為一些工程師不熟悉HDMI規(guī)范的嚴格要求,,而且大多數(shù)文章都是側重于EDID擴展模塊。

表1顯示了EDID前128個字節(jié)中容易出錯的部分,。有關EDID前128個字節(jié)之后的CEA擴展模塊設計的詳細信息,,請參閱CEA-861規(guī)范。

表1. EDID簡介

 

地址

字節(jié)

描述

注釋

00h

8

表頭: (00 FF FF FF FF FF FF 00)h

必須有的固定模塊表頭

08h

10

供應商和產(chǎn)品標識

 

08h

2

ID制造商名稱

Microsoft®發(fā)布的三個壓縮ASCII字符

12h

2

EDID結構版本和修訂

 

12h

1

版本號:01h

固定

13h

1

修訂編號: 03h

固定

18h

1

功能支持

諸如電源管理和顏色類型之類的功能,。位1應置1,。

36h

72

18字節(jié)數(shù)據(jù)模塊

 

36h

18

首選時序模式

表示一種能夠支持產(chǎn)生最佳質量屏幕圖像的時序。對于大多數(shù)平板顯示器,,首選時序模式是平板的原生時序,。

48h

18

詳細時序#2或顯示器描述符

表示詳細時序,也可以用作顯示器描述符,。顯示器描述符應使用兩個字,,一個用作監(jiān)視范圍限值,一個用作監(jiān)視名稱,。詳細時序模塊應在顯示器描述符模塊之前,。

5Ah

18

詳細時序#3或顯示器描述符

6Ch

18

詳細時序#4或顯示器描述符

7Eh

1

擴展模塊數(shù)N

隨后的128字節(jié)EDID擴展模塊的數(shù)量。

7Fh

1

校驗和

此EDID模塊中所有128字節(jié)的1字節(jié)和應等于0,。

80…

 

模塊映射或CEA擴展

 

 

VGA和HDMI的時序格式由上述兩個標準設置組分別定義:VESA和CEA/EIA,。VESA時序格式的定義參見“VESA監(jiān)視時序和協(xié)同視頻時序標準”;HDMI時序格式的定義參見CEA-861,。VESA時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(shù)據(jù)請參閱相應的規(guī)范,。

 

2. 最常用的VESACEA-861標準(p = 逐行,;i = 隔行)

VESA(顯示器監(jiān)視時序)

CEA-861

640 × 350p @ 85 MHz

720 × 576i @ 50 Hz

640 × 400p @ 85 Hz

720 × 576p @ 50/100 Hz

720 × 400p @ 85 Hz

640 × 480p @ 59.94/60 Hz

640 × 480p @ 60/72/75/85 Hz

720 × 480i @ 59.94/60 Hz

800 × 600p @ 56/60/72/75/85 Hz

720 × 480p @ 59.94/60/119.88/120 Hz

1024 × 768i @ 43 Hz

1280 × 720p @ 50/59.94/60/100/119.88/120 Hz

1024 × 768p @ 60/70/75/85 Hz

1920 × 1080i @ 50/59.94/60/100/200 Hz

1152 × 864p @ 75 Hz

1920 × 1080p @ 59.94/60 Hz

1280 × 960p @ 60/85 Hz

1440 × 480p @ 59.94/60 Hz

1280 × 1024p @ 60/75/85 Hz

1440 × 576p @ 50 Hz

1600 × 1200p @ 60/65/70/75/85 Hz

720(1440) × 240p @ 59.94/60 Hz

1920 × 1440p @ 60/75 Hz

720(1440) × 288p @ 50 Hz

 

 

應用和部分要求簡介
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。這是通過提供一個具有適當EDID內容的視頻源來實現(xiàn)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轉換的相應過程,。HDMI2VGA轉換器假設HDMI Rx內置EDID,。

2

圖2. 具有音頻提取功能的HDMI2VGA轉換器

 

3

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線路通道獲取支持的時序列表,,然后視頻源開始發(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)生采樣時鐘,。VGA解碼器將輸入的同步信號與時鐘對齊,。

數(shù)據(jù)使能(DE)信號指示視頻的有效區(qū)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,。

4

圖4. 水平DE生成

 

5

圖5. 垂直DE生成

DE信號對于產(chǎn)生有效HDMI流至關重要。如果沒有DE信號,,可以通過HDMI發(fā)送器(Tx)來補償,,它能重新生成DE信號。現(xiàn)代HDMI發(fā)送器可以利用若干參數(shù)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(shù),。VSYNC延遲定義VSYNC和DE前沿之間的HSYNC脈沖數(shù),。有效寬度表示有效水平像素數(shù),,有效高度表示有效視頻的行數(shù)。DE生成功能也可用于顯示功能,,例如使有效視頻區(qū)域處于屏幕的中央,。

顯示位置調整是VGA輸入的強制要求。數(shù)字化模擬輸入信號的第一個和最后一個像素不得靠近任何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(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)包,,不得違反要求。ADC采樣階段可能會引起這種不對齊現(xiàn)象,。屏幕可視區(qū)域中的黑條可能意味著有效區(qū)域不對齊,。對于復合視頻廣播信號(CVBS),此現(xiàn)象可通過過掃描5%到10%進行校正,。

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

然而,使用定標器解決有效視頻區(qū)域不對齊問題會提高設計成本及相關風險,。例如,,利用定標器和視頻圖案,有效區(qū)域內一個小白框周圍的黑色區(qū)域可能會被視為無用棒而予以消除有效區(qū)域內一個小白框周圍的黑色區(qū)域可能會被視為無用條而予以消除,。黑色區(qū)域消除后,,白框就變?yōu)榧儼咨尘啊A硪环矫?,半白半黑圖像會產(chǎn)生失真,。為了防止此類不當失真,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,,就會向HDMI接收器(如電視等)發(fā)送視頻流。與此同時,,片上音頻器件,,如音頻編解碼器等,也可以通過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HDMI Tx DDC線回讀HDMI接收器的EDID內容,。MCU應將EDID的前128字節(jié)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

更改

原因

EDID 0x14[7]從1變?yōu)?

表示模擬VGA輸入

更改既有時序,、標準時序,、首選時序和詳細時序

超過VGA轉換器和HDMI Tx支持的最大值的時序必須更改為最大時序或較小的時序

0x7E設置為00

無EDID擴展模塊

更改0x7F

校驗和必須根據(jù)以上變更重新計算

 

HDMI2VGA:HDMI2VGA轉換器首先必須向HDMI源提供適當?shù)腅DID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標準,。HDMI Rx一般將EDID內容存儲在內部,,處理熱插拔檢測線(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(shù)據(jù)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(shù)HDMI接收器會自適應接收流,,自動將任何顏色空間(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)過處理并解碼為所需的標準后,,便通過像素總線輸出到視頻DAC和音頻編解碼器,。視頻DAC通常具有RGB像素總線和時鐘輸入,但無同步信號,。HSYNC和VSYNC信號可通過緩沖器輸出到VGA輸出,,最終輸出到監(jiān)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(shù)HDMI接收器在提取音頻標準方面沒有問題,,但進一步處理可能有問題,。根據(jù)后端器件不同,可能優(yōu)先使用簡單標準,,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(guī)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。這可以通過一個經(jīng)由DDC線從VGA顯示器檢索EDID內容的簡單算法來實現(xiàn),?;刈x數(shù)據(jù)應經(jīng)過解析和驗證,確保監(jiān)視器允許的頻率不高于HDMI Rx或視頻DAC支持的頻率(參見表4),。EDID鏡像可以利用一個列出音頻能力的額外CEA模塊進行擴展,,以反映HDMI2VGA轉換器僅支持線性PCM標準的音頻。包含所有模塊的預備EDID數(shù)據(jù)因此可以向HDMI源提供,。向熱插拔檢測線(HDMI線纜的一部分)發(fā)送脈沖后,,HDMI源應從轉換器重新讀取EDID。

可以利用一個簡單的微控制器或CPU來控制整個電路,,讀取VGA EDID并對HDMI Rx和音頻DAC/編解碼器進行編程,。一般不需要控制視頻DAC,因為它沒有I2C或SPI等控制端口,。

4. HDMI2VGA轉換器需要的更改列表

更改

原因

0x14[7]從0變?yōu)?

表示數(shù)字輸入

檢查標準時序信息并視需要更改(字節(jié)0x26至0x35)

超過轉換器和HDMI Rx支持的最大值的時序必須更改為最大時序或較小的時序

檢查DTD(詳細時序描述符)(字節(jié)0x36至0x47)

超過轉換器和HDMI Rx支持的最大值的時序必須更改為最大時序或較小的時序(例如,,更改為640 × 480p)

0x7E設置為1

EDID末尾必須增加一個模塊

更改0x7F

必須重新計算從字節(jié)0到0x7E的校驗和

增加額外CEA-861模塊

 

0x80至0xFF描述音頻

增加CEA-861模塊以指示音頻轉換器的能力

 

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(shù)據(jù),,否則最終用戶將能訪問原始字數(shù)據(jù),。另一方面,如果該電路是較大器件的組成部分,,只要它不允許用戶訪問未加密的視頻流,,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AD9983A,它支持最高UXGA時序和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VGA2HDMI轉換器,。ADV7513還有一個內置DE生成模塊,,因而無需外部FPGA來產(chǎn)生丟失的DE信號。ADV7513也有一個嵌入式EDID處理模塊,,可以自動從HDMI Rx回讀EDID信息,,或者手動強制回讀。

同樣,,構建一個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CSC(與接收的顏色空間無關),以及一個支持亮度/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DAC以任意音量輸出,。該音頻編解碼器的時鐘源可以從ADV7611 MCLK線獲得,,不需要外部晶振,配置只需要執(zhí)行幾次寫操作,。

一個簡單的MCU,,例如內置振蕩器的精密模擬微控制器ADuC7020就能控制整個系統(tǒng),包括EDID處理,、顏色增強和一個帶按鈕,、滾動條、旋鈕的簡單用戶接口,。

圖6和圖7分別顯示VGA2HDMI轉換器的重要部件——視頻數(shù)字化儀(AD9983A)和HDMI Tx (ADV7513)的示例原理圖,。不包括MCU電路。

6

6. AD9983A原理圖

 

 

7

7. ADV7513原理圖

 

結束語
ADI公司的音頻,、視頻和微控制器器件可以實現(xiàn)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,,可以輕松實現(xiàn)采用HDMI技術的應用,。對于應在HDMI中繼器配置中工作的設備,HDMI系統(tǒng)復雜度會提高,,因為這要求處理HDCP協(xié)議和整個HDMI樹,。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現(xiàn)。有關更多信息和原理圖,請參閱ADI公司的中文技術論壇網(wǎng)頁,。

歡迎您在中文技術論壇上的模擬對話社區(qū)對HDMI-VGA轉換發(fā)表評論,。

參考文獻

A DTV Profile for Uncompressed High Speed Digital Interfaces (CEA-861-E)。

顯示器監(jiān)視時序(DMT),、協(xié)同視頻時序(CVT)和增強擴展顯示識別數(shù)據(jù)(E-EDID)標準可從VESA獲得,。

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