HDMI前端設計與實現(xiàn)

摘要：隨著高清影音時代的到來，新的高清多媒體接口技術也漸趨成熟。本文研究了高清多媒體接口的編碼和解碼功能，并采用硬件描述語言實現(xiàn)高清多媒體接口規(guī)范定義的編解碼功能。首先對高清多媒體接口的整體信道傳輸過程進行了分析和分解，并闡述了三個數(shù)據(jù)周期傳輸時間及其解碼方式的不同。在此基礎上對編解碼功能進行了模塊劃分，采用分層及模塊復用至頂向下的設計方法。最后通過NC—Verilog仿真工具仿真驗證代碼功能的正確性。

關鍵詞：高清多媒體接口;編碼;解碼;至頂向下;仿真

0 引言

數(shù)字影音技術發(fā)展日新月異，多媒體視聽領域正在進行著一場革命，隨著生活水平的提高，普通影音己不能滿足人們的需求，追求高清晰畫質(zhì)，立體感音質(zhì)，已經(jīng)成為新一代人追求時尚的一種詮釋。

在過去相當長的一段時間，CRT(Cathode Ray Tube)為代表的模擬顯示設備主導了整個顯示設備市場。隨著高清視頻格式(720p/1080i/1080p)的確定，液晶電視、等離子電視等大尺寸數(shù)字化平板顯示設備的發(fā)明和普及，傳統(tǒng)模擬接口易受電磁干擾、傳輸速率低、帶寬小、傳輸損耗大等缺點已經(jīng)不能滿足海量數(shù)據(jù)流傳輸?shù)刃枨?同時，影視等行業(yè)對版權意識越來越重視，數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用茏兊糜l(fā)重要，傳輸更快更安全的全數(shù)字化接口代替模擬接口成為必然趨勢。于是第一個行業(yè)支持的、無壓縮的、全數(shù)字的音視頻接口 —HDMI誕生了。

HDMI的全稱是“High Definition Multimedia Interface高清多媒體接口”。2002年4月，來自電子電器行業(yè)的7家公司——日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜、東芝共同組建了HDMI高清多媒體接口組織HDMI founders(HDMI論壇)，HDMI founders在2002年12月9號正式發(fā)布HDMI1.0版標準，標志著HDMI技術正式進入歷史舞臺。隨著HDMI標準本身的發(fā)展，1.3a版本和2.0等后續(xù)版本也陸續(xù)推出，不僅性能更加強大，兼容性也更加出色。

在HDMI標準制定之初，繼承了DVI標準中相對成熟且較容易實現(xiàn)的部分技術標準。整個傳輸原理依然是基于Silicon Image公司的TMDS(Transition Minimized Differential Sienaling)編碼技術。

HDMI具有體積小、抗干擾強、兼容性好、智能連接、單線纜同時傳輸無壓縮音視頻等優(yōu)勢。因此，它已被廣泛地應用到DVD、機頂盒等設備中，HDMI正在成為高清時代普及率最高、用途最廣泛的數(shù)字接口。

1 HDMI概述

HDMI系統(tǒng)架構由信源端和接收端組成。如圖1所示，HDMI提供四個獨立的TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)通信通道：三個數(shù)據(jù)信道和一個時鐘信道，這些信道主要用于傳遞視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)。另外，HDMI提供一個VESADDC(Video Electronics Standards Association)(Display Data Channel)信道。DDC是用于配置和在一個單獨的信源端和一個單獨的接收端交換狀態(tài)，讀取接收端的E-EDID數(shù)據(jù)結構。CEC(Consumer Electronics Control)是一個可選信道，可選擇在用戶的各種不同的音視頻產(chǎn)品中，為高端用戶提供高水平的控制功能?？蛇x擇的HDMI以太網(wǎng)和音頻返回(HEAC)，在連接的設備中提供以太網(wǎng)兼容的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和一個和TMDS相對方向的音頻返回信道。

音頻，視頻和輔助數(shù)據(jù)都是在三個TMDS數(shù)據(jù)信道中相互交錯傳輸。TMDS時鐘，即視頻像素速率傳輸時鐘，在TMDS時鐘信道中傳輸，它被接收端三個 TMDS信道作為一個頻率參考，用于對三個TMDS數(shù)據(jù)信道的數(shù)據(jù)復原。在信源端，TMDS編碼將每個TMDS數(shù)據(jù)的8bits數(shù)據(jù)轉換成10bits的 DC-balanced數(shù)據(jù)，10bits的DC-balanced數(shù)據(jù)將以每個TMDS時鐘周期串行地在差分線對上進行傳輸。

視頻數(shù)據(jù)像素時鐘的TMDS時鐘上傳遞默認值為24位色深，視頻數(shù)據(jù)還兼容30，36，48位像素的數(shù)據(jù)。更高的色深使用需要相應的更高的TMDS時鐘率。視頻格式TMDS時鐘率低于25M可以運用像素復用發(fā)送的策略來進行傳輸。視頻像素支持多種編碼格式，可以是 RGB，YCbCr4：4：4，YCbCr4：2：2格式編碼。

TMDS信道傳輸音頻和輔助數(shù)據(jù)中，HDMI的信源端需要采取用包的格式來保證傳輸。為了保證音頻和控制信號的高保真度，音頻和輔助數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)需要BCH糾錯碼的編碼方式，且采取了一種10bits減少錯誤編碼的特殊編碼方式。基本的音頻傳輸功能幾乎包括所有的普通的立體聲音頻，在采樣頻率分別為 32KHz，44.1KHz和48KHz情況下的IEC60958L—PCM音頻流。HDMI還可以傳輸采樣頻率高達192KHz，采用3到8個音頻通道的音頻流。HDMI同樣可以傳輸采樣頻率高達24.576MHz的IEC61937壓縮音頻。HDMI同樣可以傳輸2—8通道的OneBit音頻或者是一種被稱為DST的壓縮的One Bit音頻。

2 HDMI編碼設計

本設計是基于HDMI 1.4版本的編解碼設計。主要分為兩個大模塊設計，即HDMI TX編碼模塊和HDMI RX解碼模塊。TX編碼模塊主要實現(xiàn)把視頻、音頻數(shù)據(jù)通過編碼傳輸給Rx解碼模塊。RX解碼模塊主要把視頻、音頻數(shù)據(jù)解碼后傳輸給外置設備。

如圖2所示，HDMI有三種處理數(shù)據(jù)的操作模式：視頻數(shù)據(jù)周期，數(shù)據(jù)島周期，控制周期。在視頻數(shù)據(jù)周期，傳輸每一個有效的視頻像素行。在數(shù)據(jù)島周期中，音頻和輔助數(shù)據(jù)使用一系列數(shù)據(jù)包來傳輸。在音頻和視頻周期的兩個非控制周期之間要插入控制周期。

視頻數(shù)據(jù)周期采用最小化差分傳輸編碼(TMDS)的編碼方式，對每個8bits傳輸信道進行編碼，三個傳輸信道共24bits數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)島周期采用TMDS糾錯編碼(TERC4)的編碼方式，每個4bits傳輸信道進行編碼，三個傳輸信道共12bits數(shù)據(jù)。

控制周期采用最大化傳輸編碼的編碼方式，對每個2bits傳輸信道進行編碼，三個傳輸信道共6bits。這6bits數(shù)據(jù)包括HSYNC、VSYNC、CTL0、CTL1、CTL2、CTL3。在每個控制周期的末尾有一個報文頭，使用CTLx bits數(shù)據(jù)組成的preamble，指示下一個數(shù)據(jù)周期是視頻周期還是數(shù)據(jù)島周期。

每一個數(shù)據(jù)島周期起始于前導保護帶(Leading Guard Band)，結束于后置保護帶(Training Guard Band);而視頻數(shù)據(jù)周期只始于前導保護帶，沒有后置保護帶。保護邊界兩個特殊字符組成，設計目標是提供從控制周期到數(shù)據(jù)周期或從數(shù)據(jù)周期向控制周期轉化的魯棒決策。

下表2.3展示在數(shù)據(jù)傳輸中每種操作模式的編碼類型。

2. 1 編碼器TX模塊

TX(信源端)發(fā)射模塊，包括時鐘模塊(由Timing和Timing_dly兩個模塊組成)、以及編碼模塊。時鐘模塊主要為視頻音頻交錯相傳產(chǎn)生時鐘，編碼模塊實現(xiàn)對視頻音頻數(shù)據(jù)編碼傳輸。

2. 1.1 時鐘模塊

(1)Timing模塊

Timing模塊是HDMI編碼器的基礎，它產(chǎn)生720*480p、1280*720p、1920*1080i等視頻格式的行信號hsync_pr、場信號vsync_pr、行無效信號hblnk_pr和場無效信號vblnk_pr。如圖2所示，hsync_pr、vsync_pr分別為HSYNC、 VSYNC;hblnk_pr為每行前138 pixels置高位，vblnk_pr為每幀前42行和后3行共45行置高位(注：具體定義以CEA-861-D中規(guī)定的720*480p的標準視頻格式為準)。

(2)Timing_dly模塊

Timing_dly模塊是HDMI高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵?，按照TMDS通道的視頻音頻交錯傳輸數(shù)據(jù)要求，分配視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，以及控制數(shù)據(jù)的傳輸時間周期，并為編碼模塊提供控制信號。

主要端口定義：

hsync_pr、vsync_pr;行信號和場信號。

aux_rdy：當輸出是“1”，則外部數(shù)據(jù)緩存音頻數(shù)據(jù)準備完畢，可以傳輸音頻數(shù)據(jù);否則，音頻數(shù)據(jù)未完成打包，終止傳輸音頻數(shù)據(jù)。

aux_admit：當輸出是“1”，則傳輸音頻數(shù)據(jù);否則終止接受音頻包數(shù)據(jù)。

ade、vde：分別表示傳輸音、視頻數(shù)據(jù)標志位，為高時表示進入數(shù)據(jù)島或視頻數(shù)據(jù)周期。

2.1.2 encoder模塊

timing模塊采用TMDS編碼、TERC4編碼和最大化傳輸編碼三種編碼形式，對視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)包和輔助數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)編碼傳輸。

視頻像素數(shù)據(jù)的編碼可分為兩個階段：第一個階段是輸入音頻的8bits像素數(shù)據(jù)轉換成9bits數(shù)據(jù);第二階段是把9bit數(shù)據(jù)轉換成TMDS傳輸10bits。

實現(xiàn)的TMDS編碼算法如圖5所示。

D：輸入8 bits視頻數(shù)據(jù)。

cnt：計算編碼數(shù)據(jù)中0和1個數(shù)的差值。若cnt為正值表示發(fā)送1的數(shù)量超過0的數(shù)量，負值則表示發(fā)送0的數(shù)量多于1的數(shù)量。cnt{t-1}表示相對于輸入數(shù)據(jù)的前一個周期的cnt的值，cnt{t}表示本周期的值。

q_m：第一階段的9 bits輸出數(shù)據(jù)。

q_out：第二階段的10 bits輸出數(shù)據(jù)，即編碼器輸出值。

N1{x}：這個操作符返回參數(shù)x中的1的個數(shù)。

N0{x}：這個操作符返回參數(shù)x中的0的個數(shù)部分核心代碼如下：

2.2 解碼器RX模塊

解碼器模塊較容易實現(xiàn)，只需依據(jù)preamble控制位判斷接下來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，即音頻或視頻數(shù)據(jù)，然后解碼即可。解碼同樣分兩個階段，如圖5所示，第一階段由10bits數(shù)據(jù)轉為9bits數(shù)據(jù)，第二階段由9bits數(shù)據(jù)轉為8bits數(shù)據(jù)。

圖6 TMDS解碼原理

3 HDMI功能仿真驗證

在HDMI功能驗證采用分層驗證法，根據(jù)Spec1.4的編碼解碼的要求，制定驗證計劃，設計各種激勵，實現(xiàn)近百分之百的覆蓋率。本文運用的工具是Cadence NC—Verilog，文中介紹部分驗證計劃，以及驗證的結果。

3.1 時鐘模塊的功能仿真驗證

按Spec1.4要求，給定仿真必需激勵信號，仿真數(shù)據(jù)島周期及視頻數(shù)據(jù)周期的每個像素時鐘的功能分布是否符合Spec1.4的要求。比如驗證ctl[3：0]的正確性，如圖4所示，在3個blanking、8個preamble、2個leading guard band的時鐘周期之后，進入下一個狀態(tài)，ctl[3：0]的值與狀態(tài)所表示的值對比便可驗證。

在驗證數(shù)據(jù)島周期：在ade_pr置高位后，經(jīng)過4個blanking+8個preamble+2個leading guard band。packet傳輸結束后置低位。ade置高位進入data island period，再經(jīng)過2個leading guard band+N個32位的packets+trialing guard band。trialing guard band后置低位。在8個preamble時，ctl[3：0]=4’b0101。

在驗證視頻數(shù)據(jù)周期時：vde_pr置高位后，經(jīng)過4個blanking+8個preamble+2個leading guard band。video data傳輸結束后置低位。vde置高位進入video data period，再經(jīng)過2個leading guard band+active video pixels。video data傳輸完后置低位。在8個preamble時，ctl[3：0]=4’b0001。

圖7數(shù)據(jù)島周期和視頻數(shù)據(jù)周期仿真圖

3.2 HDMI模塊仿真

把時鐘模塊和encoder模塊整合成TX模塊，其中encoder模塊分別實例為Encdr、Encdg、Encdb三個信道的編碼模塊。將TX和RX模塊，即hdmi_encoder和hdmi_decoder，組合在一起仿真。

如圖8所示，輸入的音頻、視頻數(shù)據(jù)用random函數(shù)隨機產(chǎn)生，且在固定的時間周期輸入，將輸出與輸入對比，得出HDMI整個編解碼模塊是否正確。

如圖9所示，第一組為7bits視頻數(shù)據(jù)輸入，第二組為編碼后的10bits視頻數(shù)據(jù)輸出，第三組為解碼后的7bits視頻數(shù)據(jù)輸出。視頻數(shù)據(jù)編碼需要三個時鐘，解碼需要兩個時鐘，所以每間隔五個時鐘輸入7bits數(shù)據(jù)等于輸出的7bits數(shù)據(jù)，即從編碼到解碼一共需要五個時鐘。

4 結論

進入21世紀，在帶寬、音頻、傳輸安全等方面具有優(yōu)越性的HDMI的出現(xiàn)，滿足了數(shù)字高清時代海量數(shù)據(jù)流傳輸?shù)男枨?。本設計運用 verilog HDL實現(xiàn)HDMI編碼及解碼功能，通過寫仿真測試激勵及運用NC—Verilog工具仿真代碼邏輯的正確性。從子模塊、模塊、系統(tǒng)仿真驗證自底向上的方法來進行，最終根據(jù)仿真驗證結果確認實現(xiàn)編解碼功能。非常感謝芯珠微電子林泉工程師及梁文鋒、黎偉蓮、洪傳練、楊家昌等同事的幫助，本設計的不足之處將在后續(xù)工作中改進。