基于FPGA的DVI/HDMI接口實現(xiàn)方案

　　在消費市場上，平板顯示技術(shù)的增長有助于統(tǒng)一接口選擇和降低成本。盡管首個高清晰度顯示器使用了模擬分量視頻接口（YCrCb），數(shù)字技術(shù)，諸如數(shù)字視頻接口（DVI）和高清晰度多媒體接口（HDMI）已經(jīng)取代了大多數(shù)模擬接口。庭影院市場爆炸式的增長需要更新DVI標準。然而，需要一個龐大連接器的DVI接口限制了對數(shù)字版權(quán)管理（DRM）的支持，且缺少對單聲道或多聲道音頻的支持。為滿足演變的HDMI標準要求，它使用相同的如DVI這樣的基本信號傳輸，支持較小的連接器，以及更大帶寬（1080p分辨率）、DRM和8個通道的多格式音頻。

　　基于在平板領(lǐng)域中占主導地位的DVI和HDMI協(xié)議，原始設(shè)備制造商正在越來越多地追求他們自己的集成一種或兩種技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)。

　　DVI 和 HDMI標準

　　HDMI規(guī)范可以傳輸和接收未壓縮的數(shù)字流的音頻/視頻標準。它可以將視頻和多聲道音頻組合至單一的數(shù)字連接，節(jié)省了多條線路連接及相關(guān)成本。對于沒有音頻要求的1080i分辨率顯示，HDMI信號傳輸與DVI是向下兼容的。

　　DVI和HDMI是基于稱為最小化傳輸差分信號（TMDS）的信號傳輸技術(shù) . TMDS也有類似CML的物理信號傳輸電平（電流模式邏輯）。圖1給出了簡化的HDMI鏈路框圖。

　　HDMI接口是一種帶有三個TMDS通道的屏蔽電纜。默認配置是RGB ,每個通道傳送一種顏色。與DVI不同， HDMI支持亮度及色度的分量（YCbCr 4:4:4和4:2:2），并通過3個T M D S鏈路，支持多達8個音頻通道。分開的對線以1/10X TMDS比特率傳送一個同步時鐘，另外的線提供了一個低速的顯示特性，支持從顯示器到源端的通信（EDID）。另外，HDMI還集成了輔助控制功能，如熱插拔檢測和針對EDID接口的電源和地。HDMI共有29個連接。接收器恢復信號的功能限制了電纜的長度。

　　HDMI鏈路有三種工作周期：視頻數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)隔離周期和控制周期。它在視頻數(shù)據(jù)周期傳送有效的視頻，在數(shù)據(jù)隔離周期傳輸音頻和輔助數(shù)據(jù)，傳輸時使用了一系列的數(shù)據(jù)包。在任何視頻或數(shù)據(jù)周期之間，需要有控制周期。每個視頻數(shù)據(jù)周期開始時，有一個緊隨護帶的前同步信號，針對從控制周期到視頻周期的過渡，提供了非常穩(wěn)定的指示。前同步是8個連續(xù)的預定義字符（10'b1101010100 , 10'b0010101011 , 10'b0101010100 ,和10'b1010101011），護帶是針對每個通道的2個連續(xù)的獨特字符（通道1 : 10b1011001100 ;通道2 : 10b0100110011 ;通道3 : 10b1011001100）。

　　使用DVI/HDMI實現(xiàn)系統(tǒng)

　　DVI和HDMI的發(fā)送和接收接口通常用ASSP來實現(xiàn)。本文提出了一種采用FPGA的替代解決方案。采用FPGA實現(xiàn)DVI/HDMI接口具有以下優(yōu)點：

　?。?）FPGA技術(shù)使得設(shè)計人員可以將ASSP串行/解串器（SERDES）與后端定制的特殊設(shè)計功能集成在一起，以節(jié)省電路板面積。

　　（2）通過盡可能少地使用元器件、降低成本和功耗來增加設(shè)計的可靠性。

　　（3）讓設(shè)計者利用最新的技術(shù)，受益于先進的工藝技術(shù)。該標準在1999年批準后不久，開發(fā)了大量的離散DVI接口器件。由于這種制造技術(shù)是成熟的（主要是0.18微米），因此更加昂貴。

　　（4） FPGA擁有寬的溫度選擇范圍，具有針對工業(yè)和汽車的產(chǎn)品，而大多數(shù)離散的DVI和HDMI接口器件是專為消費市場而設(shè)計，往往只能在商業(yè)溫度范圍內(nèi)工作。因此，對于在工業(yè)和汽車應用方面的嵌入式設(shè)計，這可能會是一個問題。

　?。?）FPGA設(shè)計是可移植的，使人們關(guān)注的產(chǎn)品使用壽命得到最大限度延長。大多數(shù)DVI器件是針對基于PC的應用，通常這些接口適合進一步集成至其他的ASSP.這種情況發(fā)生時，這些分立器件或許不再可用，因為制造商可能只愿意為個人電腦市場提供服務(wù)。

　　所有這些因素使得FPGA解決方案更具有吸引力，而且這也是最前沿的技術(shù)。FPGA已被證明是一種有效的解決方案，它能夠集成多種功能、縮短產(chǎn)品的上市時間并降低總的成本。此外，F(xiàn)PGA通常有很寬的溫度范圍，并有很長的產(chǎn)品生命周期。

　　針對ECP2M和ECP3器件系列，萊迪思（Lattice）半導體公司最近推出了DVI/HDMI接口的參考設(shè)計。萊迪思半導體公司的ECP2M和ECP3系列是集成了SERDES的低功耗、低成本FPGA,擁有很寬的溫度范圍。這些器件具有高達16個通道的SERDES,可處理250Mbps~3.125Gbs的數(shù)據(jù)速率，且無過采樣情況。DVI/HDMI是ECP2M和ECP3系列支持的模式之一，能夠?qū)崿F(xiàn)這個設(shè)計是因為萊迪思已對T M D S信號傳輸構(gòu)建了一個獨特的接口。在DVI/HDMI電纜中， T M D S信號是有一個外部時鐘的源同步信號。萊迪思已開發(fā)出一種技術(shù)，利用ECP2M或ECP3中內(nèi)置的SERDES恢復并產(chǎn)生針對T M D S的合適的數(shù)據(jù)和格式。這種實現(xiàn)是可能的，因為內(nèi)置的SERDES有250Mb/s到3.2Gbp/s的寬動態(tài)范圍。

　　萊迪思的DVI/HDMI參考設(shè)計集成了發(fā)送和接收功能，使得用單芯片解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)一些有趣的應用程序。例如，可以針對設(shè)計使用傳輸方向，從原來的7:1 LVDS顯示驅(qū)動器轉(zhuǎn)換至DVI.在接收端，用接收到的HDMI數(shù)據(jù)實現(xiàn)一個HDMI擴展器，然后將它格式化并通過另一種接口（如光纖或CAT5）送出。另一種應用是HD-SDI到DVI的轉(zhuǎn)換，或反之亦然。針對圖形疊加、畫中畫和分屏應用，HDCP協(xié)議的許可證可以進一步處理和管理音頻和視頻數(shù)據(jù)流。

　　基于ECP2M的接收功能實現(xiàn)

　　DVI/HDMI參考設(shè)計有發(fā)送和接收功能。在接收端，ECP2M利用內(nèi)置模塊SERDES恢復T M D S信號，通過SERDES內(nèi)的時鐘和數(shù)據(jù)恢復（CDR）電路完成這個處理。CDR電路將每個串行的T M D S通道轉(zhuǎn)換至10位，并將具有同步時鐘的數(shù)據(jù)傳送至FPGA接口，然后在FPGA中進行數(shù)據(jù)處理達到同步。這要求有三個級別的同步，分別是在本文中稱為“字節(jié)對齊”的10位同步、通道調(diào)整、多通道對齊。文章的后面討論這些步驟。接下來是自動檢測正在運行的數(shù)據(jù)流的分辨率（480p、720p、1080p或1080i），并調(diào)整物理編碼子層（PCS）參數(shù)。當在這些分辨率之間動態(tài)切換時，應保證優(yōu)化運行。針對發(fā)送端，沒有必要進行字節(jié)和通道對齊。10位模式的PCS是用來使數(shù)據(jù)串行化，并與液晶顯示屏通信。