HDMI信號轉換HD-SDI信號系統(tǒng)

孫　旭,　陳戈珩

(長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春　130012)

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HDMI信號轉換HD-SDI信號系統(tǒng)

孫旭,陳戈珩*

(長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春130012)

詳細介紹了HDMI技術和SDI技術特點及其工作原理，提供了一套HDMI轉高清SDI系統(tǒng)的方案設計。

HDMI；HD-SDI； 信號轉換

0　引　言

高清晰度視頻在視頻領域已經得到廣泛應用，各顯示器生產廠家對視頻清晰度的要求也越來越高，在研發(fā)過程中需要多個串行數(shù)字接口(SerialDigitalInterface，SDI)視頻信號源，而SDI接口視頻源的價格普遍較高，增加了很多開發(fā)成本。

相比SDI接口，生活中高清晰度多媒體接口HDMI使用更加普遍，筆記本電腦和智能電視已經普遍帶有HDMI接口,另外，HDMI還可用于高帶寬數(shù)字內容保護技術[1]。因此，在現(xiàn)代多媒體上設計高清多媒體接口具有重要的意義。

為了滿足不同的使用需求，有時需要在高清SDI信號和HDMI信號之間進行轉換。文中針對HDMI信號向高清SDI信號轉換設計了一套系統(tǒng)方案。

1　HDMI和高清SDI技術

1.1HDMI技術原理

為保證高質量的信號傳輸，HDMI信號在傳送時沒有經過數(shù)/模和模/數(shù)變換，因此信號質量基本沒有損失。由于HDMI電纜可以傳輸音頻和視頻信號，簡化了音頻和視頻設備之間的連接。HDMI在2002年12月9日正式發(fā)布了1.0標準，如今HDMI已發(fā)展到1.4版本[2]。

完整的HDMI系統(tǒng)由發(fā)送設備和接收設備兩部分組成。兩個設備之間通過3個不同的TMDS數(shù)據(jù)信息通道連接，用以傳輸音視頻信號和其他的輔助數(shù)據(jù)，TMDS時鐘通道用以傳輸時鐘信號。

HDMI系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1HDMI系統(tǒng)結構

1.2SDI技術原理

由于串行數(shù)字信號的傳輸速率很高，因此需要對視頻信號進行處理才能用于傳輸。用擾碼的不歸零倒置(NRZI)進行編碼，標準為EBU-Tech-3267和SMPTE-259M，對原始數(shù)據(jù)信號進行擾頻，變換為NRZI碼再進行傳送。接收端在解碼時首先要恢復時鐘信號，串行接口的時鐘恢復只能用信號本身的跳變來產生。在接收端采取對極性的變換響應達到提取時鐘信息和解碼的目的[3]。

SDI系統(tǒng)由接收和發(fā)送兩部分組成。在SDI發(fā)送端，并行數(shù)據(jù)進入串行器轉變?yōu)榇袛?shù)據(jù)，然后送入時鐘倍頻單元中，對時鐘倍頻這樣就能適應串行發(fā)送的時鐘。為了使SDI系統(tǒng)的電氣規(guī)范滿足行業(yè)標準，采用電纜驅動器來驅動75Ω的同軸電纜。電纜均衡電路對視頻信號在長距離信號傳輸過程中出現(xiàn)的損耗進行補償，信號通過時鐘恢復單元，將信號中的高頻抖動移除。SDI解串器將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)送出。

SDI收發(fā)系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2SDI收發(fā)系統(tǒng)結構

2　硬件設計方案

2.1方案選擇

將HDMI信號轉換為高清SDI信號，一種方案是使用DSP芯片或者可編程邏輯器件FPGA來接收HDMI信號，在芯片內部通過程序對HDMI信號解碼，封裝為高清SDI信號。此方案的優(yōu)點在于硬件設計方面相對簡單，所用芯片較少，通過軟件調試基本可以解決在調試中出現(xiàn)的問題，修改思路比較清晰。然而HD-SDI接口傳輸?shù)氖歉咚俅行盘?，在傳? 080P規(guī)格的全高清信號時，速度達到近3Gbps。視頻信號的同步采用SAV(StartofActiveVideo)、EAV(EndofActiveVideo)數(shù)據(jù)的隱藏同步信號，在如此高速率下去提取同步信號和視頻數(shù)據(jù)信號難度較大。在巨大的傳輸規(guī)格差異和高速率的條件下進行信號轉換十分困難，因此，我們放棄了此方案。另一種方案是使用支持高清SDI以及HDMI的專用芯片來進行信號的解碼和編碼，其優(yōu)點在于采用專用芯片進行信號的編解碼，準確性較高，處理速度快。單片機的軟件設計不需要進行解碼、封裝等具體的功能實現(xiàn)，只需要負責整體系統(tǒng)的控制。這樣，軟件部分設計的簡化有助于研發(fā)周期的縮短。因此，我們選擇了第二種方案。

2.2芯片選擇

HDMI信號轉高清SDI信號：本設計選擇了Sil9135芯片，負責對HDMI信號接收解碼。Sil9135芯片來自SiliconImage公司，支持HDMI1.3格式標準，出色的視頻表現(xiàn)足以在高清晰度電視下支持最高36bit色深最高1 080P分辨率的視頻，而且提供IIS,S/PDIF等多種音頻格式的輸出，IIC接口控制芯片，有較強的兼容性[4];選擇GS2972芯片作為HD-SDI編碼驅動芯片，GS2972由GENNUM公司生產，支持最高可達3Gbps的串行傳輸速率(對應1 080P視頻分辨率)、控制方式采用GSPI接口控制與電平控制相結合的方法;本設計選擇C8051F020單片機作為主控芯片，對性能的要求不是太高，且擁有相對大容量的片載Flash，足夠裝載控制程序。

2.3系統(tǒng)框圖

HDMI信號轉換高清SDI信號的系統(tǒng)方案設計:HDMI信號送入HDMI解碼芯片Sil9135，將信號解碼為符合EIA-CEA-86I格式視頻信號和IIS格式的音頻信號。將以上信號送到SDI編碼芯片GS2972中，將其轉化為標準的高清SDI信號送出。主控芯片單片機C8051F020負責編解碼芯片Sil9135和GS2972的控制和狀態(tài)監(jiān)測。具體的信號流程如圖3所示。

圖3信號流程圖

2.4電源設計

本設計中系統(tǒng)所需要的工作電壓有:HDMI接口及HDMI接口芯片工作電壓5V，HDMI解碼芯片、SDI編碼芯片I/O口以及MCU核心和I/O口工作電壓3.3V;SDI編碼芯片核心/鎖相環(huán)工作電壓1.2V;HDMI解碼芯片核心/鎖相環(huán)工作電壓1.8V。

根據(jù)各芯片的資料描述，各電壓對應的電流都在300mA內。另外，考慮到本設計的轉換系統(tǒng)其信號頻率較高，電源部分的設計至關重要，既要考慮穩(wěn)定性，又要考慮到電源噪聲對高頻信號的干擾。綜合各方面的考慮，本系統(tǒng)供電電壓采用較為常用的12V電源，各電壓的產生可選用AP1538及AP1117電源芯片，原理圖設計如圖4所示。

圖4　電源設計原理圖

2.5系統(tǒng)復位設計

復位系統(tǒng)的作用就是讓整個系統(tǒng)恢復到初始的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)的復位設計原理圖如圖5所示。

2.6ESD部分設計

ESD(Electro-Staticdischarge)直接翻譯為“靜電釋放”。靜電是靜止不動的電荷，通過電子或離子的轉移形成的，存在于物體的表面。在日常生活中，靜電放電現(xiàn)象無處不在，帶有靜電的人接觸了靜電敏感電子元件，就有可能發(fā)生靜電故障。因此ESD所產生的效應是負面的，它會造成電子系統(tǒng)永久性破壞[5]。在本系統(tǒng)中,ESD部分的設計也十分重要。HDMI系列采用IP4777CZ3解決方案，擁有EMI去耦技術確保用戶能夠驅動長DDC數(shù)據(jù)線，以及DDC緩沖技術。IP4778CZ38可廣泛地應用在HDMI接口設備中，主要優(yōu)點是：符合HDMI標準低電容的ESD保護二極管；符合HDMI接口的封裝規(guī)格；操作簡單的板級ESD保護；可斜率加速用以驅動長電纜。

設計中采用了IP4777CZ38典型的設計方案，設計原理如圖6所示。

圖5復位設計原理圖

圖6　ESD設計原理圖

2.7DDC部分設計

在HDMI轉SDI系統(tǒng)中，使用的是HDMI接收、解碼模塊。首先要保證的是時鐘通道Clock、Channel0、Channel1、Channel2這四路信號走線長度保持相同，并且要盡量縮短這個長度。為了儲存EDID信息供前端HDMI發(fā)送設備讀取，在DDC通道上需要連接一個存儲器。一般DDC通道信號格式為IIC格式，EDID信息的標準大小為256Byte[6]。所以，在設計中EDID信息的存儲器選用了256Byte的EEPROM芯片。

3　軟件設計

3.1MCU的配置

MCU需要實現(xiàn)的基本功能有:時鐘，計時定時器，對EEPROM的寫入IIC接口，對HDMI功能驅動芯片控制通信的IIC接口，對HD-SDI功能驅動芯片通信的GSPI接口，為方便整個軟件調試使用的UART串口[7]。

3.2HDMI接收芯片的Sil9135的程序結構

Sil9135芯片的程序設計分為芯片初始化、視頻的接收處理、視頻配置、音頻配置，各部分的功能實現(xiàn)流程如圖7所示。

(a) Sil9135視頻接收流程

(c) Sil9135音頻接收流程

(d)　Sil9135音頻配置流程

3.3HD-SDI發(fā)送芯片GS2972的初始化和配置

在HDMI接收并配置完合適的輸出之后，MCU開始對輸出驅動芯片GS2972進行硬件重啟，配置初始化電平。GS2972負責對前端送來的音視頻信號進行合適的配置輸出。

4　結　語

設計的系統(tǒng)支持目前市場上普及較廣的分辨率高達1 080P的視頻信號轉換，可滿足大部分研發(fā)及家庭的需要。支持熱插拔及靜電保護功能，信號分辨率自適應功能。此外，本轉換系統(tǒng)的理論功率小于1W,功耗非常低。

隨著數(shù)字多媒體技術的快速發(fā)展，高清視頻信號會進一步普及，最近4K電視已經擁有一定的市場。作為多媒體技術發(fā)展而產生的SDI接口以及HDMI接口，隨著帶寬速度的提升會面臨新的技術挑戰(zhàn)[8]。

[1]周咸春，梁維銘.HDMI與HDCP技術分析及應用[J].中國科技信息,2007,11(12):68-72.

[2]黃慶敏，羅建.HDMI接口標準及應用設計[J].電視技術，2007,31(2)：31-34.

[3]李洪強，苗長云.高清晰度視頻SDI卡的設計[J].電子器件，2007(3),1014-1017,1020.

[4]PhilipsSemiconductors.TheI2Sbusspecification[M]. [S.l.]:Version5,1999:1-9.

[5]薛同澤，沙占友，崔博.人體靜電放電ESD及保護電路的設計[J].微計算機信息，2007,14(5),85-89.

[6]陳建英.EDID在HDMI高清設備中的應用[J].電子產品世界，2008(1)：114-116.

[7]張艷敏.樓宇可視對講鍵的研究與設計[D].長春：長春工業(yè)大學，2007：71-73.

[8]王明臣，姜秀華，張永輝.數(shù)字電視與高清晰度電視[M].北京:中國廣播電視出版社,2003.

HDMI and HD-SDI signal transformation system

SUN Xu,CHEN Geheng*

(School of Computer Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

HerewediscussHDMIandSDItechniquesandoperationprinciple,andprovideasystemdesignofHDMIandhigh-resolutionSDIsignaltransform.

HDMI；HD-SDI；signaltransformation.

2016-01-17

國家科技支撐計劃基金項目(2007BAQ0097)

孫旭(1976-)，男，漢族，吉林安圖人，長春工業(yè)大學碩士研究生，主要從事數(shù)字信號處理方向研究,E-mail:chengeheng@ccut.edu.cn. *通訊作者：陳戈珩(1961-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學教授，博士，主要從事數(shù)字信號處理方向研究,E-mail:chengeheng@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.4.09

TN919

A

1674-1374(2016)04-0356-07