（微电子学与固体电子学专业论文）hdmi芯片中的音频信号处理及实现.pdf

摘要 随着高清多媒体时代的到来，在消费者需求的推动下，h d m i 高清多媒体接口 日益普及，应用领域也在不断扩展，值此快速发展的契机下，本文依据最新的h d m i 1 3 a 规范，进行高清多媒体接口芯片的设计。 首先，彻底分析了整个接口的组成以及所采用的t m d s 传输原理，详细讨论 了其工作过程，具体研究了h d m i 中的数据包，从它的定义及结构，各种音频格 式的构成和数据的影射存放，到数据的封包传送，涉及到音频采样时钟的恢复和 重建、音频采样率的要求，并给出了音频数据传递通道模块图。 其次，在对音频数据捕捉模块进行研究分析的基础上，根据1 2 ss p e c i f i c a t i o n s 及i e c6 0 9 5 8 、i e c6 1 9 3 7 标准，利用硬件描述语言v e r i l o gh d l 设计了音频接收 模块，成功实现了对1 2 s 、s p d i f 音频数据的捕获，且用m o d e l s i m 功能仿真工具 进行了仿真分析。 最后，对其中数据岛周期必须用到的纠错编解码模块e c c 进行了研究，分析 并成功的找到了b c h ( 6 4 ，5 6 ) 、b c h ( 3 2 ，2 4 ) 的码源，探究了其规范中给出的生成多 项式g ( x ) ，并找到了其本原多项式，参照达到a b r a m s o n 强界的循环码要求，得出 此码是达到a b r a m s o n 强界的系统循环码a b m m s o n ( 1 2 7 ，1 1 9 ) 经过缩短后形成的， 分别缩短了6 3 位和9 5 位。据此根据a b r a m s o n 码进行捕错译码电路设计，寻找校 正子对应的差错图样，然后进行译码纠正，提出了切实可用的纠错编码电路和译 码电路，并进行了仿真分析，能够正确的实现编码及译码。 关键词：h d m i 音频e c c a b s t r a c t a st h ee r ao fh i g l l d e f i n i t i o nm u l t i m e d i ac o m e s ，d r i v e nb yc o n s u m e rn e e d s ，h d m i ( h i 曲d e f i n i t i o nm u l t i m e d i ai n t e r f a c e ) h a sb e e np o p u l a r i z e dd a yb yd a ya n di t s a p p l i c a t i o nf i e l dg e t se n l a r g e d o nt h eo c c a s i o no ft h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e x t o p p o r t u n i t y , t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h el a t e s th d m i1 3 as p e c i f i c a t i o nc a r r y i n go nt h e h i 曲- d e f i n i t i o nm u l t i m e d i ai n t e r f a c ec h i pd e s i g n f i r s t l y , t h i st h e s i st h o r o u g h l ya n a l y z e dt h et m d st r a n s m i s s i o np r i n c i p l ea sw e l la s t h ec o m p o s i t i o no ft h ee n t i r ei n t e r f a c e ，a n dd i s c u s s e di nd e t a i l st h ec o l l r s eo ft h e i rw o r k , a l s oh a ss p e c i f i c a l l ys t u d i e di nt h eh d m id a t ap a c k e t ，r a n g i n gf r o mi t sd e f i n i t i o na n d s t r u c t u r e ，t h ec o m p o s i t i o no fav a r i e t yo fa u d i of o r m a t sa n dd a t am a p p i n gt os t o r ed a t a p a c k e t s ，r e l a t e d t ot h ea u d i o s a m p l i n gc l o c kr e c o v e r y a n dr e c o n s t r u c t i o n ，a u d i o s a m p l i n gr a t er e q u i r e m e n t s ，a n dh a sg i v e nt h ea u d i od a t at r a n s m i s s i o nc h a n n e lm o d u l e 6 h a r t s e c o n d l y , i nt h ef o u n d a t i o no fr e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h ea u d i od a t ac a p t u r e m o d u l e ，a c c o r d i n gt oi z ss p e c i f i c a t i o n sa n di e c6 0 9 5 8 、t h ei e c6 19 3 7s t a n d a r d s ，t h e t h e s i sd e s i g n st h ea u d i or e c e i v e rm o d u l eu s i n gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o g h d l ，s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t st h e1 2 s 、s p d i fa u d i od a t ac a p t u r e ，a l s oh a sc a r r i e do u t t h es i m u l a t i o na n a l y s i sw i t ht h em o d e l s i mf u n c t i o ns i m u l a t i o nt 0 0 1 f i n a l l y , t h ee r r o rc o r r e c t i o nc o d ew h i c hm u s tb eu s e di nt h ed a t ai s l a n dp e r i o dh a s b e e ns t u d i e d , t h i st h e s i sh a sa n a l y z e da n ds u c c e e d e dt of i n db c h ( 6 4 ，5 6 ) 、b c h ( 3 2 ，2 4 ) c o d es o u r c e ，i n q u i r e di n t oi ni t ss t a n d a r dg e n e r a t i o np o l y n o m i a lg ( x ) ，a n df i n di t s p r i m i t i v ep o l y n o m i a l i nt h el i g h to fc y c l i cc o d ec o n d i t i o n st or e a c ha b r a m s o ns u o n g b o u n d a r y , o b t a i n i n gt h i sc o d ew h i c hi ss t r o n gb o u n d a r ya b r a m s o ns y s t e mc y c l i cc o d e a f t e ra b r a m s o n ( 1 2 7 ，11 9 ) s h o r t e n i n gf o r m a t i o nh a sb e e ns h o r t e db y6 3a n d9 5 s e p a r a t e l y a c c o r d i n gt oa b r a m s o nc a t c he r r o rc o d ed e c o d i n gc i r c u i td e s i g n ，t os e e k f o rt h ee r r o rp a t t e r no fc o r r e s p o n d i n gs y n d r o m ea n dt h e nc a r r i e do nt h ed e c o d i n gt o c o r r e c t ，t h ep a p e rh a sc o m eu pw i t hp r a c t i c a la v a i l a b i l i t yo fe r r o rc o r r e c t i o nc o d i n ga n d d e c o d i n gc i r c u i t ，a n dc a r r i e do u tas i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ec i r c u i ti sa b l et oc o r r e c ta n d a c h i e v ee n c o d i n ga n dd e c o d i n g k e y w o r d s ：h d m i a u d i oe c c 尘：z = i 明明 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任衡贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：垒至叁基整日期五5 1 q i 。主： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属嚣安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阕论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题研发背景及意义 数字影啻技术的发展目新月异，其多媒体视听领域也在进行着一场革命，随 着人们生活水平的提高，渐渐己不满足于已有的普通影音，追求更清的蘧质、更 身临其境的音效，已经成为新一代人的时尚。 随着生活的数字化，这两年不断出现了满足大家需求的数字电视，高清晰数 字电视，邸所谓昀f 、h d t v ，数字电视扶演播室到发射，传输，接收过程中 的所有环节都是使用数字电视信号，高速的数据流传输保证了数字电视的高清晰 度，克服了模拟电视的先天不足。无论在工业生产的第一线，还是家庭休闲娱乐 的时刻，入们都希望熊看到清晰、流畅的影像。丽对于显示设备来说，要想显示 出丰富多彩的高分辨率谪面，除了高质量的信号源，还需要一个高性能的信号传 输、接收装置，即接口设备。 在过去的相当一段时间内，以c r t 为代表的模拟显示设备占握了整个显示设 备中的绝大多数。由于生产工艺的限制，c r t 显示设备酶尺寸普遍较小，分辨率 也不是特别高。同时从信号的数据量来看，也不是特别巨大，因此兼容性强、而 成本低廉的各种模拟接口得到了广泛应用，比如很多人都熟悉的a v 接口、s 端子、 色差端子和v g a 接口。进入2 l 世纪惹，随着液晶电视、等离子电视等大尺寸数 字化平板显示设备的普及，以及高清电视格式( 7 2 0 p 1 0 8 0 i 1 0 8 0 p ) 的确定，传统 模拟接口的带宽已经不能满足海量数据流传输的需要，也不符合数字化的潮流。 因此，传输速度更快的全数字化接口势必会成为传统模拟接口的终结者。 除了数据传输畿力的限制，另个影响到模拟接口继续使爝的因素来鸯好莱 坞的影视出版商们。由于模拟接口不具备任何防盗版能力，因此盗版影片、电视 剧的横行给他们造成了巨大的经济损失。根据美国影协的统计，仅2 0 0 5 年，因为 盗版问题好莱坞的几个主要电影制片厂就损失了近6 l 亿美元。如栗算上电视劂等 方面，这个数字会更加惊人，因此，具有版权保护功能的数字接口也得到了好莱 坞方面的热烈欢迎。 于是第一个行业支持的、无压缩的、全数字的音视频接c i - - h d m i ( 高清晰多 媒体接誓) 诞生了。 h d m i 的全称是“h i 曲d e f i n i t i o nm u l t i m e d i ai n t e r f a c e 高清多媒体接口”。2 0 0 2 年4 月，来自电子电器行业的7 家公司日立、松下、飞利浦、s i l i c o ni m a g e 、 索尼、汤姆逊、东芝共溺组建了h d m i 高清多媒体接蜀组织h d m if o u n d e r s ( 瓣d m l 论坛) ，开始着手制定一种适合高清时代标准的全新数字化视频音频接口技术。经 过半年多时间的准备工作，h d m if o u n d e r s 在2 0 0 2 年1 2 月9 日正式发布了h d m i h d m i 苍片中的音频信号处理及实现 l 0 版标准，标志着h d m i 技术正式进入历史舞台。 在h d m i 技术推出的背后，有着更多深层次原因。1 9 9 9 年4 月份，为了满足 数字化时代高质量图像的要求，d d w g ( d i g i t a ld i s p l a y w o r k i n g g r o u p ) 数字显示工 作组以美国s i l i c o ni m a g e 公司的专利技术为蓝本，推出了一种名为d v i ( d i g i t a l v i s u a l i n t e r f a c c ) 酗j 接口，旨在统一新时代数字显示接口标准。d v i 的设计目的是用 来传输无压缩的，高清晰实时数码图像。d v l 支持超过1 6 0 0 x 1 2 0 ( 恼8 5 h z 的u x g a 或者2 0 4 8 x 1 5 3 6 7 5 h z 的q x o a 图像和7 2 0 p 、1 0 8 0 i 、1 0 8 0 p 的高清晰数字电视信 号的无压缩实时传输。这一技术并且得到了1 t 业内以i n t e l 、d e l l 、h p 、i b m 、 微软等各大企业的广泛支持。经过3 年多的推广，d v i 技术在计算机显示输出领 域得到了迅速运用，但是伴随着数字高清影青技术的发展，d v i 接口也开始逐渐 暴露出种种问题，甚至在一定程度上成为数字影像技术进步的瓶颈。 d v i 接口虽然是一种全数字化接口，但是在开发之初，其最初目标就是要实 现高清晰、无损压缩的数字信号传输。由于没有考虑到i t 产品和a v 产品融合的 趋势，d v i 标准过分偏重于对计算机显示设备的支持而忽略了对数字平板电视等 a v 设备的支持。同时，对于一直关注盗版问题的好菜坞出版商们d v i 接口也没 有提供他们所关心的版权防盗功能。因此从最后的结果来看，d v i 接口虽然成功 的实现了无损高清传输这一目标，但是过于专一的定位也在相当程度上造成了整 体性能的落后。 d v i - do v i - i 图1 1d v i 接口图示 d v i 接口存在的主要问题【坷： d v i 接口只能传输图像信号，对于数字音频信号的支持完全没有考虑。 d v i 接口考虑的对象是p c ，对于平板电视的兼容能力一般。 d v i 接口只支持p c 领域的r g b 数字信号，而对数字化的色差信号( y c o c r ) 无法支持。 + d v i 接口只支持8 b i t 的r g b 信号传输不能让广色域( x 2 b i t ) 的显示终端发 挥出最佳性能。 + d v i 接口对影像版权保护缺乏支持。 t d v i 接口出于兼容性考虑，预留了不少引脚咀支持模拟设备，造成接口体积 较大，效率很低。 由于以上种种缺陷，d v i 接口已经不能更好的满足整个行业的发展需要。因 此，无论是r r 厂商，平板电视制造商，还是好莱坞的众多出版商，都迫切需要一 第一章绪论 种更好的能满足未来高清视频行业发展的接口技术。也正是基于这些原因，才促 使了h d m i 标准的诞生。 h d m l 标准的主要特性和优势： 在h d m i 标准制定之初，并没有抛弃d v l 标准中相对成熟且较易实现的部分 技术标准。整个传输原理依然是基于s i l i c o n i m a g e 公司的t m d s 编码技术。而对 图1 2 h d m i 接口图示 于d v i 接口存在的各种缺陷，h d m i 进行了太幅提升，主要体现在以下方面 更好的抗干扰性能，能实现1 5 米( h d m 规范) 甚至更长的无增益抟输。 针对大尺寸数字平板电视分辨率进行优化，兼容性好。 支持e d i d 、增强d d c 及c e c ，设备之间可以智能选择最佳匹配的连接 方式。 + 拥有强大的版权保护机制( i i d c p ) 有效防止盗版现象。 支持2 4 b i t 色深处理，( r g b 、y c b c r 4 4 4 、y c b c r 4 - 2 - 2 ) 。 接口体积小，各种设备都匏轻松安装。 一根线缆实现数字音频、视频信号同步传输，有效降低使用成本和繁杂程 度。 完全兼容d v i 接口标准，用户不用担心新旧系统不匹配。 支持热插拔技术。 随着h d m i 标准本身的发展，其从最初的1 0 版本也进化出了1 2 版本和13 a 等后续版本，不仅性能更加强大，兼容性也更加出色。因此，h d m i 正在成为高清 时代普及率最高、用途最广泛的数字接口。 h d m i 最高支持1 0 2 g b p s 的传输带宽，而高清h d t v 仅需要22 g b p s ，有更大 的传输余量来满足日后更高标准的视频数字信号。此外，它支持h d t v 信号的无 压缩传输和八声道9 6 k h z 数字音频传送，只用一根h d m 连接线就可完成高清晰 图像和数字伴音的传播。 长久| ；i 来，音频的模拟传输方式一直影响我们体验更高级别的音质表现，随 着h d t v 高清时代的来临，音频传输终于在h d m i 的支持下，从标准立体声到多 通道环绕声，多种格式丰富了消费者的选择。如此众多的优势和潜质也促成了 h d m i 芯片研发的价值和今后广泛的应用前景。 h d m i 芯片中的音频信号处理及实现 1 2 国内外研究状况及发展趋势 2 0 0 2 年4 月，日立、松下、飞利浦、索尼、汤姆逊、东芝和s i l i c o ni m a g e 七家公司联合组成h d m i 组织。h d m i 工作小组负责h d m i 规格的制定和研发， h d m il i c e n s i n g ，l l c 作为s i l i c o ni m a g e 的全资子公司，负责管理h d m i 的授权， 规格的许可发布，推广h d m i 标准并为零销商和消费者提供关于h d m i 的培i j l i 。 2 0 0 2 年1 2 月上述七家公司同时发布了h d m l l 0 规格，2 0 0 3 年7 月h d m i 兼容性测试规格1 o 公布，9 月第一台商用h d m i 系统在c e d i a 展出，1 0 月h d m i 被d v d 官方机构核定为标准讯号传送制式之一。2 0 0 4 年1 月在c e s 展会上有超 过1 0 0 项h d m i 产品展出，2 0 0 4 年5 月h d m i1 1 规格发布 8 】。8 月2 3 日，h d m i l l c 公布了高分辨多媒体接口h d m i 的1 2 版本【9 】，该版本更好的兼容了p c 系统。 此次修订增加了若干条非常重要的改进，以方便p c 连接和数字音频流的传输，使 得这个数字音视频接口保持了其先进性，目前中国大陆也公开表示支持该接口。 h d m i 是首个也是业界唯一支持的不压缩全数字的音频视频接口，自诞生以 来，经历了从1 o 版本、1 1 版本、1 2 版本、1 2 a 版本的演进，目前最新1 3 a 版本 出炉【l 叭。h d m l 只需一条连接线，音频、视频及控制信号即可轻松安装完毕，并 且由于存在双向控制信号，机器间的中继只需一个遥控器就可以轻松连接多台a v 机传输高清晰、全数字的音频和视频内容，简化布线的同时，为消费者提供最高 质量的家庭影院体验。 目前，七家h d m i 创立公司共同发布h d m i 规范的主要增强功能，使其成为 真正的高清晰度消费电子产品的标准数字接口。h d m i1 3 将使下一代h d t v 、p c 和d v d 播放机可以传输和显示空前逼真和精确的数十亿种色彩的内容。 h d m i1 3 规范不仅使h d m i 带宽增加一倍以上，还新增了对深色技术、更宽 色彩空间、新型数字音频格式、自动音频视频同步功能( “唇型同步”) 的支持以 及为个人拍照和摄影设备提供了可选的更小型接口。 h d m i1 3 的新功能包括：p 副 速度更快：h d m i1 3 将其单带宽从1 6 5 m h z ( 4 9 5 g b p s ) 提高到 3 4 0 m h z ( 1 0 2 g b p s ) 以支持未来高清晰度显示设备的需要，如更高分辨率、深色和 高帧率。此外，建立h d m i1 3 规范显然是让将来h d m i 版本的速度达到更高的速 度。 深色：h d m i1 - 3 支持3 0 位、3 6 位和4 8 位( r g b 或y c b c r ) 色深，而之前 h d m i 规范版本的色深最高为2 4 位。让h d t v 和其它显示设备由几百万种色彩发 展到数十亿种色彩，消除了屏幕上的色带，使音调转换更平滑，色彩间的渐变更 细微能够增加对比度，可以在黑色和白色之间展现更多倍的灰色阴影。在3 0 位像 素色深时，最少是灰色阴影的四倍，通常可以提高八倍或以上。 第一章绪论 色彩空间更宽：h d m i1 3 完全去除了色彩选择的所有限制。下一代 “x v y c c ”色彩空间支持的色彩数量是现有h d t v 信号的1 8 倍，使h d t v 显示色 彩更精确、使显示器的色彩更加自然、逼真。 新型迷你接口：h d 摄录一体机和数码照相机等小型便携式设备需要h d m i 的无缝连接。 唇型同步：因为消费电子设备正在使用复杂性不断提高的数字信号处理技术， 以增强画面内容的清晰度及细致度，要使用户设备中的影音内容同步，成了一大 挑战，潜在地需要复杂的终端用户调节。h d m l l 3 加入了自动音频视频同步的功 能，使设备能自动地实现精确同步。 新型无损音频格式：除h d m l 支持高带宽的不压缩的数字音频和所有现有的 压缩格式( 例如d o l b yd i g i t a l t 2 3 1 和d t s 2 4 】) 外，h d m i1 3 还新增了对新型无损压 缩数字音频格式d o l b yt r u eh d 和d t s h dm a s t e r a u d i o 的支持。 其实，h d m i 作为高清晰度电视( h d t v ) 的连接标准，在多媒体和消费类电子 领域将有非常广阔的发展前景。至于h d m i 设备之间的兼容性，现在a n a l o g i x ， 提供了非常全面的互通性测试和a t c 预测试，为设备厂商的产品尽早上市提供了 有力的保证。 为了保证互连互通性，h d m i 有自己的认证程序，要在产品上标注h d m i 标 识，必须通过测试。通过后，h d m i 的互通性就有了保证。 为了方便了国内的厂商，目前国内已经在深圳可以进行h d m i 认证测试。对 于这个问题，主要在于使用严格符合h d m i 协议的发送接收芯片。只有使用严格 按照标准来设计的芯片，才能在根本上保证相应设备之间良好的互通性。其次， 在设备设计完后，进行a u t h o r i z e dt e s tc e n t e r ( a t c ) 测试和互联互通的h d m i c o m p l i a n c et e s t 的产品相互验证测试。 目前，中国大陆客户的设计能力与国外大厂商相比较还有一定的差距。那么 就需要芯片厂商能够提供系统设计、测试等一系列的配套服务，保证设备厂商产 品的竞争力。在中国，采用h d m i 接口的消费电子厂商越来越多，其数量已从2 0 0 5 年年初的l o 家迅速增加到现在的几百家，并还在继续增长。 从d v i 或h d m i 的规格及应用市场的发展趋势来剥1 8 】，d v i 比较适合计算 机及计算机外设的使用，但需要接口体积较小或走向多媒体需求的计算机就会使 用h d m i 接口。而未来个人计算机的发展趋势是走向多媒体计算机，作为家中的 多媒体控制中心，对传输接口的需求将会倾向于h d m i 。至于消费电子更是以 h d m i 的使用为主，据i n s t a t 的预估到2 0 0 8 年之后高端消费电子就不再使用d v i ， 而是以h d m i 为主。不过鉴于h d m i 的价格相对较贵，又有专利费的问题，使得 低端的产品还是无法使用，而且还要面临其它接口技术的竞争。不过但就d v i 和 h d m i 的比较，h d m i 更胜一筹，成为未来高速数字传输接口的主要发展方向。 h d m i 芯片中的音频信号处理及实现 圈1 32 0 0 2 年一2 0 0 9 年整体d v i h d m i 使用量趋势( i n s t a ) 在2 0 0 8 国际消费电子展会( c e s ) 上h d m i l i c e n s i n g 。l l c 宣布：超过7 5 0 家 消费电子( c e ) 和个人电脑( p c ) 厂商已经采用h d m i 规范，比一年前的5 7 4 家采用 者太大增加。厂商不断采用h d m i 规范进一步巩固了h d m i 作为全球高清数字连 接标准的地位。各种采用最先进h d m i1 3 功能的新产品在c e s2 0 0 8 上面市例 如x v c o l o r 、d e e pc o l o r 以及杜比和d t s 开发的最新无损高清音频格式。h d m i 还扩展到新的产品类别。在高清消费电子产品使用的数字连接中，h d m i 届于领先 的地位，含盖了入门级设备到高端的家庭影院系统，包括电视、机顶盒、d v d 机 和a ，v 接收机。此外，厂商为了满足消费者对多媒体整合服务的需求，h d m i 规 范正在游戏机、数码相机、便携式摄像机、便携式多媒体播放机和电脑市场，取 得快速的增长。索尼、佳能、松下、日立、j v c 、东芝和三洋已经发布或正在发运 配备h d m i 技术的便携式摄像机。尼康、索尼和三星已经发布了包含h d m i 技术 的数码相机。此外，在即将发运的超便携电脑的图形处理器中嵌入了h d m i 技术， 这进一步证明了h d m i 扩展到新型的便携消费电子产品中。市场调研机构i n s t a r 公司的调查结果表明：超过2 2 9 亿台采用h d m i 的设备有望于2 0 0 8 年发货。预计 到2 0 1 0 年，支持h d m i 的设备的安装数量可达到近1 2 亿台。 现在，t - i d m i 已经成为事实上的数字电视和消费电子产品的接口标准。 1 3 具体完成的内容 首先，仔细研读h d m i1 3 a 接口标准以及相关的一些协议文献，对整个接口 电路领域的发展和现状进行全面深入的了解。对其传输原理和所采用的传输协议 进行深入分析。 其次，对其音频部分的整个通路结构及数据流程进行剖析，并根据相关要求 设计音频电路部分。根据h d m is p e e i f i c m i o n s 设计其中的s p d i f 音频接收模块。 并用v e r i l o g h d l 语言编写代码，进行仿真、综合参与h d m i 芯片的设计和验证； 第一章绪论 根据1 2 ss p e c i f i c a t i o n s ，设计音频接收模块，使之能够在芯片间完成数据的捕获和发 送，实现音频数据传递，并通过m o d e l s i m 进行了功能仿真，取得了预期的结果。 除此之外还针对其中的纠错编解码电路进行深入研究，分析并找到了码源， 进而对数据岛数据设计e c c 纠错编解码电路，进行b c h ( 6 4 ，5 6 ) 、b c h ( 3 2 ，2 4 ) 码的 电路设计和实现。 本论文共分为六章，各部分安排为： 第一章绪论，对整个h d m i 产生的背景及现状进行分析。 第二章针对h d m i 涉及的传输原理进行剖析，特别是其赖以存在的核心原理 t m d s 的传输方式进行了阐述，以及h d m i 中的操作模式，音视频编解码原理进 行了详细说明。 第三章具体研究分析了h d m i 中的数据包、定义和结构，音频采样时钟的恢 复和重建，以及音频采样率的要求，数据的封包传送，最后给出了音频数据传递 通道模块图。 第四章进行音频接收模块的设计，详细解读和分析了1 2 s 音频总线规范，及 i e c6 0 9 5 8 与i e c6 1 9 3 7 数据格式，并据此设计出了p s 音频接收模块和s p d i f 音 频接收模块，且给出了仿真波形图及综合电路图。 第五章针对h d m i 中的数据岛e c c 纠错编解码模块进行设计，分析了 b c h ( 6 4 ，5 6 ) 、b c h ( 3 2 ，2 4 ) 的码源，进行了具体的编码电路和纠错译码电路的设计， 同时给出了具体的编解码电路图及仿真波形图。 第六章是结束语，进行了简要的总结和回顾。 第二章h d m i 基本工作原理 9 第二章h d m i 基本工作原理 h d m i 是基于d v i 制定的，可以看作是d v l 的强化和延伸，两者可以兼容。 它采用了先进的t m d s 通道作为基本连接，包含3 路t m d s 数据通道和1 路t m d s 时钟通道。音频信息也是通过t m d s 通道传输，最高采样频率达1 9 2 k h z 。h d m i 利用视频信号的逆程消隐期间，即数据岛传输期，进行音频数据和辅助数据的传 输，因此不会占用视频传输带宽。正是因为这些先进的技术特性使h d m i 接口成 为第一个，也是目前唯一使用单电缆传输未压缩音视频信号的传输接口。与d v i 相比h d m i 接口的体积更小而且可同时传送音视频信号。d v i 的线缆长度不能超 过8 m ，否则将影响画面质量，而h d m i 基本没有线缆的长度限制。 h d m ls o u r c e h d m is n k 图2 1h d m i 系统结构整体框图 h d m i 接口系统对信号的传输是由数字信号编码，数字传输，信号解码三部分 构成的。如图2 1 的h d m i 框图所示，h d m i 电缆和连接器带有4 个差分对组成的 t m d s 数据和时钟通道，这些通道用来传输视频，音频和辅助数据。此外，h d m i 还有一个v e s ad d c 通道。d d c 用于一个单独的信号源和一个单独的接收器之间 结构和状态的交换。还有可选择的c e c 协议，提供在一个用户的环境中的所有不 同的视听设备之间的高级控制功能。 音频，视频和辅助数据通过这三条t m d s 数据通道传送。视频像素时钟在 t m d s 时钟通道上面传送，被接收者用来作为三条t m d s 数据通道上数据恢复的 频率参考。 h d m i 芯片中的音频信号处理及实现 i m m ts t r e a m s 厂h s 咖 p 嘲o _ 栅晴i 【垂b ) h v 8 4 c 悯哪哺 l 粤p a c k e th e 耐哪 f h m 呻n - 时1 g ) c t l o c n 枷0 吖d 幽 t 4 b 铀忡) p h “墨棚p 啊州恤4 r c n 2 c n 3 狮油 细 喇噼os m p 电 h d m i t m d s k m k 厂一人一、 s i 俄 簟 搿7、， ，h 象 l l d 1 7 ：c l ， 一 d 1 7 胡 0c h n n e lo ： 手； 柚溉 自 一 d n 棚戛置 r筹墨叩：o i 翟缸 l l 辜盘 dbq 一d 陶w l ， _ 夕 笋 一 1 缀 荔 d f 硼d f 7 蠲 ：鼍 c 蛔撇1 1 二 手蕃 = l | | l ll 薹叩卿 静 d 儡翻 罄 7 ， ； i ； ， d i r g l l c i 帕i r m e l2 爹 、 叩：0 l 生 嚣嗍 缸 d 嗍专i 鬈 石 - d p ：q 一 暑荔 | l 努 d 明一 一 卜 7 胡f 。： r ，； 一 ； c l o c kc h a n n e l篱 卜- j 。_ j ￥， _ j 7 ， l ，兹蟛 图2 2h d m i 编解码器纵览图 o u t l x i ts t e a m s 厂 - 1 i 州w 0 町 h s 眦 麒l 轴叶d 和 l 审p - d | 雷h a _ ， 一般视频像素的频率范围从2 5 m h z 到1 6 5 m h z 。频率低于2 5 m h z ( 如 1 3 5 m h z ，对于4 8 0 i n t s c ) 可以使用像素重复传送。视频像素可以用r g b 、y c b c r 4 ：4 ：4 或y c b c r4 ：2 ：2 中的任意一种编码。 基本音频功能是传送采样频率为3 2 k h z ，4 4 1 k h z 或4 8 k h z 的i e c6 0 9 5 8 l p c m 音频流，这可以满足任何普通的立体声要求。另外，h d m i 可以传送i e c 6 1 9 3 7 ( 如d o l b yd i 西t a l 环绕立体声) ，采样频率高达1 9 2 k h z 的压缩音频流，也可 以传送2 8 通道的s u p e r a u d i oc d ，以及d v d a u d i o 、h b r 、d s t 等音频数据流。 h d m j 输入的源编码格式包括视频像素数据、控制数据和数据岛数据包。其中 数据岛数据包中包含有音频数据和辅助信息数据，同时h d m i 为了获得声音数据 和控制数据的高可靠性，数据包中还包括一个b c h 错误纠正码。h d m i 数据信息 的处理可以有多种不同的方式，但最终都是在每一个t m d s 通道中包含2 位的控 制数据、8 位的视频数据和4 位的岛数据包。 h d m i 的数据传输过程可以分成三个部分：视频数据传输期、数据岛数据传输 期和控制数据传输期。 视频数据传输期，视频信号经过编码，生成3 路( 即3 个t m d s 数据信息通 道，每路8 位) 共2 4 位的视频数据流，在三条t m d s 数据通道上传送。t m d s 编 码把每条通道的8 位转化为1 0 位直流平衡( d c b a l a n c e d ) 的最小化转换序列，然 第二章h d m i 基本工作原理 后以每像素时钟周期1 0 位数据的速度连续发射。 数据岛数据传输期，t m d s 通道上将出现音频数据和辅助数据，这些数据每4 位为一组，和视频数据一样，被调制为1 0 位一组的的t m d s 信号后发出。视频数 据传输期和数据岛数据传输期均开始于一个g u a r db a n d 保护频带，g u a r db a n d 由 2 个特殊的字符组成，这样设计的目的在于明确限定控制数据传输期之后的跳转是 视频数据传输期。 控制数据传输期，在上面任意两个数据传输周期之间，每一个t m d s 通道包 含2 位的控制数据，这一共6 位的控制数据分别为h s y n c ( 行同步) 、v s y n c ( 场同步) 、c t l 0 、c t l l 、c t l 2 和c t l 3 。每个t m d s 通道包含2 位的控制数 据，采用从2 位到1 0 位的编码方法，在每个控制周期最后的阶段，c t l 0 、c t l l 、 c t l 2 和c t l 3 组成的前导，说明下一个周期是视频数据传输期还是数据岛数据传 输期。 信号源使用d d c 去读接收器的增强扩展显示辨认数据( e e d i d ) ，以便获取 接收器的构造与或性能信息。 将视频、音频和辅助数据送入h d m i 的编码发送芯片，进行数据编码，然后 通过三条t m d s 数据通道和一条t m d s 时钟通道传送到信号的接收端。接收端的 h d m i 解码芯片进行数据解码，将对应的音视频信号还原并送到数字显示终端。每 个t m d s 通道可以传输8 位有效数据，三个t m d s 通道就可以同时传输2 4 位有 效数据。 h d c p ( h i g h b a n d w i d t hd i 西t a lc o n t e n tp r o t e c t i o n ) 在h d m i 发送器和接收器 之间提供版权保护，系统需要在发送器和接收器两边都有h d c p 的硬件，来实现 保护功能。发送端在数据传送之前需对数据进行h d c p 的加密，接收端则需要一 组密钥来开锁解密。目前h d c p 功能大多已经集成在h d m i 芯片中。 c e c ( c o n s u m e re l e c t r o n i cc o n t r 0 1 ) 通道是为用户设置的高级h d m i 设备控制 线。它遵循c e c 用户控制协议，可以实现单键播放，单键刻录及刻录时间控制等 操作。c e c 在h d m i 接口中是可选配的。 d d c ( d i s p l a yd a t ac h a n n e l ) 通道在发送设备和显示终端之间的数据建立连 接，发送设备通过它可以与显示终端通信，通过对接收设备内部e e d i d 数据的访 问，发送设备可以获得接受器终端的相关参数信息，如最高清晰度等，自动配置 相应的传输格式。 h d m i 接口增加了热插拔的检测功能，因而也实现了真正意义上的即插即用。 h d m i 规范真正将未压缩数字视频信号与多声道数字音频信号的传输整合到一个 单一的、且带有h d c p 安全机制的数字接口上，为数字音、视频内容存取传输提 供了保护，因此，h d m i 接口的推出，一方面为消费类数字音视频播放设备与接收 显示设备制造商实施高效、快速、几乎无损伤的传输数字音视频信号提供了最好 h d m i 芯片中的音频信号处理及实现 的解决方案，另一方面，它高达1 0 2 g b p s 的传输速度和用一根传输电缆就可同时 传输高清晰度质量视频信号和多达8 个声道数字音频信号的能力，使得它成为至 今为止国际上消费类数字音视频信号传输接口的最高规范。 h d m i 有a 、b 两种类型的接口，一个装置的外部h d m i 连接必须要通过这 两种中的一种实现。a 型连接器有1 9 个引脚，支持单向的t m d s 连接，能传送所 有需要的h d m i 信号。b 型连接器稍微的大些，有2 9 个引脚，支持双向的t m d s 连接，在支持非常高分辨率的电脑显示器而需要两倍连接带宽的时候，需要这个 连接。在a 型和b 型连接器之间的连接，需要一个电缆适配器。 a 型和b 型连接器都有相同的特性和功能，但是像素频率大于1 6 5 m h z 的只 能用b 型的连接器。a 型连接器只传送一组t m d s 连接，并且因此只被允许传送 最多为1 6 5 m 像素秒的信号。支持超过1 6 5 m 像素秒的信号，就需要使用具有双 连接能力的b 型连接器。 一般情况下，h d m i 连接由一对信号源和接受器组成，有时候一个系统中也可 以包含多个h d m i 输入或者输出设备。每个h d m i 信号输入接口都可以依据标准 接收连接器的信息，同样信号输出接口也会携带所有的信号信息。 h d m i 的数据信息处理可以有多种不同的方式，也就是说h m d l 支持多种方 式的视频编码，通过对3 个t m d s 数据信息通道的合理分配，既可以传输r g b 数 字色度分量的4 ：4 ：4 信号，也可以传输y c b c r 数字色差分量的4 ：2 ：2 信号，可满足 2 4 位及更高视频信号的传输需要。 h d m i 每个t m d s 通道视频像素流的速率一般在2 5 m h z 16 5 m h z 之间， h d m l l 3 规范已经将这一上限提升到了3 4 0 m h z ，当视频格式的速率低于2 5 m h z 时，将使用像素重复法来传输，即视频流中的像素被重复使用。以每个t m d s 通 道最高1 6 5 m h z 的频率计算，3 个t m d s 通道传输r g b 或者y c b c r 格式编码的 2 4 位像素视频数据，最高带宽可以达到4 9 5 g b p s ，实际视频信号传输带宽接4 g b p s