（微电子学与固体电子学专业论文）高清晰多媒体接口的研究与设计.pdf

高清晰多媒体接口的研究与设计 摘要 随着各种数字设备的日益普及，各种数字传输接口标准被接连推出，如 u s b 、i e e e l 3 9 4 等。但是有限的带宽使u s b 只能传输一些速率比较低的高清 晰图象或者低分辨率的动态图象：i e e e l 3 9 4 也由于受到传输带宽的限制，只能 传输标准清晰度的压缩数字图象，同时又因其电路结构复杂，无法真正应用于 高清晰实时视频领域；d v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ：数字视频接口) 能够传输 无压缩的高清晰实时数码图象，但d v i 接口过于庞大，且不支持数字音频传输。 为了克服这些缺点，h d m t ( h i g h 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 ：高清晰多媒 体接口) 应运而生。 本文介绍了h d m i 出现的背景，分析了它与d v i 接口相比较的优势。研究了 h d m i 高清晰多媒体接口的原理及结构。阐述了h d m i 的物理层结构、h d m i 数 据通道结构和编码原理、h d m i 视频数据和音频数据的处理，并简要介绍了 t d m s 链路技术。 详细介绍了h d m i 接口中1 2 s 总线的原理，并且设计出一种较为新颖的1 2 s 总 线，使用v e r i l o gh d l 完成了1 2 s 总线的r t l 级代码，使用m o d e l s i m 对代码进行 了仿真和验证。使用综合工具d e s i g nc o m p i l e r 进行综合，生成了可以用于自动 布局布线的网表文件。使用p r i m e t i m e 对网表文件进行静态时序分析。 该1 2 s 总线结构简化，能支持1 0 0m h z 的音频数据传输速率。 关键词：高清晰多媒体接口；1 2 s 总线；综合；静态时序分析 r e s e a r c ha n dd e s i g no nh i g h d e f i n i t i o nm u l t i m e d i a i n t e r f a c e a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ed i g i t a le q u i p m e n t ，al o to fs t a n d a r d so fd i g i t a l t r a n s i m i s s i o ni n t e r f a c e sh a v eb e e ni n v e n t e d ，f o re x a m p l e ，u s b ，i e e e139 4a n ds o o n h o w e v e r ，u s bc ano n l yt r a n s m i tl o wb i tr a t eh i g hd e f i n i t i o np i c t u r ea n dl o w r e s o l u t i o nm o v i n gp i c t u r eb e c a u s eo ft h el i m i to ft h eb a n d w i d t h l i k e w i s e ，f o rt h e l i m i to fb a n d w i d t h ，i e e e139 4c a no n l yt r a n s m i tc o m p r e s s e dp i c t u r eo fs t a n d a r d d e f i n i t i o n ，b e s i d e s ，d u et ot h ec o m p l e xs t r u c t u r eo fc i r c u i t ，i e e e l 3 9 4c a n ta p p l yt o t h eh i g hd e f i n i t i o nr e a l t i m ev i d e of i e l d d v ic a nt r a n s m i tt h eu n c o m p r e s s e dh i g h d e f i n i t i o nr e a l t i m ed i g i t a lp i c t u r e ，b u ti t st o ob i ga n di n c a p a b l eo ft r a n s m i t t i n g d i g i t a l a u d i o d a t a i no r d e rt oo v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g s ，t h eh d m ii s d e v e l o p e d i nt h i st h e s i s ，t h eb a c k g r o u n do fh d m i sa p p e a r a n c ea n dt h ec o m p a r i s o no f h d m ia n dd v ia r ei n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo fh d m ia r es t u d i e d t h es t r u c t u r eo fh d m i p h y s i c a ll a y e r ，t h es t r u c t u r eo fd a t ac h a n n e la n de n c o d i n go f h d m i ，b e s i d e s ，t h ep r o c e s so fa u d i oa n dv i d e oi nh d m ia r ee x p a t i a t e d b r i e f i n t r o d u c t i o n sa b o u tt e c h n o l o g yo ft m d sa r em e n t i o n e d t h ep r i n c i p l eo fi n t e r i cs o u n db u si si n t r o d u c e di nd e t a i l an e wi sb u si s d e s i g n e d t h er t lc o d eo f1 2 sb u si sd e s i g n e dw i t hv e r i l o gh d l t h er t lc o d ei s s i m u l a t e db ym o d e l s i m t h es y n t h e s i so fr t lc o d ei sp e r f o r m e db ys y n o p s y s d e s i g nc o m p i l e ra n dt h eg a t l e v e ln e t l i s ti sg o t t e n t h es t a t i ct i m i n ga n a l y s i s ( s t a ) o fn e t l i s ti sp e r f o r m e db ys y n o p s y s p r i m e t i m e t h i s1 2 sb u sh a ss i m p l es t r u c t u r e ，b u tc a ns u p p o r tad a t ar a t eo f10 0 m h z k e yw o r d ：h d m i ；1 2 sb u s ；s y n t h e s i s ；s t a 插图清单 图1 - 1 不同类型芯片的比较4 图1 - 2d v i i 信号引脚示意图6 图卜3h d m i 发射器芯片7 图卜4h d m i 接收器芯片7 图1 5s i n g l e l i n kd v i 动作1 0 图2 - 1h d m i 系统结构框图1 2 图2 - 2t m d s 差分对的概念电路1 4 图2 - 3 单端差分信号1 5 图2 - 4 差分信号1 5 图3 - 1h d m i 编解码器的概观1 6 图3 - 2 信号举例：7 2 0 x 4 8 0 p 视频帧的t m d s 周期1 7 图3 3t m d s 周期和编码2 1 图3 - 4 纠错编码发生器2 1 图3 - 5 数据岛数据包和e c c 结构2 2 图3 - 6t m d s 视频数据编码算法3 3 图3 7t m d s 视频解码算法3 4 图4 一l 默认的象素编码：r g b 4 ：4 ：4 ，每个成分8 b i t 3 7 图4 - 2y c b c r4 ：2 ：2 组份3 7 图4 38 b i ty c 。c r4 ：4 ：4 映射3 8 图4 - 4 双倍象素的r g b 3 8 图4 5 双倍象素的y c e c n4 ：2 ：2 3 8 图4 - 6 双倍象素的y c a c t4 ：4 ：4 3 9 图5 - 1 音频时钟重建模型4 l 图5 2 可选择的装置：音频接收器4 l 图5 - 3 例：音频采样的时序4 4 图6 1 简单的系统架构和基本的接口时序4 6 图6 - 21 2 s 发射器的时序4 7 图6 31 2 s 接收器的时序要求4 8 图6 4 与电平有关的时钟上升时间定义4 9 图6 5i2 s 发射器的顶层框图4 9 图6 - 61 2 s 发射器内部的基本结构5 0 图6 71 2 s 发射器的数据串行化模块：5 0 图6 81 2 s 发射器模块的功能仿真结果5 1 图6 - 91 2 s 接收器的顶层框图5 1 图6 1 0 一种可以实现的i2 s 接收器的硬件构造5 2 图6 一1 1 使用n 位移位寄存器的1 2 s 接收器的硬件构造5 2 图6 1 2i2 s 接收器模块的功能仿真结果5 3 图6 1 3 综合过程的示意图5 4 图6 1 4 综合过程中速度与面积性能的折中5 4 图6 1 5d c 的启动文件5 6 图6 1 6d c 运行脚本5 8 图6 1 71 2 s 总线综合后的面积信息5 9 图6 一1 8 基于路径的时序划分5 9 图6 1 9p r i m e t i m e 划分的四种时序路径6 0 图6 2 0p r i m e t i m e 的启动文件6 2 图6 2 1p r i m e t i m e 的部分运行脚本，6 2 图6 - 2 2p r i m e t i m e 的时序报告，6 4 表格清单 表卜1h d m i 与d v i 性能比较1 l 表2 一lh d m i 接口需要的操作条件1 5 表3 一l 编码类型和数据传送1 8 表3 - 2 各种数据周期类型的导言1 8 表3 3t m d s 连接的时序参数1 9 表3 - 4 增强控制周期参数1 9 表3 5 数据包标题2 3 表3 - 6 数据包类型2 3 表3 - 7 空数据包标题2 4 表3 - 8 音频时钟重建数据包标题2 4 表3 - 9 音频时钟重建子数据包2 4 表3 - 1 0 音频采样数据包标题2 5 表3 - 1 1 音频采样子数据包2 5 表3 - 1 2 位元音频数据包标题2 6 表3 - 1 3 位元音频子数据包2 6 表3 - 1 4 信息帧数据包标题2 7 表3 - 1 5 信息帧数据包内容2 7 表3 - 1 6 通用控制数据包标题2 8 表3 1 7 通用控制子数据包2 8 表3 一1 8a c p 数据包标题2 8 表3 1 9a c p 数据包内容2 9 表3 2 0i s r c i 数据包标题2 9 表3 - 2 1i s r c l 数据包内容2 9 表3 2 2i s r c 2 数据包标题3 0 表3 - 2 3i s r c 2 数据包内容3 0 表3 - 2 4 控制信号设置3 l 表3 2 5 编码算法定义3 3 表5 1 关于音频采样频率的通道状态位值4 2 表5 - 2 音频数据包的配置和配置值4 3 表5 3 配置0 时可用的s a m p l e p r e s e n t 位的结构4 3 表6 - 11 2 s 发射器和接收器的时序要求4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒目旦王些太堂 或 其他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 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：互曙兄签字日期：铷0 1 年s 月2 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金月壁王、业盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：王曙 签字同期： 0 0 7 年占月2 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字曰期 1 、可晰蝴 掣1 、1 致谢 首先感谢我的家人，他们永远是我前进的动力! 本论文是在导师梁齐副教授的悉心指导下完成的。梁老师学识渊博，治学 严谨，品德高尚，一直是我学习的楷模，对我以后的学习生活都会有巨大的帮 助，衷心感谢梁老师两年多来对我的关怀、培养与无私的教诲a 感谢深圳力合微电子的杨帅锋，黄勇刚在论文设计上对我的热情帮助，感 谢我的同学刘炳龙、彭章超在我论文的设计过程中对我的热情帮助。 特别还要感谢我的女友杨钦，她在我论文写作的过程中给了我巨大的帮 助。 王曙光 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 集成电路工艺、分类介绍【1 6 】 1 1 1 集成电路工艺介绍 集成电路( i c ：i n t e r g r a t e dc i r c u i t ) 从1 9 5 8 年诞生以来，一直遵循i n t e l 公司 创始人g o r d o n m o o r e1 9 6 5 年提出的摩尔定律，即“集成电路的集成度大约每1 8 个月翻一番”。晶体管的发明保证了摩尔定律的有效。新的工艺不断的开发， 特征尺寸( f e a t u r es i z e ) 随之不断减小，集成电路的集成度也越来越高。所谓 的特征尺寸大致可以认为是不同工艺制造的最小的晶体管的长度的一半，通常 用微米( i tm ) 来衡量，一般来说如果某一集成电路使用0 5 m 工艺制作，就 是说它内部最小的晶体管的长度大约就是l m 。所谓的集成电路的门数量一般 是指电路等价的二输入与非门( 包含4 个晶体管) 的数量。 在早期的集成电路工艺中，双极工艺( b i p o l a r t e c h n o l o g y ) 占了绝大多数 的比重，而且大多数是晶体管一晶体管逻辑( t t l ：t r a n s i s i t o r - - t r a n s i s i t o r l o g i c ) 或者射极耦合逻辑( e c l ：e m i t t e r - - c o u p l e dl o g i c ) 。但是近几十年来， 金属氧化物半导体( m o s ：m e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 晶体管的开始大规模 生产，这种m o s 管在制造中需要较少的掩膜步骤，功耗也比同规模采用其它技 术制造的晶体管小，所以目前来说m o s 技术的集成电路早已成为主流。m o s 技 术的一个非常重要的进步就是m o s 管中的铝材料被多晶硅( p o l y s i l i c o n ) 材料 所代替，这样就可以在同一个集成电路上面能很容易地同时制造出两种类型的 晶体管，n 沟道m o s 管和p 沟道m o s 管，这就是目前最常见的互补型金属氧化物 半导体( c o m s ：c o m p l e m e n t a r ym e t a l 0 x i d es e m i c o n d u c t o r ) 技术。c m o s 技 术的最大优点就是它的静态功耗非常小( 趋于零) ，集成度可以非常的高。目 前，特征尺寸为o 0 6 5 肛m 的c o m s 工艺的集成电路已经大规模生产，利用该工 艺可以生产超过l g b 的d d rr a m 和3 g h z 的中央处理器( c p u ) 芯片，每片上 可集成几千万个晶体管。不久，0 0 4 5i tm 以下的c m o s 工艺就会成为高性能设 计的选择。尽管c m o s 工艺是当前毫无争议的主流技术，但是双极工艺也并没 有消亡，因为它的速度快，匹配性好，耐压能力强，在混合信号( m i x e d - - s i g n a l ) 集成电路、射频集成电路等领域b i p o l a r 和c m o s 经常被集成到同一芯片上，称 为b i c m o s 工艺。 集成电路的集成度成指数增长的主要原因在于：器件越小，集成度越高， 芯片成本越低，性能和稳定性越好。但是随着集成电路的特征尺寸逐渐逼近半 导体硅的物理极限，新工艺的制造成本越来越高，成品率( y i e l d ) 却逐渐下降， 很多人怀疑摩尔定律即将失效。一些非硅材料( 例如锗、镓、砷等等) 在一些 领域在逐渐代替硅的角色，同时，使用d n a 技术构建集成电路也成为微电子领 域的热点。但是，也有大多数研究人员认为硅材料在集成电路中的应用还远远 没有到达尽头。 i i 2 集成电路的分类 集成电路的分类方法很多，如果从工艺上分，有c m o s ，b i p o l a r 以及b i c m o s 等等。从特征上分，有数字的、模拟的和混合信号的芯片。芯片制造在晶元 ( w a f e r ) 上，它的制造是一个非常复杂的过程( 涉及到化学处理，光处理等) ， 片上电路经过连续的掩膜( m a s k ) 处理生成，所谓掩膜处理是指在不同的制造 阶段需要处理晶片上的不同位置，这就需要遮住其他不需要处理的部分，称为 不同的掩膜层。根据集成电路设计中设计者和制造厂商的不同分工和不同的掩 膜层设计，芯片可以分为以下几类： 一全定制芯片( f u l l c u s t o m i c ) 的所有版图都是由设计者( 用户) 设计 的，制造厂商只需要将其印制在晶元上。可以认为，全定制设计开始于晶体管 级( t r a n s i s t o r - - l e v e l ) ，这种方法最灵活，设计人员可以控制几乎所有的电路 参数，唯一的限制就是制造厂商的工艺条件。全定制的芯片可以达到最好的性 能和最低的功耗，但设计成本也是最高的，需要花费更多的时间并有更大的风 险。因此，全定制设计只用于可多次重用、产量非常大或对性能功耗要求非常 苛刻的设计。目前来说，只有高性能的c p u 的部分电路，标准单元库和一些特 殊应用( 如高电压器件) 是采用全定制设计的。 基于标准单元的芯片( s t a n d a r d c e l l b a s e di c ) 是目前使用较多的一种 半定制芯片。这种设计是利用生产厂家提供给设计者的标准单元库，包括各种 触发器，门电路，r a m ，甚至较大的功能模块，设计者可以将他们组合起来实 现自己需要的功能。这些标准单元是按照大小排成等高的行，所以物理设计可 以完全自动化，因此设计者可以在相对较短的时间内( 相对于全定制设计) 实 现功能比较强大的电路，但是设计的灵活性取决于生产厂商提供的标准单元库， 即使对于相同的工艺，不同的标准单元库的性能可以会有很大的差别，因此设 计者要在系统设计阶段认真考虑使用哪种库。由于不同的基于标准单元的芯片 采用不同的标准单元器件实现，因此它仍然需要进行所有的掩膜层设计，它的 制作周期较长( 大约两个月) ，成本也较高。 基于门阵列的芯片( c a t e a r r a y b a s e di c ) 也属于半定制的芯片。在生 产厂商提供的基片上已经完成生产所用的基本阵列( b a s ea r r a y ) ，通常由一 种或者多种特定的基本单元( b a s ec e l l ) 构成，需要定制的掩膜层只有布线层。 例如，由于理论上所有的数字电路都可以由二输入与非门构成，一种最简单的 门阵列就是集成电路上的所有逻辑单元都是二输入与非门( 称作：“门海”) ， 不同的设计通过综合工具映射到不同的二输入与非门连接关系产生最终电路。 由于使用门海实现的电路效率比较低，我们通常使用的是嵌入式门阵列 2 ( e m b e d d e d c a r e a r r a y ) ，它也是目前比较热门的所有结构化专用集成电路 ( s t r u c t u r e da s i c ) 中的一种，即在生产厂商提供的基片上已经嵌入可能使用 的一些逻辑功能块，如处理器，r a m ，p l l ，d l l ，a d ，d ，a 等，甚至连接好 的时钟树等等。需要注意的是，由于这些逻辑块已经制造完成，即使最终设计 者不需要这些逻辑单元，它们也只能被浪费了。例如，如果厂家在基片上提供 了3 2 k 字节的r a m ，而用户只需要1 6 k 字节，另外的1 6 k 字节仍存在于最终的集 成电路上，因此相比较于基于基本单元的设计，基于门阵列的设计不够灵活， 门的利用率也较低，它的优势是生产周期短( 两周以内) ，而且由于生产厂商 储备了大量的已经制造好了的晶片可以用于多个不同的设计，制造成本也比较 低。 - p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ) 属于“可编程”的芯片，没有需要 定制的掩膜层，用户只需要用e d a 软件将设计转换成“程序”烧写或下载到器 件中即完成工作。目前使用的p l d 器件分成f p g a 现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a r r ya r r a y ) 和c p l d 复杂可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，它们的区别在于，f p g a 基于s r a m 技术，结构 灵活，但逻辑无法保持，需要在每次上电时写入或者在线写入。组合逻辑通过 查找表( l u t ) 实现，然后通过层次化的金属线互连。l u t 和连线带来较大( 且 不固定) 的延时。f p g a 资源丰富，含有触发器和存储器等资源。可以支持很大 规模的设计( 百万门级) 。但容量比较大的f p g a 价格昂贵。f p g a 的供应商一 般还提供丰富的i p 资源。另外还有一种基于反熔丝( a n t i f u s e ) 连接的f p g a ， 只能一次编程、但体积小、集成度高、速度高、易加密、抗干扰、耐高温。 c p l d 基于f l a s h 技术，逻辑写入后可以保持。逻辑通过多路复用器( m u x ) 和或门实现，然后驱动触发器或直接输入。由于逻辑结构简单，实现逻辑的延 时和功耗都相对于f p g a 较低。但资源较少，通常只有几十到几百个触发器，单 片的价格很低。使用p l d 的优点是大大缩短了设计实现的时间，简化了设计难 度，缺点是单片成本高，设计的性能受p l d 的限制，很难实现高性能或者有特 殊要求的设计。 为了应付这些挑战，一些f p g a 厂商也推出了所谓嵌入式f p g a ( e m b e d d e d f p o a ) ，即在f p g a 嵌入预先制造好的逻辑功能块。它同嵌入式门阵列一样，属 于结构化a s i c 的一种。 芯片设计者必须在系统设计时决定使用哪种类型的设计方法( 如图1 一l 所 示) ，对于除p l d 外的其余三种方法还要决定使用哪种类型的工艺( 如o 3 5i lm 或者o 1 3l im c m o s 等等) ，这主要取决于系统性能、开发周期和单片成本三方 面的权衡，对于全定制设计或较小尺寸的基于标准单元的设计，最终生成的集 成电路性能较高，面积较小，单个晶片可制造的成品多，因此单片制造成本也 较低，但与此同时开发他的成本高，分摊到每个芯片的设计费用较高，因此当 芯片产量很大或系统要求的性能较高时( 例如c p u ) ，设计者常采用全定制设 计或较小尺寸的基于标准单元的设计。与之相反，基于门阵列或p l d 的设计， 门使用率较低，因此实现同样的设计面积较大，单片制造成本高，但设计周期 短，设计成本低，分摊到单片的设计成本低，如果所需要生产的芯片数量不多， 性能要求并不是很高( 如某些通信系统的控制芯片) ，通常采用基于门阵列或 p l d 的设计。 全定制荐准单元门葺列 f l d 图1 i 不同类型芯片的比较 1 2h d m i 高清晰多媒体接口的出现背景伫6 】 当随着l c d 显示器和其它数字显示设备的不断出现，以p d p 、d l p 、l c d - t v 等为代表的数字显示器已经在人们的生活中逐渐普及，特别是高清晰数字电视 正在走进普通百姓的家庭，这将引起一场“数字化家庭”的革命。 数字电视从演播室到发射、传输、接收过程中的所有环节都是使用数字电 视信号，或对该系统所有的信号传播都是通过由二进制数字所构成的数字流来 完成的。高速的数据流传输速度保证了数字电视的高清晰度，克服了模拟电视 的先天不足。 然而，目前主流的d v d 产品并不具备视频数字输出功能，大部分还都使用 着传统的复合视频信号( c v b s ) 接口。并且长时间以来，大多数计算机与外部 显示设备都是通过模拟v g a 接口相连的。 “在数字显示设备日益发展的前提下，使用模拟信号传输到数字显示设备 上就很吃亏、很浪费，显示效果反而不如同档次的模拟显示设备。”这是因为 所有的模拟信号在数字显示设备中进行的第一个处理就是再次数字化而导致图 像细节损失，显示的图像比模拟显示设备由于多了一次模数转换处理而毫无优 势。在模拟传输中，每一次数字模拟、模拟数字的转换都将导致信号质量的 下降。 视频解码方面，过去一直使用的标准清晰度解码输出，在视频图像达不到 4 高分辨率的水平时，使用标准清晰度解码输出不会影响画质效果，随着h d t v 以及高清晰d e 、d v 的出现，使得图像清晰度越来越高。如果依旧沿用标准清 晰度解码，则会将超高清晰度的图像及视频压缩成标准清晰度( 如6 4 0 4 8 0 ) 分 辨率输出，若此时使用的是普通分辨率的输出设备( 若恰好为6 4 0 4 8 0 ) ，则清 晰程度不会改变，如果改用商清晰度高分辨率的显示设备( 如1 2 8 0 7 2 0 ) 进行 输出，则需将分辨率为6 4 0 4 8 0 的图像扩大为分辨率为1 2 8 0 7 2 0 的图像，由于 图像扩大时没有数据填充解码时压缩掉的数据，所以图像质量反而不如普通输 出设备。 因此，传统的音视频传输接口显然已经不能适应种类越来越多的数字音视 频播放设备与数字式显示接收设备的连接，取而代之的将是全新的数字音视频 接口规范。高清晰数字电视的接口技术标准也是整个高清晰数字电视标准的重 要部分。在进行数字音视频产品研发的同时，对信号接口的应用研究同样是研 发工作中一项不可回避的任务。 长期以来，业界一直很需要一个能快速实现各类带宽数字信号直接互连的 数字接口。上世纪9 0 年代以后，曾出现过几个数字接口标准，如v e s a 的p l u g ： d i s p l a y 和d i g i t a lf l a tp a n e l ( d f p ) 规范，但它们终因兼容性、连接过于复杂和 无法升级至更高目标等原因，未能在业界统一流行起来。 其他一些已经普及的数字传输接口标准，如u s b ，i e e e l 3 9 4 等，u s b 虽 然得到了普遍应用，但是都受到有限的带宽的限制，以及电路结构复杂等原因， 无法真正的应用于高清晰实时视频领域。针对这种情况，以d v i 和h d m i 为代 表的高清晰数字多媒体接口应运而生。 1 9 9 8 年由s i l i c o ni m a g e 、i n t e l 、c o m p a q 、i b m 、h p 、n e c 等公司共同成立 了数字显示工作组d d w g ，并于1 9 9 9 年4 月，数字视频接口d v i ( d i g i t a lv i s u a l i n t e r f a c e ) 1 0 标准正式颁布，它的设计目的最初是用于电脑，实现主机和监视 器之间的数字信号传输。现在被应用到高清晰度视频领域，用来传输无压缩高 清晰的实时数码图像。d v i 接口的出现已经可以满足人们的需要，它可以保证 【d d d 】全数码传送，相比起使用色差传送的【d - a d 】，由于避免了两次d a ， a d 转换，画面失真显著减少。d v i 能够传输无压缩高清晰实时数码图像。视频 质量得到了极大的提高。 d v i ( d i g i t a l v i s u a l i n t e r f a c e ) 标准是建立在s i l i c o n i m a g e 公司的的p a e l l i n k 接口技术之上的。这种技术使用了最小化传输差分信号t m d s ( t r a n s i t i o n m i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l 最小变换差分信号) 的模式作为最基本的电气连 接。 在d v i 标准中对接口的物理形式、电气指标、时钟方式、数据的编，解码规 则及传输方式都进行了严格的定义和规定。在h d c p ( h i g hb a n d w i d t hd i g i t a l c o n t e n tp r o t e c t i o n ) 协议公布之后，d v i 在使用过程中的大多数情况下，都包含 了一个可对传输内容实施加密保护的h d c p 协议，以防止d v i 信号内容被盗拷。 另一方面，尽管d v 接口的设计初衷是作为计算机( p c ) 与数字显示终端的专 用接口( 通常情况下它只传输3 路8 比特的r ，g ，b - - - 原色数据) ，而当它和数 字消费类电子产品相连接时，如连接至h d t v 接收机时，还被允许传输数字分 量y c r c b 数据( 有人称为d v i h d t v 接口) 。为了具有最大的广泛性，d v i 接口 兼容v e s a 的p ：d ( p l u g a n dd i s p l a y ) 接口规范以及至今仍在广泛使用的模拟显示 设备( 主要是c r t 显示器) 上的v g a 接口。d v i 的接口物理连接器定义了三种 类型： 1 ) d v i a 型：纯粹的传输模拟信号，只用8 、c 1 、c 2 、c 3 、c 4 和c 5 引脚， 现在几乎不用。 2 ) d v i d 型：全数字信号传输接口，只用l 2 4 引脚。 3 ) d v i i 型：除了可传输数字信号外，另外增加了5 只引脚供模拟r 、g 、b 和h s 、v s 信号接入，此外它的第6 、7 、1 4 、1 5 、1 6 脚还可用于信号接 入或输出。它们之间的关系见图1 2 所示。 纂蔫鬻瞄霉a n 黼a i k 嬲o g黪黪下黼。黪黪姜”： 缀壤燃瓣辔黪勰渤j 圈1 - 2d v i - i 信号引脚不葸图 然而，d v i 也有一系列难以克服的问题，首先，d v i 虽可兼容模拟信号和数 字信号，但由于d v i 接口标准当初是面向电脑显示系统开发的，所以接口具有 2 9 个引角，过于庞大，不适合装在便携设备上，而且d v i 仍然不支持数字音频 信号传输，不支持加密保护，对于视频信号也只能传输适用于p c 领域的数字 r g b 信号，而不支持数字色差信号y c b c r ，并且连接线长度通常为1 米，超过4 米则会严重影响画质。 显然d v i 接口还远远不能满足我们的需要，完成高质量的多媒体信息传送 需要一种新型的接口，它具有d v i 接口的所有优点，同时又弥补了d v i 接口的种 种不足。 1 3h d m i 接口的概述 1 3 1h d m i 接1 3 的主要特点【1 , 2 6 1 d v i 接口标准的推出，实现了计算机与各种数字显示终端之间数字视频信 息的直接互接问题。随着a t s c 、d v b t 制式的数字高清电视的全面开播及越 来越多的数字多媒体播放设备出现，d v i 规范只能传输未压缩数字视频信号而 不能传输压缩数字视频信号和音频信号的特点显然带有很大的局限性。 6 2 0 0 2 年的4 月，日立、松下、飞利浦、s i l i c o ni m a g e 、索尼、汤姆逊( r c a ) 、 东芝共7 家著名消费电子制造商成立了h d m i 组织，开始共同研发，签署协议 认可新的专用于数字视频音频传输标准。2 0 0 2 年岁末，高清晰数字多媒体接 口( h i g h 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 ) 1 o 标准颁布。 h d m i 高清晰度数字多媒体接口标准，它仍然建立在s i l i c o ni m a g e 的t m d s 技术之上，是用于消费类数字多媒体播放设备与数字显示终端设备之间实现全 数字音视频传输的最新接口标准。 d 理舯 跫一 嬉一 i 丢e i 图1 - 3h d m i 发射器芯片 哥刊琅 p c y ，g 啪 嗍 d l 柏l 醒 v s 眦 鹏悄c o d c k 图1 4h d m i 接收器芯片 图1 3 和图1 4 分别给出了s i l i c o ni m a g e 的p a n e l l i n kc i n e m ah d m i 芯片系列 中的一对芯片原理方案，其中图1 3 为h d m i 发射芯片，图1 - 4 为h d m i 接收芯片。 二者均符合h d m i1 1 和h d c p1 1 规范，兼容d v i1 0 规范。以它们为代表的 h d m i 芯片具有如下优越的特点： 片上集成智能p a n e l l i n kt m d s 核。 _ h d m l 支持高端视频传输标准： 7 1 ) h d m i 可支持的计算机显示格式有： s x g a ( s u p e re x t e n d e dg r a p h i c sa r r a y ) ：1 2 8 0 x 1 0 2 4 8 5 h z ； u x g a ( u l t r ae x t e n d e dg r a p h i c sa r r a y ) ：1 6 0 0 x 1 2 0 0 6 0 h z ； 2 ) h d m i 可支持的数字电视显示格式有 s d t v ：4 8 0 i 、4 8 0 p 、5 7 6 、5 7 6 p ： h d t v ：7 2 0 p 、1 0 8 0 i 、1 0 8 0 p ： 一灵活的视频接口支持d v d 和h d m p e g 解码输出： 1 12 4 一b i tr g b ，y c b c r4 ：4 ：4 ； 2 11 6 2 0 2 4 b i ty c b c r4 ：2 ：2 ； 3 18 1 0 1 2 一b i ty c b c r4 ：2 ：2 ( i t u 6 0 1 ，6 5 6 ) ； 4 11 2 - b i t 双时钟沿时钟输入模式； 5 ly c b c r - - r g b 的彩色转换； 6 、支持b t a t 1 0 0 4 视频输入格式； 7 ) 输入时钟可分( o 5 倍，2 倍，4 倍) 。 支持高端数字音频接口。 1 ) 4 x 1 2 s 输入接收d o l b yd i g i t a l ，d v d a u d i oi n p u t ( 2 通道1 9 2 k h z ；8 通道 9 6 k h z ) ； 2 1s p d i f 输入支持p c m ，d o l b yd i g i t a l ，d t sd i g i t a la u d i o ( 3 2 9 6 k h z 的 采样频率) ； 3 ) 兼容i e c 6 0 9 8 5 或i e c 6 1 9 3 7 标准； 4 1 灵活的可编程1 2 c 通道映射； 5 12 ：1 与4 ：1 的采样比例下支持9 6 k h z 和1 9 2 k h z 音频码流。 _ 主1 2 c 控制接口使d d c 连接简单，成本低。 _ 智能h d c p 加密引擎对音、视频信号自动加、解密。 _ 预编程的h d c p 密钥提供高水平的安全保护。 h d m i 最高可支持5 g b p s 的数据传输率，最远可传输1 5 米，相对于仅需要 2 2 g p b s 的h d t v 来说，还有很大的带宽可以留给将来可能的更高标准的数字信 号。h d m i 足以应付一个1 0 8 0 p 的视频和一个8 声道的音频信号。由于一个1 0 $ 0 p 的视频和一个8 声道的音频信号需求少于4 g b s ，所以h d m i 还有很大余量。这 允许它可以用一条电缆分别连接d v d 播放器、接收器和数字视频录像机 ( p v r ) 。 此外h d m l 支持e d i d ( e x t e n d e dd i s p l a yi d e n t i f i c a t i o nd a t as t a n d a r d 增强 型显示识别数据标准) 、d d c 2 b ( d i s p l a y d a t a c h a n n e l 显示数据通道标准) ， 因此h d m i 的设备具有) 即插即用) 的特点，信号源和显示设备之间会自动进 行) 协商) ，自动选择最合适的视频音频格式。 h d m i 最大的优点就是，既能无压缩的传输全数字的视频信号，也能同时传 送数字音频信号，只靠一根h d m i 线连接终端设备，就能同时欣赏到清晰的画 面和立体的声音了。 1 3 2t m d s 技术简介 最小化传输差分信号t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l 最小 变换差分信号) 的模式，是s i l i c o n i m a g e 公司的p a e l l i n k 接口技术中所使用的 最基本电气连接。d v i 标准和h d m i 标准都是建立在p a e l l i n k 接口技术之上，所 以h d m i 协议和d v i 协议一样，都是基于t m d s 编码机理的。 t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l 最小变换差分信号) 是 d d w g 的成员s i l i c o n i m a g e 公司开发的，用于将图形数据送到显示器的技术。 它通过异或及异或非等算法，将8 位数据转化为1 0 位，前8 位由原始信号经过运 算后获得，第9 位指示了运算的方式，第1 0 位用来对应直流平衡( d c b a l a n c e d ) 。 这种算法使得被传输信号过渡过程的上冲和下冲减小，直流信号接近于平衡。 它以差分形式发送信号，信号的优化使信号