（微电子学与固体电子学专业论文）高清晰多媒体接口（hdmi）音频设计和研究.pdf

高清晰多媒体接口( h d m i ) 音频设计和研究 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。但是有限的带宽使这些接口只能传输一些速率比较低的高清晰图 像或者低分辨率的动态图像，同时又因其电路结构复杂，且不支持数字音频传 输，无法真正应用于高清晰实时视频领域。为了克服这些缺点，h d m i ( 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。 h d m i 接口与其它接口的根本区别在于：h d m i 接口是完全数字化的接口， 保证信号在传输的过程中没有任何压缩，可以获得高水平的视听效果。h d m i 采用最小差分变换信号一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 ) 技术， 实现了数字信号的高速无损传送。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d v d 播放机h d m i 高清晰多媒体接口的原理 及结构，并简要介绍了t d m s 链路技术。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 音视频数据的处理。 本文详细介绍了h d m i 中错误校正编码( e c cb c h ) 的原理，并在原有的 基础上设计出一种新型的结构，该结构由两路并行数据输入端代替了原来的一 路串行数据输入端，从而提高了数据处理速度，缩短了电路的工作周期，提高 了电路的工作效率。该结构使用v e r i l o gh d l 编写r t l 级代码，并使用m o d e l s i m 通过了仿真和验证。结果表明，该新结构可以提高音频及辅助数据传输速率。 关键词：高清晰多媒体接口最小差分变换信号错误校正编码综合 t h ea u d i od e s i g na n dr e s e a r c ho nh d m i a b s t r ac 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 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 e l 3 9 4a n ds oo n h o w e v e r ，t h e s ed i g i t a lt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e sc a no n l yt r a n s m i tl o wb i tr a t eh i g h d e f i n i t i o np i c t u r ea n dl o wr 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 e b a n d w i d t h 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 ta n d i m p o s s i b i l i t yo ft r a n s m i t t i n g d i g i t a la u d i od a t a ，t h e yc a n ta p p l yt ot 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 i n o 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 sd e v e l o p e d c o m p a r i n gt h eh d m lw i t ho t h e ri n t e r f a c e s ，t h eu l t i m a t ed i f f e r e n c ei st h a tt h e h d m ii sac o m p l e t e dd i g i t a li n t e r f a c e ，a n de n s u r e st h a tt h e r ei sn oc o m p r e s sd u r i n g d e l i v e r i n g t h e ni tc a no f f e rh i g hq u a l i t yo fv i d e oa n da u d i o h d m it a k e st h e e n c o d i n gt e c h n o l o g yo ft 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 ) ，a n di t r e a l i z e st h eh i g hs p e e dt r a n s m i s s i o no ft h ed i g i t a ls i g n a lw i t h o u tl o s s 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 nb e t w e e nh d m ia n d d 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 da n db 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 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 fh d m i ，b e s i d e s ，t h e p 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 fi n t r o d u c t i o n sa b o u t t 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 e p r i n c i p l eo fe c c b c h i si n t r o d u c e di nd e t a i l s an e w s t y l es t r u c t u r e i sd e s i g n e do nt h eb a s i so fi n t r i n s i es t r u c t u r e t h i ss t r u c t u r ei s c o m p o s e do ft w o p a r a l l e ld a t ei n p u t si n s t e a do fo n l yo n eb u n c hd a t ei n p u t s ot h es p e e do fd a t a p r o c e s s i n gi si n c r e a s e d ，w o r kp e r i o d si ss h o r t e n e da n dw o r ke f f i c i e n c yi si m p r o v e d t h ec o d ei sd e s i g n e dw i t hv e r i l o gh d l ，a n di ti ss i m u l a t e db ym o d e l s i m t h e r e s u l ts h o w st h a tt h i ss t r u c t u r ec a ni m p r o v et h es p e e do ft r a n s m i t t i n ga u d i od a t e a n da s s i s t a n td a t a k e yw o r d ：h d m i t m d se c cb c h s y n t h e s i s 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图5 - 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 插图清单 采用h d m i 产品后( 右) 缆线数量明显减少4 t m d s 差分对的概念电路8 h d m i 系统结构整体框图11 h d m i 编码器和解码器的概述1 4 7 2 0 4 8 0 p 视频帧的t m d s 周期1 5 t m d s 周期和编码18 纠错编码发生器1 9 数据岛数据包和e c c 结构2 0 t m d s 视频数据编码算法2 2 t m d s 视频解码算法2 3 默认的象素编码：r g b 4 ：4 ：4 2 5 y c b c r4 ：2 ：2 组份2 5 8 b i ty c b c r4 ：4 ：4 映射2 6 双倍象素的r g b 2 6 音频时钟再生模式3 2 可选择的装置：音频接收器3 2 例：音频采样的时序3 5 h d m i 源设备对音频数据的编码处理过程3 8 n - k 级移位寄存器编码电路4 8 传统的音频数据及辅助信息b c h 编码结构5 0 b c h 奇偶校正编码波形图5 4 改进的信息位b c h 编码结构图5 5 改进的b c h 奇偶校正码波形图6 0 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表3 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 5 表3 6 表3 7 表3 8 表3 - 9 表3 10 表3 1 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表格清单 a 型接口引脚分配1 3 b 型接口引脚分配13 编码类型和数据传送1 6 各种数据周期类型的导言1 6 控制信号设置1 9 编码算法定义2 2 数据包标题2 7 数据包类型一2 7 空数据包标题2 8 音频时钟重建数据包标题一2 8 音频时钟重建子数据包2 9 音频采样数据包标题2 9 音频采样子数据包3 0 信息帧数据包标题3 1 通用控制数据包标题3 l 关于音频采样频率的通道状态位值一3 3 音频数据包的配置和配置值3 4 i e c 6 1 9 3 7 信息流块形式3 9 i e c 6 1 9 3 7 编码信息流块在i e c 6 0 9 5 8 帧序列中的分配4 0 h d m i 音频采样包的包头结构4 0 子包结构4 1 音频辅助数据包格式4 2 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 佥日巴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 明并表示谓f 意。 学位论文作者签字糸炫签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂有关保留、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 金理王些太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：糕经扩 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的家人，他们永远是我前进的动力! 本论文是在导师叶兵教授的悉心指导下完成的。叶老师学识渊博，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。 衷心感谢叶老师两年多来对我的关怀、培养与无私的教诲。 感谢我的同学汤益华、徐桥铭在我论文的设计过程中对我的热情帮助，特 别还要感谢我的师兄王曙光，他在我论文写作过程中给了我巨大的帮助。 第一章绪论 1 1 课题研究背景 当今人类社会正在从工业社会走向信息社会。信息技术以前所未有的速度 广泛地应用于社会生活的各个方面，改变着人们的工作、生活和学习方式，并 对社会的政治、经济、军事、文化等各个领域产生深远影响。信息化发展水平 已成为衡量一个国家、一个城市现代化水平和综合实力的重要标志。信息技术 在保持和提高一个国家的经济发展和社会发展方面，已成为重要因素，信息技 术是经济发展的关键，也将会引起社会生活的明显变化。发达国家借助经济技 术优势，抓住信息化的机遇，加快自身发展，增强了对全球资源和市场的控制。 在我国，代表着先进生产力的中国共产党站在时代的前沿，高瞻远瞩，把信息 化建设作为覆盖现代化建设全局的战略举措，提出了以信息化带动工业化，发 挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展的伟大方针。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，随着超大规模集成电路和数字电子技术的发展， 数字通信设备、计算机、光器件和视听产品得到了革命性的发展，使人们进入 了数字信息时代。在数字化潮流的驱动下，消费类电子产品己被视为继信息产 品之后，推动市场成长的重要力量。在提高消费类电子产品的性能与个性化需 求的驱动下，企业界纷纷加大研发投入，不断融入新的技术。在家庭娱乐产品 方面，大屏幕彩电、数字电视、新型影碟机、数码相机、彩屏p d a 和m p 3 播放机 等新兴产品，受到消费者和制造商们的广泛关注。 随着生活的数字化，“家庭影院 这个名词对我们来说已不陌生。曾几何时， 录像机占据了人们视听娱乐的市场，很快的录像机又被v c d 、d v d 所取代， 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，即所谓的d t v 、 h d t v ，这将是一场“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 是通过二进制数字所构成的数字流完成的。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。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。然而，目前主流的d v d 播放机产品 并不具备视频数字输出功能，大部分还使用着传统的复合视频信号接口。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显然很吃 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，从而导致图像细节 损失，显示的图像由于多了一次模数转化而毫无优势。在模拟传输中，每一次 数字模拟、模拟数字的转换都会导致信号质量的下降。于是随着人们生活 水平的不断提高，人们对于视听品质的要求越来越高，在这种环境下，如果不 推新等于自取灭亡，于是第一个行业支持的、无压缩的、全数字的音视频接口 一h d m i ( 高清晰多媒体接口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 ) 诞生了。 在各种媒体趋于综合和集中的今天，d v d 播放机无疑占据这主流市场，然 而想竞争市场占有量，产品价格是极其重要的因素。据统计，在过去的4 年里， d v d 播放机的价格已经跌了近7 0 。价格下跌打破了d v d 播放机市场扩展 的屏障，同时也促进了d v d 播放机消费量的较快增长。但是据业内人士的调 查统计，目前d v d 播放机的利润已不足2 0 0 元，d v d 播放机可能面临像当年 v c d 一样残酷的市场竞争环境。业内人士分析说，众多厂家看中了d v d 播放 机市场的巨大发展前途，纷纷加入到这个领域，使得其生产规模不断扩大，功 能不断创新，使得一些老型号的无法满足消费者需求的产品大量库存，降价就 似乎成为唯一的解决办法。尽管如今的d v d 市场依旧繁荣，但重蹈v c d 当年 的覆辙似乎不可避免。因为先进的技术取代落后的技术，这是自古以来的发展 道理【2 j ，因此如何开发出新功能的d v d 播放机已成为关键。 人们越来越注重生活的质量和品位，高清晰化数字视听产品已成为人们追 求的目标。在追求高品位的视听享受的同时，人们也追求生活的简单化。在这 种背景下，2 0 0 2 年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、 东芝七家公司成立了h d m i 组织，开始制定新的专用于数字音视频传输标准。 2 0 0 2 年岁末，高清晰数字多媒体接l z ih d m l l 0 标准颁布【3 】，这使得高清晰全数 字小型化接口h d m i 的开发成为可能。 1 2 课题目的及意义 h d m i 一作为全数字化的高清晰接口，一经推出，以其强大的优势占据着 a v 视听产品市场，很多外国公司已经在欧美日市场推出了支持h d m i 的高清 晰电视，功放机和d v d 播放机，其画面清晰，性能优越，有着很好的市场前 景。 现在d v d 播放机市场上主要使用的a v 端子有d v b s 接口、s 端子接口、 s c a r t 接口( 欧美电器标准接口) 、d 端子( 日本) 和3 r c a 端子、v g a 端子。 但是随着影音技术的发展，各种数字接口应运而生。 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 li n t e r f a c e ) 1 0 标准正式颁 布。d v i 接口利用最小差分变换信号一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 l s i g n a l ) 作为基本电器链接信号。t m d s 链路主要用于将图像数据传送到显示 器。d v i 接1 3 协议允许使用双t m d s 链路结构，从而可以支持更大分辨率的显 示设备。t m d s 通过先进的编码算法将8 位的像素数据转换成1 0 位的最小变换 信号，削弱了传输电缆中的各种干扰，另外这种先进的编码算法可以为接收端 提供时钟恢复信号，并允许在较远距离传输时( 一般小于5 m ) 信号有较大的抖 动误差【4 1 。 2 d v i 接口能够传输无压缩的，高清晰实时数码图像，视频质量得到了极大 提高。然而d v i 接口过于庞大，不适合便携设备使用，而且它不支持数字音频 信号传输。h d m i 就可以克服以上缺点。和其他接口相比较，h d m i 接口有着 自身的优势： ( 1 ) h d m i 可以传输未压缩的数字音频信号，可以获得高水平的视听效果； ( 2 ) 所有的h d m i 端子可以保证无损失的兼容其它类似的接口，并且可以 避免不必要的信号转换损失； ( 3 ) 价格低廉的h d m i 在提供数字接口的品质和功能的同时，还以一种简 单的，划算的方式支持无压缩的视频信号； ( 4 ) h d m l 支持多种音频格式，从标准的立体声道到多声道的环绕声； ( 5 ) 使用简单的h d m i 将视频和多声道的音频信号传输集合在一条缆线上， 避免了现在正在使用的多根线连接方式造成的成本高，使用复杂和混 乱的现象； ( 6 ) 智能的h d m l 支持视频资源( 如d v d 播放机) 和d t v ( 数字电视 d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 之间的沟通，能够实现更多的功能【5 】； h d m l 支持多种视频数据格式： ( 1 ) s x g a ：1 2 8 0 x 1 0 2 4 8 5 h z ( 2 ) u x g a 1 6 0 0 x 1 2 0 0 6 0 h z ( 3 ) s d t v ：4 8 0 i ，4 8 0 p ，5 7 6 i ，5 7 6 p ( 4 ) h d t v 7 2 0 p ，1 0 8 0 i ，1 0 8 0 p h d m i 还支持多种音频数据格式： ( 1 ) c d ：1 6 位 3 2 ，4 4 1 ，4 8 h z ( 2 ) d v d v i d e o ：8 通道数字音频 ( 3 ) d v d - a u d i o 2 4 位 1 9 2 h z 与其他接口相比h d m i 还具有易通性： ( 1 ) h d m l 支持e d i d ( 扩展显示辨认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 n d a t a ) ，因此有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”，自动选择最合适的音视频格式。 ( 2 ) c e c ( 消费者电子控制c o n s u m e re l e c t r o n i c sc o n t r 0 1 ) 功能使你可 以只用一个遥控器控制全部音视频设备的基本功能，在你对所有的设备( d v d 播放机，a v 接收器，投影机等) 进行初期设置之后，平时使用的基本功能就 可以通过任何一个设备的遥控器实现。初期设置之后，你就可以把不大会用到 的遥控器收起来，只留下最常用的设备的遥控器就可以了1 6 】。 h d m i 接线方式与传统的接线方式有着本质的不同。最传统的全模拟连接 需要2 7 根线。如图1 1 所示。d v d 播放机和a v 接收器之间，机顶盒和a v 接 收器之间，a v 接收器和h d t v ( 高清晰电视h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 之间 各需要3 根色差视频线和6 根5 1 声道音频线，该连接方式有很大的局限： ( 1 ) 信号源的数字音频信号需要先转换成模拟信号，而p d p ( 等离子显 示器p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) ，l c d 投影机，d l p 投影机又必须再将模拟信号转 换成数字信号，图像质量必然有所下降； ( 2 ) 信号源的数字音频信号需要先转换成模拟信号，a v 接收器可能再 一次将其转换成数字信号后进行处理并转换成模拟信号输出，不但图像质量会 下降，声音质量也有所下降： ( 3 ) 连接线的色差信号的传输距离是3 m 到5 m ，如果要提高传输距离 必须选用昂贵的连接线，否则图像质量会大打折扣； ( 4 )模拟信号在传输过程中不可避免的会受一定的干扰； ( 5 )一大堆线共2 7 根： 图1 1采用h d m i 产品后( 右) 缆线数量明显减少 h d m i 连接方式只需要3 根线，这样不但方便实用，而且可以降低连接的 成本。普通h d m i 传输线的距离高达1 0 m 到1 5 m ，使用投影仪的客户不必再为 高昂的长距离模拟色差线而烦恼了! 高科技市场研究公司i n s t a t e m d r 的报告指出，d v i 接口将只会应用在 p c 市场，尤其是商业l c d 应用领域；而在c e ( 消费电子c u s t o m e re l e c t r o n i c s ) 产品领域，今后大多要采用h d m i ，而且最终h d m i 将逐步取代现在的d v i 接 口。因此h d m i 不但具有很高的应用价值，而且具有很广阔的市场前景。 1 3 国内外研究概况及发展趋势 本节介绍了包括h d m i 在内的多种数字接口，并对每种接口的优缺点进行 了简单的分析，同时还介绍了h d m i 的发展历程，以及在中国的发展情况。 1 9 9 8 年，虽然当时的p c 界有了不少的数字接口，如u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s 0 ，i e e e l 3 9 4 、d f p ( d i g i t a lf l a tp a n e lg r o u p ) 、p & d ( d i g i t a lp l u g a n d d i s p l a y ) 等，但是这些端口对于无压缩的，高清晰的数字信号的传输仍然不能令人满意。 u s b 接口虽然得到普遍应用，但是有限的带宽使得u s b 只能传输一些低速率 4 的高清晰静态图像或者低分辨率的动态图像：i e e e l 3 9 4 虽然在数码摄影机上得 到了广泛应用，但也是由于受到传输带宽的限制，只能传输标准清晰度的压缩 数码图像，并且其电路结构复杂，虽然具有双向传输的特点，但是也无法在高 清晰视频领域攻城掠地。d f p 和p & d 随着越来越多的数码显示设备( l c d 液 晶显示器l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，p d p 等) 的发展而得到应用，但是d f p 由于 没有有效的版权保护措施而在距离成功只一步之遥的地方停滞不前。p & d 则考 虑了太多的兼容性，可以传输t m d s 数字信号，并且兼容i e e e l 3 9 4 和u s b 等 太多性能而导致高昂的成本，从而注定失败。 d d w g ( 数字显示工作组d i g i t a ld i s p l a yw o r k i n gg r o u p ) 在1 9 9 8 年成立， 专门致力于研发一种连接电脑和显示器的数字视频接口。1 9 9 9 年4 月，数字视 频接口d v i1 0 标准正式颁布。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 0 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 g a 图像【_ 7 l 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。d f p 、p & 、d v i 接口都是基于s i l i c o ni m a g e 公司的t m d s 编码技术发 展起来的。但是随着时代的发展，d v i 表现出了许多弊端： ( 1 ) 太“大一的接口，不适合装载便携设备上； ( 2 ) 如果用在家用视频设备上，两路t m d s 信号完全用不着。一路t m d s 就完全可以传输7 2 0 p 、1 0 8 0 i 、1 0 8 0 p 的数字信号； ( 3 ) 只能传输用于p c 领域的数字r g b 信号，不支持色差信号y c b c r ； ( 4 ) 只支持8 位( 2 4 位3 ) 的数字r g b 传输，不支持具有更多细节的 1 2 数字信号； ( 5 ) 如果是数字传输，为兼容“旧 的模拟设备而预留的模拟接口部分 多余，无法传送数字音频。 h d m i 最高支持5 g b p s 的传输速度，相对于仅需要2 2 g b p s 的h d t v 来说， 还有很大的宽带可以留给将来可能的更高标准的数字信号。h d m i 既能传输无 压缩的原数码的视频信号，也能同时传送数码音频信号。只靠一条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。将h d m i 技术应用于 d v d 播放机，与拥有h d m i 的高清晰数字电视进行配合，将充分体现h d m i 高速高清晰的优点，带来视听上的享受。 1 4 i - i d m i 的发展 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 是许可代理商，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 的培训。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，lo 月h d m i 被d v d 5 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 月2 3 日，h d m il l c 公布了高分辨多媒体接口h d m i 的1 2 版本，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，这显然是针对v e s a 前阵子推出 d i s p l a yp o r t 接口的回应【8 】。到2 0 0 5 年3 月已有18 9 家公司成为h d m i 的许可 采纳者，只需付1 5 0 0 0 美元年费，就可免费下载取得h d m i 规格书，开发h d m i i c 。h d m i 已经获得所有主要的消费电子产品制造商的采用。 h d m i 是基于d v i 制定的，可以看作是d v i 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l 路 t m d s 时钟通道。对视频而言，每个象素点最高可以用2 4 位来表示，传输速率 最高可达1 6 5 m h z ，因此整个带宽最高可达3 9 5 g b p s ，完全满足传输高清晰图 像的要求。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，即岛屿数据传输期，进行音频数据和 辅助数据的传输，因此不会占用可用视频传输带宽 。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，也是目前唯一一个使用单电缆传输未压缩音 视频信号的传输接口 。h d m i 在保持高品质的情况下能够以数码形式传输未经 压缩的高分辨率视频和多声道音频数据，最高传输速度为5 g b p s 。h d m i 能够 支持所有的a t s ch d t v 标准，不仅可以满足目前最高画质1 0 8 0 p 的分辨率， 还能支持d v da u d i o 等最先进的柱子音频格式，支持八声道9 6 k h z 或立体声 1 9 2 k h z 数码音频传送，而且只用一条h d m i 连线，同时h d m i 标准所具备的 额外空间可以应用在日后升级的音频格式中。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。只用一条线，就可以取代最多1 3 条模拟传输线，能有效地解决家庭娱乐系统背后连线杂乱纠结的问题。h d m i 搭配了宽带数字内容保护一h d c p ( h i g hb a n d w i d t hd i g i t a lc o n t e n tp r o t e c t i o n ) ， 以防止具有著作权的影音内容遭到未经授权的复制。正是由于h d m i 内嵌 h d c p 内容保护机制，所以对好莱坞有特别的吸引力。h d m i 规格包含针对消 费电在的t y p ea 连接器和p c 用的t y p eb 连接器两种，相信不久h d m i 将会 被p c 业界采用。 h d m i 这个标准具备多种用途，能成功解决许多困扰消费电子产业的问题。 h d m i 标准采用t m d s 技术，具有每秒数千兆的影音内容传输带宽，再加上i n t e l 的h d c p 内容保护技术，对消费电子产业链的每一分子而言，h d m i 标准都提 供了理想的解决方案，所带来的结果是整齐美观的线缆和接头组装，而一般的 消费者也觉得使用方便。 另一方面，d v d 拷贝管制协会( c c v ) 规定，所有播放c s s 保护内容且 6 画质高于4 8 0 p 5 7 6 p 的d v d 播放机，必须具备h d m i h d c p 或d v i h d c p 输 出端子。美国的f c c 也规定在2 0 0 5 年7 月1 日后贩售的所有具有“数字有线 功能 的电视，均必须具有h d m i h d c p 或d v d h d c p 输入端子。此外，c a b l e l a b s 也在其o p e nc a b l e 计划中，规定所有高画质数字电视盒必须具备 h d m i - h d c p 或d v d h d c p 输出端子。代表欧洲信息通信技术与消费电子产业 的组织e i c t a ，也于2 0 0 5 年1 月1 9 日宣布，任何贴有“h dr e a d y 的现实设 备，必须通过h d m i 或d v i 数字接口接收高分辨内容的传输，而且其h d m i 或d v i 输入端子必须支持h d c p 。在日本，a r i b 标准指定具防拷贝功能的h d m i 作为授权数字接口。所有这些规定更加强化了h d m i 在市场上的地位【9 】。 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1 0 家迅速增加到截止1 0 月的3 2 家，并还在继续增长。2 0 0 3 年，h d m i 消费类电子产品的销售量只有2 5 万台，但在2 0 0 4 年便成长至6 0 0 万台以上。 h d m i 已成为事实上的数字电视和消费电子产品的接口标准，通过h d m i 单一 电缆传送高质量数字音视频信号，可以将d v d 播放机，d v d 录像机，机顶盒， d v h s 播放机，a v 接收器这些数字来源装置和数字电视，等离子显示器，液 晶电视，投影机等数字显示设备之间的未压缩信号，以全数字的方式互通，给 家庭娱乐带来高质量的体验。 1 5 主要研究内容 本文对d v d 播放机上h d m i 系统进行了研究，就h d m i 系统的音频信息 及辅助信息的传输问题进行了分析，以及在h d m i 音频设计中，对原有的e c c b c h 错误校正编码电路进行了改进，从而大大提高了音频信息及辅助信息的传 输速率。 第l 章综述了国内外h d m i 发展状况以及h d m i 自身的优势，明确了本文 进行该项研究的意义及重要性。 第2 章主要介绍了h d m i 的工作原理，同时还介绍了h d m i 采用的数字编 码方式一一t m d s 。 第3 章主要介绍了h d m i 音频数据的各种数据包以及处理方法。 第4 章主要分析了h d m i 音频传输技术，并总结了h d m i 音频传输设计的 基本步骤。 第5 章主要介绍了音频传输设计中的错误校正编码( e c cb c h ) 设计，通 过改变其电路结构，可以提高音频信息及辅助信息的传输速度。 7 第二章h d m i 基本工作原理 2 it m d s 编码原理简介1 2 1 2 i 1t m d s 概述 h d m i 协议和d v i 协议一样，都是基于t m d s 编码原理。t m d s 是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【1 0 】。t m d s 技术是服务 于d v i 和h d m i 标准的底层协议。差分电路中的差分信号，通俗地说，就是驱 动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻 辑状态“o 还是“1 。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。最小变 换差分信号一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 i n g ) ，将编码数据与 参考时钟以差分电流信号方式高速传输，在接收端通过终端匹配电阻建立差分 电压信号。如图2 1 所示。 图2 1t m d s 差分对的概念电路 两个互补的高速开关共用一个电流源，在编码数据流的控制下导通与截止。 t m d s 物理层为d c 耦合，通过高速脉冲电流的通断在正负两相终端电阻之间 建立信号电压。传输介质的单端特性阻抗要求为5q ，信号电缆的最大长度为 1 0m 。发送器的输出摆幅大于等于4 0 0 mv ，信号2 0 8 0 的变化时间要在 7 5 p s 与0 4t b i t 之间。它由三基色数据通道和参考时钟通道构成，两个t m d s 链路共用参考时钟。一般数据通道o 到2 及参考时钟成为链路l ，参考时钟及 数据通道3 到5 成为链路2 。根据当前版本的d v i 标准，参考时钟通道的最高 频率为1 6 5m h z ，单t m d s 链路( 即数据通道0 ，1 ，2 和参考时钟) 可以支持到1 9 2 0 1 0 8 0 6 0h z ，双链路可以支持到2 0 4 8 1 5 3 6 7 5h z 以上的显示格式。可 见，单t m d s 链路几乎就可以满足目前市场上所有的主流显示设备。 8 差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面： a 抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干 扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所 以外界的共模噪声可以被完全抵消。 b 能有效抑制e m i ，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐 射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。 c 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不 像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能 降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。 2 1 2t m d s 的时钟同步和数据编解码 h d m i 接口的先进性体现在它可以将海量的显示信息实时传送到显示设 备，t m d s 先进的编解码算法是其强大能力得以实现的根本。在h d m i 的t m d s 编解码过程中有一个重要的控制信号：d e 。d e 信号由图形控制芯片提供，并由 接收芯片恢复，无须用户干预。【d e 】- - 1 表示当前进行编码或解码输出的数据 为像素数据，【d e 】= 0 表示当前像素数据无效，而相应数据通道的控制数据有 效。由编码器输出的是串行的1 0b i t 码元，并且最低有效位先送出。对于显示 技术至关重要的行同步、场同步信号被作为控制信号在链路o 的蓝基色通道编 码、发送，其他基色通道的控制信号及链路l 的三个数据通道的控制信号均被 用作保留信号，一般推荐接逻辑o 。在t m d s 编码器输出的1 0 b i t 编码中，代 表像素数据的编码包含了5 次或5 次以下的变化信息，而代表控制信号的编码 包含了7 次以上的变换信息。这些含有高变化信息的编码在显示的消隐时期内 ( 【d e 】- 0 ) 被送出。解码器可以唯一确定地识别这些高变换码，从而使得p l l ( 锁 相环p h a s el o c k e dl o o p ) 可以利用这些确定的信号作为时钟相位校正的参考 信号。 在整个t m d s 链路中存在着四个相互关联的时钟信号，它们分别是：像素 时钟，编码时钟( 或码元时钟) ，参考时钟，采样时钟。这四个时钟信号经由p l l 电路和相应的驱动电路进行连接。t