（通信与信息系统专业论文）基于fpga的hdmi显示系统的设计与实现.pdf

华东师范大学硕士毕业论文 摘要 伴随着多媒体显示和传输技术的发展，人们获得了越来越高的视听享受。 从传统的模拟电视，到标清、高清、全高清。与显示技术发展结伴而行的是显 示接口技术的发展，从模拟的a v 端子，s - d e o 和v g a 接口，到数字显示的 d 接口，技术上经历了一个从模拟到数字，从并行到串行，从低速到高速的 发展过程。 ) m i 是最新的高清晰度多媒体接口，它的规范由s i l i c o ni n l a g e 等七家公 司提出，具有带宽大，尺寸小，传输距离长和支持正版保护等功能，符合当今 技术的发展潮流，一经推出，就获得了巨大的成功。成为平板显示器、高清电 视等设备的标准接口之一，并获得了越来越广泛的应用。 从上世纪8 0 年代) a l 心发明第一款f p g a 芯片以来，f p g a 就以其体系 结构和逻辑单元灵活，运算速度快，编程方便等优点广泛应用与i c 设计、系统 控制、视频处理、通信系统、航空航天等诸多方面。 本文利用a i 肛 r a 的一款高端f p g 渔芯片e p 2 s 1 8 0 f 1 5 0 8 c 3 为核心，配合 s i l i c o nh a g e 的专用h d m 【接收芯片搭建了一个皿m 【的接收显示平台。针对 h d 带宽宽，数据量大的特点，使用了新型的d d i 也s d m 蝴作为视频信号 的输入和输出缓冲。在硬件板级设计上，针对如) m i 和d d r 2 的相关高速电路， 采用了一系列的高速电路设计方法，有效的避免了信号的反射，串扰等不良现 象。同时在对印) m i 规范和d d r 2s d r a m 时序规范的深入研究的基础上，在 a i t e r a 的开发平台q i7 a r 矾7 si i 上编写了系统的顶层模块和相关各功能子模 块，并仿真通过。 论文的主要工作和创新点表现在以下几个方面： 1 、论文研究了最新的 玎) 接口规范和新型存储器件d d r 2 的时序规范。 2 、论文搭建的整个系统相当庞大，涉及到相关的规范、多种芯片的资料、 各种工具软件的使用、原理图的绘制和p c b 板的布局布线，直至后期 的编程仿真，花费了作者大量的时间和精力。 3 、论文首次使用f p g a 来处理 玎) m i 信号且直接驱动显示器件，区别于 、一般的a s i c 方案。 4 、论文对高速电路特别是的d d r 2 布局布线，采用了一系列的专门措施， 具有一定的借鉴价值。 关键字：高清晰多媒体接口( 皿m 【)显示数据通道( d d c ) 现场可编程门 阵列( f p g a ) p 核 华东师范大学硕士毕业论文 a b s t r a c t w i t ht 1 1 e 出i v e l o p m e n to fm l l l 位m e d i ad i s p l a ya n d 仃觚瞰n i s s i o nt e c h n 0 1 0 9 y ，p e o p l e e 坷o ym o r ea n dm o r e 谢恤踟m o 新s u a le n t e i t a i n m e 衄d i s p l a yt e c b n o l o g yh 嬲 d e v e l o p e d 丘o mt 1 1 e 仃a d i t i o n a l 趾a l o gt v t 0s t a d d a r dd e f - m i t i o 玛h i 曲d c 岛i t i o na n d 铷 d a t 也es a m et i r n e ，d i s p l a ym 概e t e c h n o l o g yh 勰d e v e l o p e d 丘d m 也ea v c a b l e ，s i d e 0a n dv c 认p o r t st 0t 1 1 ed 锄- e r f 如e ne x p 耐e n c e d 五的ma n m o gt 0 d i g i t a lw o 订d ，舶mp a r a l l e lt 0s e r i a li 1 1 t e 娟e ，矗o m1 0 w t 0h i 曲s p e e d 卸d m ii s 仕屺l 劬o s tl l i g h - d e f 试t i o nm m t i m e d i a 锄 e m 比e ，a n di ti si l ：坞t i t u t e db y s i l i c o nh a g ea n do m e rs i ) 【f a m o u sc o m p a m e s b e ca _ u s e0 fi t s 丽d eb a n d 谢d 电 s m a l ls i z e ，1 0 n g 仃i m s m i s s i o nd i g 眦e ，s u p p o r t i n gp p r o t e c 矗o na n do 也e r 如n c t i o n s ， i ti sk e e p i l 玛谢血日1 e 仃e n do ft e c h n o l o 西c a ld e v e l o p 删斌卸) m 1w 弱a h u g es u c c e s s w 1 1 e 1 1i tc 锄1 eo u t m o r ea n dm o r en a tp 锄dd i s p l a y sa n d1 1 i g h - d e f i n i t i o nt e l e 、，i s i o n s b a v eh d m ii n t e r f i a c e n o wi tb e c o m e so n eo f 仕屺s t a n d a r d 砒e r f h e sa n di s s u c c e s s 觚1 ya p p l i e dt 0 、析i l e 钿e a s s 硫e l i n xi n v e n t e dt h em s tf p g ad 卸i n 也c1 9 8 0 s ，f p g ai se 妣n s i v e l y a p p u e d t 0i cd e s i g n ，s y s t e mc o n t r o l ，访d e op r o c e s s i i 玛，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa i l d a 啪s p a c e 也a n ：k st 0i t sn 汹i l 蚵0 na r c 魄聪a n dl o 酉cu n 沁h i 曲s p e e da 1 1 d c 0 n 、，e i l i e n c eo np r 0 伊砒岫g a n 皿r e c e i v e rd i s p l a yp l a 怕mi s 咖触聪db yu s 魄ah i 曲- p e 面衄纽c e f p ( 逡c h i pe p 2 s 18 0 f 1 5 0 8 c 3a n ds i l i c o nh a g e s 印) m ir e c e i v e rc h i p t om e e tn l e 晡d eb 锄捌d t l l 五m 网) m 【，an e w t ) ，p eo fd d r 2s d i 乙mi su s e da s 、r i d e od a ：t a b u f 瞳i r o nt 1 1 eh a r d w 啪b o a r d 一1 e v e ld e s i g 玛珈) m ia n dd d r 2b i g h _ s p e e dc 疵i s d e s i 舀1 e db yas e r i e so f1 1 i 曲一s p e e dc m m “d e s i g nw a y st 0a v o i das i g n a lo fr e n e c t i o n 啪s s t 批0 ro 吐l c ru i l d e s i m b l ep h e n o m e n a b a s e do n 缸1 en d e 呻s t u d y0 nh d s p e c i f i c a t i o na n dd d r 2s d r a mt i m i n gs p e c i f i c a t i o n ，l et o pl e v e li s o nt h e d e v e l o p m e n tp l a t f 0 力no fa i 胍r a n 删1 e l m o r e 廿1 e 如n c t i o nm o d u l e sa r ed e s i g n e d b e n e a m 妇1 et o p1 e v e l 、i 也q u a r 爪7 s a tl a s t ，e v e 巧如n 甜o nm o ( 1 u l ei s s i m l l l 砷e ds u c c e s s 触l yo nm o d e l s i i n 卫h ea ：u 也o r sw o r ka n di m l o v a = t i o n 硫1 u ( 1 e ： v 华东师范大学硕士毕业论文 1 r e s e 砌i nd e p 也0 n 也el 咖s t 肋龇e 驰i f i c 撕o na n d 也en e wd d r 2 皿崩n - 0 巧痂矗m gs p e c m c a d o n 2 也ee 虹t i r es y s t 锄s t m c t u r ei s 跚【0 】锄0 1 1 s ，i n v o t v i n gt h er e l e v a n ts t a 工i d 雒d s ，m 锄y k i n d so fc h i p s ，u s i n gv a r i o l l ss o f t 、硼r et o o l s ，d r a 谢n g 也es c h e m 撕c ，p c bl a y o l i ta n d s i n n n a 血g 也ep r 0 口卸陷t h ea u 也0 rs p e n ta l o to f 缸e 锄d e 力。e r g y0 n 也e 3 i 枷a t e 也ef p g a t 0 捌w i 也瑚) s i 印a l sa n d “v ed i s p l a y sd h c u y 血；t e a do f t h eg e n e r a la s i cs c k 釉e 4 u as e r i e so fs p e c i a lm e 也o d s0 nh i 曲- s p e e dc 沁u i t s ，e s p e c i a l l y0 n 也ed d r 2 s d r a mc 硫u i t 1 1 1 a 士i sag o o da h e n l 】) ta n dh 鹊a 址班r e f i 骶殂c ef o rr e l a t i o n a l d e s i 星皿 k e yw o r d s ： 玎) m i ，d d c ，f p g 口c o r e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我 所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成 果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：盟。 日期： 学位论文授权使用声明 知譬，、歹 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学 位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：莺枨塾 日期：丛显! ! 至 导师签名：剀磁量 日期：v 业 0 1 i g i n a l i 坶n o t i c e h p r 懿e n t i l i gt h i s 伍伪i s 虹p a r t i a lf h l m l m e n to fm e 聆q u i r e m 蛐缸f o rt h em a s t 盯s d e g r e ea te a s tc h i n an o m a lu n 如e 礴礼y 1w a m n tt h a tt h i st h 铺i s 虹o r i ；吕i n a la n da yo f t h e t h n i q u 鹤p r 伪e n t e d i nt h et h 鹤i sh a v eb e e nn 印n do u tb ym e a n yo f t h e 糟f e 瑚c 骼t ot h e c o p 驴i g h t t r a d e m a r kp a t e n t s t a t l l t o r yr i g h t o rp r o p r i e 锣r i g h to fo 也e 礴h a v eb e 钮 饮p k c i t 哆a c l m o w i e d g e da n di n c l u d e di nt h er e f e 阳n c 鹤s e c 伽na tt h e 阻do ft h i st h e s i s 魄咖他：喜鹾薹j a t e ：么心生 c o p y r i g h tn o t i c e ih e n i na g r t h a tt h el i b n r yo fe c n us h a um a k ei t sc o p i 伪f h e l ya v a i l a b l ef o r 纽s p e c t i o n if h m e ra g r t h a te x t e n s 押ec o p 咖go ft h et h e s i s 缸a h o w a b l eo 炒f o r 鲍h o h r l yp u r p o s 铭，i np a n i c u l a r s t o r i n gt h ec o n t 蛆to ft h i st h e s i si n t o 聆l e v a n td a t a b a s 馏， a sw e ua sc o m p i l i ga n dp u b l i s h i n gt h et i u ea n da b s t r a c to ft h i st h 销i s ，c o n s i s t e n tw i t h f a i r u s e a sp n s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a wo ft h e p p i e sr e p u b l i co fc h i n a s i g n a t l l r e ： 华东师范大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 皿m i 的出现背景 随着科学技术的迅速发展，人们的生活水平日益提高。在满足日益丰富的 物质需求的同时，人们也越来越追求高品质的精神文化生活。而显示技术的发 展满足了人们日益提高的视听享受的需要。如今人们在家里都可以享受到与电 影院相同的视听体验。伴随着视听效果的不断提高，技术上是传输由模拟向数 字，由低带宽到高带宽的逐渐发展的过程。而音视频传输接口也从早期模拟的 c s ( c 衄叩o s i t e 访d e ob r o a d c a s ts i 朗a 1 ，复合电视广播信号) 、s 、，i d e o ( s e p 蹦她 d e 0 ，分离视频) ，y p b p r ( 分量视频) ，到后来数字的d v i i g i t a l s u a li n t e r e ， 数字视频接口) 等。 d 标准是由1 9 9 9 年s i l i c o nh n a g e 、i n t e l 、c o m p a q 、m m 、h p 、n e c 、 f q 咖等公司共同组成的d d w g p i 酣a ld i s p l a yw o 越n g u p ，数字显示工作 组) 推出的接口标准【l 】od v i 接口是以s i l i c o nh a g e 公司的p a 彻l l i n k 接口技术 为基础，基于n 仍s ( t r 趾s i t i o nm i n i m i z e dd i 位r e n t i a ls i 孕1 a l 啦，最小化传输 差分信号) 电子协议作为基本电气连接。t m d s 是一种微分信号机制，可以将 象素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照n s 协议编码后通过n d d s 通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。目前 单通道的d v i 接口最高可以传输的分辨率为1 6 0 0 1 2 0 0 6 0 h z 或者1 9 2 0 1 0 8 0 6 0 h z ，如果是双通道，则可以将传输速率提高一倍。但是，由于d 接 口标准最初是面向电脑显示系统开发的，尺寸较大，不适合装在当前应用日益 广泛的便携设备上，同时，它不支持数字音频传输，不支持加密保护，对视频 信号也只能传输适用于p c 领域的i 己g b 信号，而不支持数字色差信号y c b c r 。 因此，开发一种更先进的接口成为一种需。印) m 【标准也就是在这种情况下应 运而生了。 1 1 2 彻m i 的发展现状 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 nh 1 1 a g e 七家公司成立了如) m i ( h i g h d e f 试t i o nd i 西t a lm m t h e d i ah l t e r f a c e ，高清晰数字 多媒体接口) 组织，着手制定新的专用数字视频音频传输标准，用于传输未经压 缩的数字音视频信号。2 0 0 2 年1 2 月，发布了翔) m 1 1 o 标准，2 0 0 4 年5 月， 圈) 1 1 标准颁布，增加了关于d _ 旧a l l d i o 方面的规定，2 0 0 5 年8 月，阳) 1 2 标准颁布，增加了对1 比特音频格式和p c 机皿输出的支持。2 0 0 5 年1 2 华东师范大学硕士毕业论文 月，推出 玎) m12 a 标准增加了c e c 功能，并且完善了测试规范，c e c 功能 可以通过一个遥控器对所有家庭娱乐设各进行控制。2 0 0 6 年5 月2 2 日，制定 ) m i 标准的七家企业共同宣布了 d d 1 3 ，新标准将带宽和速率都提升了2 倍以上，达到了3 4 0 z 的带宽和1 0 2 g b 口s 速率闼，以满足最新的 1 4 4 0 p 撇0 a 分辨率的要求，同时增加了对便携式应用的支持等。 现在，我们在市场上到处可以看到带有皿接口的消费产品，如蓝光 d v d ，数字电视机顶盒，液晶电视，数码相机等。全球著名的行业研究机构 i 一s 诅t ，在2 0 0 6 年1 1 月发表的对d 和 ) 深度分析报告中指出，皿m i 接口在未来五年内将在消费电子领域迅猛发展。 在技术上， 玎) 接口同d 一样，采用1 s 通道作为基本的电气连接。 单通道点传输速率最高可达1 6 5 加1 z ，串行数据比特率达到39 5 g h z ，双通道点 传输速率可达到3 4 0 m h z ，串行数据比特率达到1 02 g h z 。完全满足传输高清晰 度图像的要求。而且，还在d v i 的基础上，做出了如下的改进： 1 、d 仅能传输数字色度分量信号( r g b ) ，因而目前多在p c 上使用。而 h d 可以传输r g b ，y c b c r 4 ：4 ：4 ，y c b c r 4 ：2 ：2 三种编码格式 的视频信号，满足了p c 、d v d 、数字电视机顶盒、高清电视等目前各 种常见的显示设备的要求。同时，最重要的是，加) 还能够同时传输 数字音频信号和控制信号，大大简化了系统的连接，提高了音质。 2 、物理结构方面， m i 较之d v i 更小，并且卸) h 专门制定为便携式 设各使用的 连接器规范，更适合消费电子的便携式应用。图1 1 为d v i 和h d 眦的实际图片的比较。 图1 1h d h i 和d v ic 。n n e d o r 比较 3 、传输距离方面，d 线最长可达到5 米，而h d m i 线最长可以传输2 5 米。 4 、加) 具有h d c p o 五曲_ b 粕d w i 也d i 西t a ic t 咖p 埘e c t ，高带宽数字内 容保护) 功能，支持音视频加密保护。 1 1 3f p g a 的历史和现状 f p o a ( f i e l d - p m 伊a m m a b l e g a t e a 啪y 现场可编程门阵列) 是在p a l 、g a l 、 e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。早期的可编程逻辑器件只有 华东师范大学硕士毕业论文 可编程只读存储器( p i m ) 、紫外线可擦除只读存储器( e p r o m ) 和电可擦 除只读存储器( e e p r o m ) 三种。由于结构的限制，他们只能完成简单的数字 逻辑功能。其后，出现了一种结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件 ( p l d ) ，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与 门和一个 “或门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与或”表达式来描述，所 以p l d 能完成大量的组合逻辑的功能。这一阶段的主要产品有p a l ( 可编程阵 列逻辑) 和 址( 通用阵列逻辑) 。p a l 由一个可编程的“与”平面和一个固 定的“或“平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择的被置为寄存状态。 p ! a l 是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术，e p i 的m 技术和e e p i 的m 技术。在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑 让( g e 嘶c 却l o 百c ) ， 如q 虬1 6 v 8 ，q 地2 2 v 1 0 等，它采用了e e p r o m 工艺，实现了电可擦除j 电 可改写，它的输出结构是可编程的逻辑宏单元。这些早期的p l d 器件的一个共 同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但由于结构简单，故只能实现规 模较小的电路。 从上世纪8 0 年代中期开始，l d 和a i ，t e r a 公司分别推出了类似于 p a l 结构的扩展型c p l d ( c o n l p l e xp r o 鲫衄a b l el o 西cd 耐c e ，复杂可编程逻辑 器件) 和与标准门阵列类似的f p g a ，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活， 集成度高以及适用范围很广等特点。目前两家公司都推出了1 0 0 0 万门以上的成 熟产品。 1 2 课题的目的和意义 阳) 眦接口作为最新的多媒体显示接口，在数字电视正在取代传统模拟电 视的今天，毫无疑问，将会的到广泛的应用。而现在市场上出售的高清电视中， 带有皿接口的还不多，有些产品虽然带有皿接口，但性能还很不完善。 f p g a 的发展，大大简化了a s i c 工程师的工作，同时系统设计工程师在设计一 些要求复杂，数据带宽大的系统时，传统处理器又很难满足要求，所以f p g a 也广泛被用于板级的设计。 f p g a 具有可用i o 资源丰富，内嵌适合于高速视频信号处理d s p 模块，编 程方便，速度快，接口电平可调等一系列优点，非常适合于皿信号的接收 和处理。因此，结合f p g a 的诸多优点，本课题提出了一种基于f p g a 的h d m i 显示系统的参考设计方案。拟采用a i 肌! r a 公司的一款高端芯片 e p 2 s 18 0 f 1 5 0 8 c 3 为核心，搭建h d m i 的接收显示系统。f p g a 芯片主要用来 接收来自阳) m i 解码芯片的的高速视频信号，同时将视频信号处理、发送到外 部的显示设备。为了调试方便，同时设计了很多视频的输入输出接口，将在后 面详细介绍。将f p g a 这一应用日益广泛的设计平台应用于最新的显示接口 3 华东师范大学硕士毕业论文 硼) m ，毫无疑问，在未来具有非常光明的应用前景。 1 3 本文的主要内容 本文主要章节安排如下： 第一章：绪论，主要介绍) m 【，f p g a 的历史和现状，课题的目的和意 义。 第二章：h d m i 技术规范，将详细介绍阳) m 【规范的内容，包括物理层协 议，信号的的三种编码方式，控制和配置方法，h d c p 内容保护等。 第三章：f p g a 技术简介，将介绍f p g a 的基本知识，包括f p g a 的结构， 工艺，基于f p ( 认的设计流程，现在市场上主流的f p c 认芯片和相应的设计工 具等。 第四章：系统硬件设计，是本文的核心章节，将详细介绍系统的硬件构成。 首先将介绍系统的整体架构，然后依次介绍各个部分的设计。包括阳) m i 接收 模块、d d r 2 输入缓冲模块、d d r 2 输出缓冲模块、视频输出模块和f p g a 本 身的设计，包括电源的设计，配置电路的设计，p l l 时钟的分配，i ob a n k 的 分配等等。同时将简要介绍高速电路的设计理论和本设计中采用的相应布局布 线方案。 ， 第五章：系统软件设计，主要介绍a i 胍r a 的开发平台，还有顶层的模块 设计和底层各个模块的设计，包括) m 【接收，d d r 2 控制器等部分。同时给 出了相应代码的仿真结果。 第六章：结束语，总结论文研究，提出技术前景展望。 4 华东师范大学硕士毕业论文 第二章皿m i 技术规范 2 1m 瑚i 总览 ) m 【的系统架构有发射源和接收器组成，给定的设备可能有一个或以上 皿m i 输入和一个或以上的) 输出。所有的) 输入都要满足皿接 收器的规则，所有的皿m 【输出都要满足明) 瑚【发射器的规则。 如图2 1 所示，瑚) m 【发射源和接收器连接着四对差分对，包括三对n 仍s 数据和一对1 m d s 时钟，这些数据通道用于传输视频、音频和一些辅助的数据。 除此之外，) m 【还提供了s a m s u a le 1 e c 的1 1 i c ss t a n d a r da s s o c i a t i o 玛视频电 子标准协会) d d c i s p l a yd 心lc 1 璩n n e l 显示数据通道) 。d d c 是用来配置和状 态切换( 在源和接收器之间切换) 。可选的c e c 协议提供了一种用户环境下所 有音视频产品之间的高级功能，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。 h d m is 0 u r c eh d m ls i n k 图2 1 ) 瑚【系统模块图 音频、视频和其他辅助的数据通过三对n 仍s 数据通道来传输，而一对 n 江d s 时钟，通常是等于视频像素的比特率，通过一对1 m d s 时钟通道来发送。 接收端通过这对时钟获得三对t m d s 数据通道上传过来的数据。在源端，n s 编码器将8 位数据编码为1 0 位的一个弧s 数据通道内传输的信号单元。然 后每一个n 佃i s 时钟周期传送编码后的1 0 位数据信息。 视频数据可能的像素宽度有2 4 位、3 0 位、3 6 位、4 8 位。在默认的2 4 位 象素宽度情况下，n 以d s 的时钟频率等于图像的象素点的速率。如果象素宽度 华束师范大学硕士毕业论文 多于2 4 比特，那么1 s 的时钟频率将大于图像的象素点的速率。如果视频 图像象素速率低于2 5 埘例如4 8 0 m s c 的1 35 h 蛐，那么将通过象素点重 复方式传输图像。视频图像可以编码为r g b ，y c b c r4 ：4 ：4 ，或y c b c r 4 ：2 ： 2 格式。 为了通过1 s 通道传输音频和辅助的数据，皿 使用一种封装结构。 为了达到更高的可靠性，这些数据通过对其做b c h 错误校正编码而保护起来。 基本音频信息的采样频率一般为3 2 k 王z 、4 41 k 或4 8 k ，这涵盖了所有的 立体声系统( 2 个声道) 。m ) 可以传输这些音频信息，同时将采样率提高到 1 9 2 k k ( 3 到8 个声道) 。 d m 同样可以传输压缩的音频流( 例如环绕声) 数 据比特率可以达到2 45 7 6 m b p s ， d 加还可以传输2 到8 个通道的一比特音频 和经一比特音频压缩的( 叫d s d 音频信息。 d d c 被 m 源端用于读取接收端的e e d i d 信息，以满足接受端的配置 信息和接受能力。 2 2 物理层 即) 发送源和接收端之间通过三种类型的连接器连接起来，分别是a 类， b 类和c 类。a 类是普通型，最常用，共有1 9 个脚，本课题中使用的就是这种 连接器。b 类多了一组t m d s 信号，是为了传输超高清晰度的图像，相应尺寸 也比较大，共有2 9 个脚。c 类比较小，是为了用在移动便携式设备上的，也是 1 9 个脚。由于篇幅限制，本文只介绍a 类型的连接器。如下图2 - 2 为a 型h d m i 接收器。 图2 - 2 玎) 接收器插头 表2 1 为卸) 接收器的物理管脚和逻辑信号的映射关系 华东师范大学硕士毕业论文 雾= ：二鬻缀黔 ；獬缈。纺置童蒯批唯一7 搿孵勤掰缈移露弱 p l n ? s i g n a la s s i g n m e n ti j 锈 歌趣癫鑫黧；i 。+4 “：7 1 t m d sd a 妇1 2 + 3 t m d sd 妇2 5 t m d sd a 组1s | 1 i e 融 7t m d sd a t a 0 + 9t m d sd a t a 0 一 1 1t m d sc i o c ks h i e i d 1 3c e c 1 5 s c l 1 7d d c ，c e cg r o u n d 1 9h o tp i u gd 柏c t 笏缈# ：帮黟i 彩“： 戮帮 ”? ”“j 、。磁黉瓣霉缓碧缁 l p l n s i g n a la s s 园n m e m。j 。i j 磊暮豫荔舂 _ 磊+ ，粤二+ 嬲 2t m d sd a f t a 2s h 挹i d 4t m d sd a t a l + 6t m d sd a t a l 8t m d sd a t a 0s h 酬d 1 0t m d sc l o d + 1 2t m d sc l a h c l 1 4 r e 轮r v e d ( n c 们d e v i ) 1 6 s d a 1 8+ 5 vp o 电r 表2 1a 型h d m i 连接器管脚映射表 2 3 信号和编码 2 ：3 1 总览 一个h d m 【连接包括三个n 仍s 数据通道和一个n 仍s 时钟通道。彻s 时钟通道始终发送与n 佃s 数据通道上的像素数据相一致的采样时钟。在每一 个n 仍s 时钟周期内，每一个n s 数据通道发送一个1 0 位的字符信息。而 这1 0 位字符信息的编码方式可以根据实际情况有几种。 输入到) m i 源编码器的数据流包括视频像素、包数据和控制数据。包数 据包含音频数据、辅助数据和相关的纠错码。在每一个t s 时钟周期，源编 码器将针对2 位的控制数据、4 位的包数据或8 位的视频数据采取不同的编码 方式，或者编码一个保护带字符。 阳) m i 连接有三种操作模式：视频数据周期，数据岛( d a t ai s l a n d ) 周期和 控制周期。在一个视频数据周期内，发送一个有效视频行的有效像素。在数据 岛周期内，以数据包的形式发送音频数据或辅助数据。控制周期用作引导信息 的发送，在任何两个非控制周期之间必须要有一个控制周期作为引导。 图2 3 为7 2 0 4 8 0 p 的一个场周期分配。 7 华东师范大学硕士毕业论文 图2 37 2 0 4 8 0 p 场周期格式 视频数据周期使用最小化传输编码方法去对每个t m d s 数据通道的8 位数 据，三个t m d s 数据通道共2 4 位的视频像素信息去编码。 在数据岛周期，使用一种类似于最小化传输编码的方式，即咖s 错误压 缩编码( t e r c 4 ) 的方法来编码，每条t m d s 数据通道一次发送4 位数据，三 条1 s 通道共1 2 位数据。 在控制周期，使用最大化传输编码的方法，对每个t m d s 数据通道2 位， 三条t m d s 数据通道共6 位数据进行编码。这6 位数据是h s y n c 、v s y n c 、 c t l o 、c t l l 、c t l 2 和c t l 3 。在每个控制周期快结束的时候，发出一组由这 几个c 1 1 承位构成的引导数据，用来指示下一个数据周期是视频数据周期还是 数据岛周期。 每个视频周期和数据岛周期都是以一个前导的防护带开始的，这样是为了 提供一个从控制周期到数据周期转换的可靠判断。这个前导防护带有两个指定 华东师范大学硕士毕业论文 的字符组成。 数据岛周期还有一个尾防护带作为保护。这样做是为了提供一个向控制周 期转换的可靠判断。表2 2 列出了每个操作模式时使用的编码类型和数据发送 的内容。 荔溅滋签：洌期“- 一i 。荔簪i 翟_ ! _ | 搬据发送i j j “1 ：编码类型 “ ”| l 舞曩 _ ，1 1m 视频周期防护带固定的1 0 位模式 视频像素视频数据编码( 8 位转1 0 位) 数据岛数据包( 包括音频采样t e r c 4 编码 数据，信息帧，) ，行同( 4 位转1 0 位) 步，场同步 防护带固定的1 0 位模式 控制控制( 引导，h s y n c ，控制周期编码( 2 位转1 0 位) v s y n c ) 表2 2 编码类型和数据发送内容 2 3 2 操作模式 1 、控制周期 控制周期传输引导数据。同时也被接收端用于字符同步。每一个t m d s 通 道传输两位控制信息，具体传输情况如下表2 3 ： 表2 3 控制周期传输内容 其中c t l x 表示接下来的数据周期传输的具体内容类型，只有如下表2 4 中两种组合是合法的。 懑囊麟荔i ：a 髓疆缓鐾篓戮蓼嘲鼗黪荔篓缓豢霪蓊窖j l i 貉攀誊；移+ 荔搿蝴期类型荔鬻 1000视频数据周期 1010 数据岛周期 表2 4 控制位意义 具体的2 位到1 0 位的编码情况如图2 4 ： 9 华东师范大学硕士毕业论文 c a s e( d lrd 0 ： 0 ， 0 ： qo u t 【9 ：o 】 = o b l l0 1 0 1 0 1o o ； 0 ， 1 ： qo u t 【9 ：o 】 = o b 0 0l o l0 10 1 l ； 1 ， o ： qo u t 9 ：o = o b o l0 10 1 0 王o o ； l ， 1 ： qo u t 9 ：+ o 】 = o b l 0 1 0 1 0 1 0 1 1 ； e n d c a s e7 图2 _ 4 控制信号编码 n 皿s 接收器需要在一系列的串行数据中确定数据边界的位置，一旦数据 通道中的边界字符被确定，接收器将依此同步串行数据流，并且将彻s 通道 传输的数据流解码。n 仍s 数据流提供一个周期性的尾接提示给同步解码器。 当在视频数据周期和数据岛周期处理n 仍s 字时，则包含5 次或更少的转换， 当在控制周期处理n 皿s 字时，则包含7 次或更多的转换。上图的四种编码结 果信号跳变次数都等于或大于7 次。内容转换次数多的字在控制周期中传送， 成为解码器端字符同步的基础。 2 、视频数据周期 视频数据周期传输有效的视频像素信息。如上面的描述，每一个视频数据 周期前面都有一个固定的保护带。视频数据周期没有尾保护带。具体的视频前 导防护带的值如图2 5 ： c a s ef t m d sc h a n n e ln u 1 。e r ： o ：qo u t 9 ：o = o b l o l l o o l l o o 歹 1 ：qo u t 9 ：o = o b o l 0 0 1 1 0 0 1 1 罗 2 ：qo u t 【9 ：0 = o b l 0 1 l o o l l o o 歹 e n d c a s e 图2 5 视频前导防护带编码 针对8 位的像素数据，编码器将采用近似的直流平衡法将其编码为1 0 位数 据，减小了信号的跳变。首先将8 位字符，在最低位不变的情况下，对剩下7 位与前一个编码数据对应的7 位通过异或( x o r ) 或异或非( x n o r ) 最小变 化编码( 编码前后变化最小) 为9 位的字符( 第9 位标志了采用哪种变换方式， o 表示列o r ，1 表示x o r ) ，然后根据已经传输的数据的o 和1 的个数以及当 前将传输的o 和1 的个数，决定对第一步所产生的9 位信息中的8 个数据位是 否做反转操作( 如果已经传输了更多1 ，而且当前数据的1 比0 多，那么反转， 否则不换转) ，变换为1 0 位的直流平衡码( 第1 0 位用来标志是否做了反转，1 表示做了反转，o 则表示没有做反转) 。 3 、数据岛周期 1 0 华东师范大学硕士毕业论文 数据岛周期用来传输音频采样数据和辅助数据。辅助数据包括信息帧和其 它的一些描述有效的音频和视频数据流，或者描述信息源的数据流。 如前描述，数据岛周期前面有一个控制周期，用作引导。紧接着引导的后 面，数据岛周期以一个头防护带开始，然后才是数据岛周期的第一个数据包。 在数据岛周期的每一个n 仍s 时钟周期，包括保护带，n 仍s 数据通道o 的第 0 位和第1 位都传送经过编码的h s y n c 和v s y n c 信号。t m d s 数据通道o 的第2 位用于传送数据包头，n 压d s 数据通道1 和2 各有四位被用来传送包数 据。每个数据包有3 2 个像素的长度，并通过b c h 错误校正码进行错误纠正和 检测。数据岛周期中，n d s 的每一条通道都是在传送一系列由4 位输入数据 编码的到的1 0 位数据，使用的是n 皿s 降错编码( t e r c 4 ) 。t e r c 4 编码通 过内在的错误避免机制显著的减小了连接上的错误率。数据岛周期的最后两个 字符，是尾防护带。具体的数据岛周期数据结构的示意图如下图2 6 ： v 酗 c t l 自由叼 i 1 1 黼日怕咖o 瓣_ _ m - 哪一1 9 曩一c t l 自_ 蜘熙一b 日帅 ：h n l e le -| 。- h s 丫- c 、v t ! l e。一，x 。t ，i 抻s y n c i cv s y 阮一五 ：硝i r w 融h 目_ 白ll ： ? 。：v s t ”c 1 吕。 0 l v t “d e o ； 善： p i ，。眦豸 3 ，毫：荔。：筋 司 ：h a r帆e l ， 。i 。t ：锈 警l 蕈 王 f 自妇 。盖 ：n “一，一，i 搿一。n x “1 缨 ”： j ：；岁2 二。 - i ，f t t a 柚i e 暑 p 自蝌1 、争_ c 埘2 8 j 。l = ： 粤 。 j 。一“ 口 善 鼍 三 ； ：埔i 啪1 2 f i t a h 蜘 吾 0 * ，。私：”_ ? 一。* 一” 一 苫 p 憎a n 由k l 彬睁娜c 瓣 善： ，p 酗 ”：，一p 酗l ”，： ：毒 。盂 二j ：# 矗?，。，+ - ，o ，：鼍 鼍 墨 弓 毒 西v e “d e 口繁 ! 譬 拿 西m k ，；l 缓 誉 黑：。，二荔 ，- e 一2 置筻 ，2 一 ，置1 02 图2 6 数据岛周期数据结构 头防护带和尾防护带的内容是一样的，具体编码如图2 7 ： c a s et m d sc h a n n e ln u 烈b e r ) ： o ：qo u t 【9 ：o 】= n a ； l ： qo u t 【9 ：o 】= o b 0 1 0 0 l l o o l l ； 2 ： qo u t 【9 ：o 】= o b o l o o l 王o o l l ； e n d c a s e 图2 7 防护带数据内容 华东师范大学硕士毕业论文 详细的 r c 4 编码情况如下： c a s e d 3 ，d 2 ，d 1 ， d o ) ： 0 0 0 0 ： o0 0 1 ： 0 0 1 0 ： o0 1 1 ： 0 1o o ： 0 1 0 1 ： 0 l1 0 ： 0 王1 1 ： 1 00 0 ： l 00 1 ： l0 1 0 ： 10 1 1 ： 1 l0 0 ： 1 王0 l ： 1 1 1 0 ： 1 1 1 1 ： e n d c a s e ； qo u t 【9 ：0 】 qo u t 【9 ：o 】 qo u t 【9 ：o 】 qo u t 【9 ：o 】 qo u t 【9 ：o 】 qo u t 【9 ：o 】 qo u t 9 ：o 】 qo u t 9 ：o 】 qo u t 【9 ：0 】 qo u t 【9 ：0 】 qo u t 【9 ：o 】 qo u t 【9 ：o 】 qo u t 9 ：0 】 qo u t 【9 ：0 】 qo u t 【9 ：o 】 qo u t