（计算机软件与理论专业论文）hdmi接口在dvd系统中的实现及应用.pdf

摘莹 摘要 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。高清晰数字电视的接1 3 技术标准也是整个高清晰数字电视标准的重要部 分。2 0 0 2 年岁末，h d m i1 0 标准颁布。h d m i 是目前唯一一个使用单电缆传输 未经压缩数字音视频信号的传输接口。 将h d m i 接1 3 技术应用于d v d 播放器上作为数字媒体的传输界面，已经成 为新一代d v d 播放器发展的必然趋势。z o r a n 公司拟新推出的一款带有h d m i 接口的d v d 参考设计方案v a d d i s 7 7 8 ，其中采用的是d v d 解码芯片z r 3 6 7 7 8 ， 配合上h d x t r e m e 芯片z r 3 6 7 2 1 的设计。 本人有幸参与了这款d v d 参考设计方案的研发。任务是在现有的v a d d i s 系 列d v d 播放器软件体系和1 7 7 芯片规范的基础上增加一个软件模块，支持用 h d m i 数字多媒体接1 3 的传输，包括通过d d c 与显示器通信以协商配置最适合 的输出分辨率和支持h d c p 加密保护，并负责完成了3 个客户机的软件支持。 本文是在这些实际研发工作基础上写成的，首先系统介绍了高清晰数字多媒 体接口h d m i 的技术规范，分析了它与d v i 接口相比的优势；然后论述了在z o r a n 已有d v d 播放器系统上添加支持h d m i 的软件功能模块这一工程项目从设计到实 现的全过程；最后为了更好地应用h d m i 接1 3 ，分析了d v d 碟片在清晰度上的缺 陷和h d 】p e g 提出的意义，讨论了基于h d m i 接1 3 的h d 】p e g 显示技术。在此基 础上，对原有d c t 解码算法进行了改进，提出了一个快速图像有损压缩算法 p p r t ( n 想精度放宽变换) ，其基本思想是尽可能采用较少的位移运算对图像进 行编码、解码操作，取代了原有的乘法运算，极大地提高t j p e g 解码速度，并 且保证图像的失真在可以允许的范围之内。 本项研发成果已经在2 0 0 5 年z o r a n 推出的新一款带h d m i 接v i 的d v d 参 考设计方案中采用，成功地应用于t o s h i b a ，s a m s u n g 等多个知名品牌的h d 系 列d v d 播放器产品上，并已大批量生产。 关键词高清数字电视，高清晰数字多媒体接1 3 ，宽带数字内容保护，高分 辨率j p e g 图像，理想精确度放宽变换 r l 业人掌帕r 化沦史 h d m ! 接【1 d v d 系统中的t 州发f 、i 川 a b s t r a c t h d t vi sc o m i n gt oe v e r y b o d y sh o u s e ，w h i c hw i l lc a u s ear e v o l u t i o nn a m e d 。d i g i t a l h o m e ”t h es p e c i f i c a t i o nf o rt h ei n t e r f a c et ot h eh d t vi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h e w h o l es p e c i f i c a t i o nf o rh d t v a tt h ee n do f2 0 0 2 ，t h eh d m ls p e c i f i c a t i o nv e r s i o n 1 0r e l e a s e d h d m ii st h eo n l yt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c et h a tc a ns e n du n c o m p r e s s e d d i g i t a la u d i oa n dv i d e os t r e a mb ys i n g l el i n e i ti sn e c e s s a r yf o r t h ed e v e l o p m e n to ft h ed v dp l a y e rt oi n t r o d u c et h eh d m i t e c h n i q u et ot h ed v dp l a y e ra st h ei n t e r f a c eo ft h ed i g i t a lm e d i at r a n s m i s s i o n z o r a nc o w i l lr e l e a s ead v dr e f e r e n c ed e s i g nw i t ht h eh d m ii n t e r f a c e ， v a d d i s 7 7 8 i tu s e st h ed v dd e c o d e rc h i pz r 3 6 7 7 8a n dh d x t r e m ec h i pz r 3 6 7 2 1 1w a sf o r t u n a t et op a r t i c i p a t ei nt h i sp r o j e c ta d d i n gas wm o d u l et os u p p o r th d m i t r a n s m i s s i o n ，i n c l u d i n ge d i dr e a d i n ga n dh d c pe n c r y p t i o n ，b a s e do nt h ez o r a n d v d p l a y e rr e f e r e n c ed e s i g na n dt h es p e c i f i c a t i o no f z r 3 6 7 2 1 t h i st h e s i si sb a s e do nm yw o r ki nz o r a nc o f i r s t w ei n 廿o d u c et h eh d m i s p e c i f i c a t i o na n dc o m p a r ei tw i t ht h ed v i ，a n dt h e nd i s c u s s et h ew h o l ep r o c e s so f d e s i g nw h i c ha d d san e ws w m o d u l eo nt h ez o r a nd v d p l a y e rr e f e r e n c ed e s i g nt o s u p p o r th d m i a tt h el a s t , w ea n a l y z et h er e s o l u t i o nl i m i t a t i o no fd v da n dt h e r e a s o nw h yw eh a v eh d - j p e g w ed i s c u s s et h ed i s p l a yp r o c e s so fh d - j p e ga n d i m p r o v et h ed c t d e c o d e ra r i t h m e t i ct od e c r e a s et h ej p e gd e c o d i n gt i m e t h en e w a r i t h m e t i ci sc a l l e dp p r t ( p e r f e c tp r e c i s i o nr e l a xt r a n s f o r m ) i tu s e sd i s p l a c e m e n t o p e r a t i o nt od ot h ep i c t u r ee n c o d e i n ga n dd e c o d i n gi n s t e a do ft h em u l t i p l i c a t i o n o p e r a t i o n t h i sm e t h o dc a ni m p r o v et h ej p e gd e c o d e i n gt i m ea n de n s u r et h e d i s t o r t i o no f t h ep i c t u r ei si nt h er a n g et h a tc a nb ea l l o w e d t h i ss wm o d u l ei su s e di nt h ez o r a nd v d p l a y e rw i t hh d m ir e f e r e n c ed e s i g n ， w h i c hr e l e a s e di n2 0 0 5 a n dt h ec u s t o m e r s ，l i k et o s h i b a ，s a m s u n g ，a l r e a d ym a s s p r o d u c t e dt h eh d - d v dm o d e l sw i t ht h i sf e a t u r e k e yw o r d sh d t v ，h d m i ，h d c p , h d j p e g ，p p r t 铺带绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景【t - 6 】 1 1 1 h d m i 的出现背景 随着生活的数字化，大家似乎已经对“家庭影院”这个名词不再陌生，追求 着具有真实音频、视频效果的高品质视听效果。因此，这两年不断出现了满足大 家需求的数字电视、高清数字电视，即所谓的d f v 、h d t v 。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。 高清晰数字电视的接口技术标准是整个商清晰数字电视标准的重要部分。随 着各种数字显示终端的日益普及，人们推出了多种数字传输接口标准，如u s b 、 i e e e l 3 9 4 、p & d 、d f p 、d 等。 u s b 虽然得到普遍应用，如鼠标器、键盘、移动闪存卡等，但是传输速率低 是其最大的弱点，有限的带宽使u s b 只能传输一些低速率的高清晰静态图像或 者低分辨率的动态图像，无法担当传输高清晰度数字视频的重任。i e e e l 3 9 4 虽 然在数码摄影机上得到了广泛应用，但由于受传输带宽的限制( 最高传输率是 4 0 0 m b p s ) ，只能传输标准清晰度的压缩数码图像。i e e e l 3 9 4 b 具备较高的传 输速率，但需要比较复杂且昂贵的解码系统，主要应用于专业视频领域，无法在 消费电子产品中普及应用。p & d ( d i g i t a lp l u g a n d - d i s p l a y ) 以及d f p ( d i g i t a lf l a t p a n e lg r o u p ) 接口随着越来越多的数码显示设备的发展而得到应用，但由于d f p 没有有效的版权保护措施，而p & d 考虑了太多兼容性导致了高昂的成本，从而 都没有得到较好的发展。1 9 9 9 年4 月，数字视频接口( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ) d v i 1 o 标准正式颁布，d v i 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。但是随着时代的发展，面向p c 开发的d v i 接口表现出过于庞大、 不适合便携设备使用、不支持数字音频信号传输等弊端，并不适合应用于家庭影 院a 为了适应家庭影院数字传输的要求，h d n i 高清晰多媒体数字接口应运而生。 表1 1 分析了各种市面上常见的音视频传输接口的最佳适用范围。 一l ，i li 业人学顺 学化沦史h d m i 接【i 九d v d 系统中的蜒技盹f 】 表i 1 各种音视j 唢传输接口的最佳适j l j 范刖 传输接口适州范罔 模拟接口 合成视讯传统的地面广播电视或有线电视。 s v i d e o d v d ，解析度为4 8 0 i p 的视频信号。 色差视讯d v d ，解析度为4 8 0 w p 的视频信号。 数字接口 i e e e1 3 9 4 秉fu s b 非常适合用户在家里通过因特网，f 载录制与储存 m p e g 一2 压缩内容。 d v i 适州丁i 计算机与显示器之间、来源装置或影音接收器 与高清晰显示器之间的连接，可以传输未经乐缩的高 清视频信号，但是不能传输音频信号。 h d m i 适川于来源装置或影音接收器与高清晰显示器之间 的连接，可以传输未经压缩的高清视频信号，支持8 声道9 6 k h z 或1 个声道的1 9 2 k h z 数字伴音。 1 1 2 现有的h o n l 解决方案 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、东芝共 7 家公司成立了h d m i ( h i g h d e f i n i t i o nd i g i t a lm u l t i m e d i ai n t e r f a c e 高清晰数字 多媒体接口) 组织，开始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 年岁末，h d m i1 0 标准颁布。2 0 0 4 年5 月，h d m i 1 1 标准颁布，增加了关于d v d - a u d i o 方面的规定。2 0 0 5 年8 月底，h d m i1 2 标准颁布，增加了对1 b i t 音频格式和p c 机h d m i 输出的支持。到现在为止，世 界范围内已经有超过2 5 0 家公司的4 7 0 种不同产品上采用了h d m i 技术。 h d m i 采用了先进的t m d s ( t 旧n s i t i o nm i n i m i z e dd i 胞r e n t i a ls i g n a l 最小变 换差分信号) 通道作为基本电气连接。它包含3 路1 h d s 数据通道和1 路1 m d s 时钟通道。对视频而言每个像素点最高可以用2 4 位来表示，通过1 m d s 传输， 点的传输速率最高可达1 6 5 m h z ，因此整个带宽最高可以达到3 9 5 g b p s ，完全 满足传输高清晰度的图像的要求【注1 。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( 如信息帧和场、行同步信号) 的传输，因此不会占用可 用视频传输带宽”【1 j 。 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经压缩数字音视频信号的传输接1 ：3 ， 羽。不仅可以轻松支持 h d t v 信号( 如i 0 8 0 p ) 的无压缩传输，还可以支持d v d - a u d i o 等最先进的数字 音频格式，8 声道9 6 k h z 或1 个声道的1 9 2 k h z 数字伴音。而h d t v 仅需要 2 2 g b p s ，还有很大裕量留给将来可能出现的更高标准的数字视频信号。这样就 2 带绪论 t 叮以使用一根线完成高清晰度图像和数字伴音的传播。 同时，与h d c p ( h i g h b 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 ，宽带数字内容 保护是一种保护影像版权的防盗录编码) 良好配合，支持音视频加密保护。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 a ) 、c e c ( c o n s u m e re l e c t r o n i c s c o n t r o l ，用来在各种音视频产品问传输控制命令) 。还支持热插拔的检测，具有 “即插即用”的特点。 d v d 拷贝管制协会( c c a ) 规定，所有播放c s s 保护内容且画质高于4 8 0 p 5 7 6 p 的d v d 放映机，均必须具备h d m i h d c p 或d v ! 一h d c p 输出端予。此规定 可说是h d m i 应用的重大里程碑，将更加强化h d m i 在市场的地位。除了c c a 之外，美国的f o c 也规定在2 0 0 5 年7 月1 日后出售的所有“具数字有线功 能”( d i g i t a lc a b l e - r e a d y ) 电视，均必须具有h d m i h d c p 或d v i - h d c p 输入端子。 此外，在1 9 8 8 年由有线电视业界成员所设立的c a b l e l a b s ( t h ec a h i e t e l e v i s i o n l a b o r a t o r i e s ，i n c ) ，也在其o p e n c a b l e 计划中，规定所有高画质数字电视盒 ( h 阻团旧s ) 必须具备h d h i - h d c p 或d - h d c p 输出端口。在全球各地纷纷宣布 采用h d m i 的机构中，代表欧洲信息通信技术与消费性电子产业的组织e i 口r a ， 于2 0 0 5 年1 月1 9 日在布鲁塞尔宣布，任何贴有“h d r e a d y ”卷标的显示装置， 均必须透过h d m i 或d 数字接口接收高分辨率内容的传输，而且其h d m i 或 d v l 输入端予必须要支持h d ( = p 。另外，h d m i 顺应性测试( h d m ic t ) 标准已 经成为消费类电子市场确保产品兼容性和互通性的一个重要因素。 s i l i c o ni m a g e 是d v i 集成电路制造业界的领导厂商，而且是h d m i 组织的 创始会员。世界第一颗h d m i 发送器及接收器芯片就是由该公司推出的，名为 p a n e l l i n kc i n e m a 。2 0 0 4 年，s i l i c o ni m a g e 发表第二代p a n e l l i n kc i n e m ai c ， 其s i l 9 0 3 0 传送器，以及s i l 9 0 2 1c t m ) 与s i l 9 0 3 1 接收器均提供支持 d v d a u d i o 、强化视频分辨率、提高音效采样频率，以及多重连接端口的h d h i 连接等多种应用功能。 1 1 3 课题的提出 d v d 播放器作为数码消费类电子的一员，为了能够提供未经压缩的高质量 音视频源，并和主流的高清晰数字电视接口相配合，将h d m i 应用于d v d 播放 器上作为数位媒体的界面，已经成为d v d 播放器发展的必然趋势。z o r a n 自主 3 i 北f ：业j 懈i 学位沦卫 h d m ii l _ i nd v d 系统。 一n 实现硬m 研发的h d x t r e m e 芯， ( z r 3 6 7 2 1 ) ，配合卜h d m i 将使新代的d v d 播放器能 够数字地传输目自口最高质量的音视频和数码相片到配长了h d m i 接口的高清晰 数字电视上。 1 2 课题任务 z o r a n 公司拟推出的新一款带h d m i 接口的d v d 参考设计方案，采用的是 d v d 解码i 卷片v a d d i s 7 7 8 ( z r 3 6 7 7 8 ) ，配合上h d x t r e m e 芯片z r 3 6 7 2 1 的设计。 本人有幸于2 0 0 4 年8 月去该公司实习，参加了这一研发工作，任务是在现有的 v a d d i s 系歹j j d v d 播放器软件体系和1 7 7 芯片的规范的基础上增加一个软件模块， 支持用h d m i 数字多媒体接口的传输，包括通过d d c 与显示器通信以协商配置最 适合的输出分辨率和支持h d c p j j i 密保护。 1 7 7 ( z r 3 6 7 2 1 ) 的基本功能是获取v a d d i s 解码芯片( 1 6 4 v 或1 7 6 ) 输出的4 8 0 p ( 或5 7 6 p ) 的数字信号，转换为适合所连接的h d t v 的输出信号。1 7 7 包含一个升 频器，可以将图像的分辨率升至h d t v 格式或者用于电脑显示器的v g a 格式。1 7 7 将同时支持从d a c 来的模拟输出和用于h d n i 接口的数字输出。由于h d m i 包括音 频传输，1 7 7 也可以接收从v a d d i s 解码芯片和h d m i 传输来的数字音频信号。将1 7 7 配合1 7 6 d v d 解码芯片使用，还可阻直接传输高解析度的j p e g 图像至u 1 7 7 ，而不 需经过任何升频处理。这个附加的功能将使h d t v 能够输出非常高质量的静态画 面，e p h d - j p e g 。 1 7 7 的接口控制模块主要完成以下功能： 1 与所连接的h d _ r v 通信，按照v e s a 标准( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r c l s a s s o c i a t i o n ) ，通过d d c 读取e d i d 信息。 2 按照输出音视频源、所连接的h d i v 规格和e d i d 信息配置1 7 7 。 3 如果需要，联合1 7 7 和hd - r v ，执行h d c p 认证程序。 4 支持c e c 。 2 0 0 5 年，z o r a n 公司已经成功地推出了这一款带h d m i 接口的d v d 设计方 案，目前已经成功地应用于t o s h i b a ，s a m s u n g 等多个知名品牌的h d 系：歹d d v d 播放器产品上，并已大批量生产。 1 3 本文主要内容 4 第章绪论 首先，在第：章中介绍了丁i 作的平台和背景知以，2 1 节从物理层、信号和 编码、视频、音频、控制和结构及内容保护h d c p 这6 个方面简要介绍r h d m i 的技术规范，分析了h d m i 和d v l 相比较的优势。在2 2 节中整体介绍了 d v d 软硬件体系结构、硬件组织模块、各个模块的搭建和分工以及h d x t r e m e 芯片z r 3 6 7 2 1 。 第三、四章详细描述了h d m i 接1 3 控制模块的设计与实现。第三章设计部分 分析了在现有d v d 系统上添加h d m i 功能模块的需求、模块存在和开发的意义、 这个模块的可行性分析，并从解码任务、核心任务、用户界面三方面描述了模块 的总体设计。第四章结合硬件从用e d i d 配置1 7 7 、h d c p 认证过程和音视频传 输几个部分具体介绍了模块的实现和工作。 第五章作为应用实例讨论了基于h d m i 的h d - j p e g 显示。简要介绍了】p e g 图 像文件格式，然后分析了d v d 碟片在清晰度上的缺陷和h d - j p e g 提出的意义。并 提出了一个改进原有d c t 解码算法以提高j p e g 解码速度的p p r t - 算法，在保证图 像失真在允许的范围内的前提下，采用尽可能少的位移运算取代原有的乘法运算 对图像进行编码、解码操作，其编码效率是f c t 编码效率的2 6 4 9 0 倍，解码效率 是i f ( 了解码效率的9 8 3 6 倍，在效率方面有很大的优势。同时在提出新算法的时 候采用的关于计算量的分析方法，虽然只是初步的研究，但是已经指明，基于统 计和信息熵以及布尔函数表达是分析计算量以及探索计算本质的有效方法，定性 的给出了精度对运算量影响的近似函数关系。 注1 给定分辨率所需的带宽，是由显示器的刷新频率和消隐间隔( 包括行、场消隐间隔的 总和) 决定的，可用下列公式计算 分辨率刷新频率x ( 1 + 消隐间隔) = 像素秒 例如，显示1 9 2 0 x 1 0 8 0 5 0 h z 消隐间隔s 的视频信号，则1 9 2 0 x 1 0 8 0 x 5 0 x 1 0 5 = 1 0 8 ，8 6 4 ，0 0 0 ，显示所需带宽为1 0 9 m h z ，利用1 6 5 m h z 带宽的t m d s 足够了。 5 川北i i kj 、倾i 学化l p 史 2 1h d m i 技术规范 h d m i 接u f i ：d v dt 统中的实趣l 肚”1 第二章工作平台 “h d m i 技术规范是为使用单电缆传输未经压缩数字音视频信号而建立的传 输标准，最高带宽可达3 9 5 g b p s ，可支持h d t v 信号的无压缩传输、d v d a u d i o 数字音频格式、8 m 道9 6 k h z 数字伴音或i 个声道的1 9 2 k h z 数字伴音” 3 1 。 2 1 1 技术规范 5 】 “h d m i 接口系统对信号的传输由数字信号编码、数字传输、信号解码三部 分构成”h 。如图2 i 示，视频、音频和辅助信号( 如场、行同步信号) 送入h d m i 的编码发送芯片，进行数据编码，然后通过3 路t m d s 数据通道和i 路_ f w d s 时钟通道传送到信号接收端。视频像素时钟信号由t m d s 时钟通道传送，作为接 收端对3 路1 w d s 数据通道传来的数据进行恢复的频率参考。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。 图2 1h d m i 接口系统整体框图 6 第争i 作、卜台 2 1 i 1 物理层 h d m i 有a 、b 两种类型的接口。a 型接口( 图2 2 ) 有1 9 个引脚( 表2 1 ) ， 支持单向的t m d s 连接，可以传送h d m i 所支持的所有信号，最高1 6 5 m p i x e l s s e c 。 b 型接口有2 9 个引脚，支持双向的t m d s 连接，用于支持需要双向连接带宽的超 高分辨率的计算机显示器，可以高于1 6 5 m p i x e l s s e c 。规范还制定了转换a 型接 口和b 型接口的适配器。 图2 2 h d m i a 型接口 表2 1a 型接口引脚分配 引脚号信号分配 引脚号信号分配 it m d sd a t a 2 +2t m d sd a t a 2s h i e l d 3t m d sd a 妇2 -41 m d sd a t a l + 5t m d sd a t a ls h i e l d 6t m d sd a t a l - 71 m d sd 日t a 0 +8t m d sd a 协0s h i e i d 9t h d sd a t a 0 -1 0t m d sc l o c k + 1 11 m d sc l o c ks h i e i d 1 2t m d sg o d ( - 1 3c e c1 4 保留位 1 5s c l1 6s d a 1 7 d d c c e cg r o u n di b十s vp o w e r 1 9 热插拔检测 t h d s 通过o n 和。仟状态问的跃变来传送数据，采用布尔异或( x o r ) 或者异非 或( x n o r ) 操作，可最小化跃变以避免额外的电磁干扰对电缆的影响，并附加了 平衡直流( d c ) 信号的操作。在这个过程中输入的八位数据被编码为十位跃变最 小化的直流平衡的字符( 前八位是编码的数据，第九位用于识别数据是否采用了 x o r 或x n o r 逻辑编码，第十位用于直流平衡) 。这种先进的编码技术使数据在接 收端能够得到可靠的恢复。因此，通过t m d s 传输，传输距离能够显著提高。 2 1 1 2 信号和编码 h d m i 连接包括3 路t m d s 数据通道和1 路- m d s 时钟通道。时钟通道按照 所传输视频信号的像素频率不问断的发送。每个t h d s 时钟周期内，3 路t h d s 信道各传输1 0 b i t 。输入发送器编码的信号包括视频信号，数据包和控制信息。 数据包晕的信息包括音频、附加信息以及纠错编码。每个t m d s 时钟周期可有 7 h d m i 接lj “d v d 系统中的唼埘。2j * 用 2 b i t 控制信息，4 b i t 数据包! 悦8 b i t 视频信号送到发送端的个t m d s 通道，进 行编码。h d m i 议通过对视频信号、音频信号和控制信号的分时控制，实现了 音视频的同时传输。 h d m i 的信号传输过程包括3 个期洲：视频数捌传输期、岛屿数据传输期和 控制数据传输期。在视频数据传输期，h d m i 数据传输线上传送视频像素信号。 视频信号通过编码，生成每像素时钟周期3 路共2 4 位的t m d s 数据流。在岛屿 数据传输期，h d m i 数据线上传输的是音频数据和辅助数据( 信息帧和场、行同 步信号) 。该期间的数据采用t e r c 4 ( 丌d se r r o rr e d u c t i o nc o d i n g ) 的编码方式， 将4 位数据转换成1 0 位。打包后送到3 个t m d s 数据通道。每像素时钟周期3 路通道共传输1 2 位数据包。音频数据在接收端解码还原，以原来的采样频率重 现。为了提高每个数据包的可靠性，及时检查出错误的数据，每个数据包中还包 含有经e c c ( e r r o rc o r r e c t i o nc o d e ) 运算后的校验位。协议规定，每个岛屿数据 传输期，至少要传送i 个数据包，最多1 8 个数据包。每个数据包由包头、包体 ( 包含4 个子包) 和校验位构成。h d m i 岛屿数据在控制( 消隐) 周期插入h d m i 视频光栅中传输。在每两个视频传输期之间，至少要传送一个岛屿数据，这样可 以保证音频数据有足够的传输速率。岛屿数据包括所有音频数据包( 音频采样包 和音频时钟再生包) 、传输状态信息a v h l r r e 和一般a v 配置信息( 如视频色彩 模式、视频采样率、音频声道数和音频采样率等) 。除了音频外的所有数据包， 每帧传输一次且有自己在垂直消隐区的可编程的区域。这些数据包包括：一般控 制包、空包、a 信息帧包、s p d 信息帧包、音频信息帧包和m p e g 源信息帧包。 在任意两个数据期之间是控制数据传输期，它用来传输文件头和场、行同步 控制信号。该期间传输6 位数据，分别为h s y n c ( 行同步) 、v s y n c ( 场同步) 、 口- l 0 、口1 - i 、c t l 2 和口1 3 。采用2 到1 0 位的编码方式，即传输最大化编码。 每个t m d s 传输2 位有效数据，3 路通道每像素时钟周期传输6 位有效数据。 c t l 0 、c t l i 、c t l 2 和口1 _ 3 用来说明接下来的数据是视频数据还是岛屿数据。 2 1 1 3 视频 h d m l 支持的数字视频格式有： s x g a ：1 2 8 0 x i 0 2 4 8 5 h z u g a ：1 6 0 0 x 1 2 0 0 6 0 h z s d t v ：4 8 0 i 、4 8 0 p 、5 7 6 i 、5 7 6 p 8 第一辛i 怍、卜f h d t v ：7 2 0 p 、1 0 8 0 i 、1 0 8 0 p 对视频信号而言，1 叶 t m d s 通道可以传输8 位有效数据，3 个t 卜1 d s 数据通道 就可以同时传输2 4 位有效数据。t m s 编码将每通道8 位的信号流转化为l o 位的直 流平衡、传输最小化信号流，以每像素时钟剧期1 0 b i t 的速率传输。每个视频像 素点最高可以用2 4 位来表示，像素的传输速率最高可达1 6 5 m h z ，因此可以传输 高清晰度的图像。h d m i b 够传输2 5 m h z 1 6 5 m h z 采样速率的视频信号。对于低 于2 5 m h z ，如传输速率为1 3 5 m h z 的4 8 0 i 和5 7 6 i 的视频信号则使用复制像素的设 计发送。视频像素可以编码成r g b4 ：4 ：4 ，ygc4 ：4 ：4 或是ygc ，4 ：2 ：2 格式。 r g b 4 ：4 ：4 一r 、g 和b 三个分量各占用一个t m d s 通道。视频图像一个给定 行的第一个像素的三个分量紧跟着防护频带字符( 固定是1 0 位) ，在视频数据周期 的第一个像素时钟周期输出。即在像素周期i ，t m d s 通道0 输出噩，通道1 输出6 ， 通道2 输出冠。 yg c ，4 ：4 ：4 一一跟r g b4 ：4 ：4 类似，g 、y 和c ，三个分量各占用一个 t m d s 通道。在像素周期i ，通道0 输出g ，通道1 输出，：，通道2 输出g 。 y g c4 ：2 ：2 4 ：2 ：2 的数据在一个像素时钟周期内只需要两个分量的带 宽，因此每个分量可以有更多的位被传输。全部2 4 个有效位被分为y 分量1 2 位和 c 分量1 2 位。y 分量的高8 位( 1 1 4 ) 由通道1 的全部8 位输出，低4 位( 3 0 ) 由通 道0 的低4 位( 3 0 ) 输出。如果少于1 2 位，有效位左对齐，并用0 填充低有效位。 通道0 的高4 位( 7 4 ) 和通道2 的全部8 位，用来传输c 分量。如图2 3 。 t m d s c 蛔i l l , e l 酗3 一d 0 鳓7 - 4 一矗。叵三泛习匹班珀 2 b i t s7 - 0 幽2 3 】，ge4 ：2 ：2 格式视频流各分量的通道分配 9 ! ! 塑! 堡蔓! 型! 至堕! 塑生小些! ! 旦 视频数据周期传输的第个像素也岔三个分鞋：k ，g 。和c 。k 和( j 。，分 量扫：第一个t m d s 像素时钟周期输出。第二个t m d s 像素时钟周期输出c ，。和第二 个像素的y 分量r 。这样，每两个t m d s 像素时钟周期传输一个1 2 位的c 。和一个 1 2 位的c ，分量。因此，这两个分量在连接的同一个信号通道上是多路复用的。 以此类推，第三个- m d s 像素时钟周期，输出第三个像素的y 和g 分量，再下 个时钟周期，输出第三个像素的c r 分量和第四个像素的y 分量。 对于低于2 5 m h z 的视频信号则使用复制像素的方法来提高采样频率。每个像 素点重复一次。也就是说，所有在第一个像素周期输出的数据都在第二个像素周 期重复输出一次。第三个像素周期输出实际上的第二个像素的数据。 2 1 1 4 音频 h d h l 支持的数字音频格式有： c d ：2 通道1 6 位 3 2 、4 4 i 、4 8 k h z d v d w i d e o ：8 通道数字音频 d v d - a u d i o ：i 通道的2 4 位 1 9 2 k h z 音频信号采用数据包结构，通过t e r c 4 的编码方式，将4 位数据转换成1 0 位， 配合b c h 纠错码保证了音频和控制信号的高可靠性。采样率为3 2 k h z ，4 4 i k h z 和4 8 k h z 的i e c6 0 9 5 8 音频信号流组成th d m i 的基本音频功能，可以满足任何普 通的双声道音频。h d m i 可以选择性地传输1 声道最高1 9 2 k h z 或8 声道最高9 6 k h z 的音频信号，将原来的8 条音频线完全省掉，极大地方便了消费者。 由于音频数据和视频数据采用相同的t m d s 时钟频率进行传输，其中已不再 包含原始的音频采样频率，因此必须对音频的采样频率进行重建，这一过程称为 音频时钟再生。在多数a v 设备中，音频和视频的采样率都是通过对一个基频倍 频或分频得到的，因此在两个频率之间存在一定的比例关系。h d m i 正是利用了 这一特点实现了音频时钟再生：1 2 8 f s = f r m p sc l o c k 4n c t s 。 其中f s 是音频采样频率。f d s _ d o c k 是t m d s 传输数据的时钟频率。n 和c r s 是计算参数。发送器在发送音频数据前，需根据传输的时钟频率计算出n 和c t s 的数值，然后和音频数据一起传送到接收器，接收器根据n 和c t s 的数值，就 能够反算出音频的采样频率。 比如，视频的传输速率是5 4 m h z ( p i x e l ) ，则4 4 i k h z 的音频采样对应的n 和 l o c r s 的值分别为6 2 7 2 和6 0 0 0 0 。而对应8 8 2 k h z 采样频率的值分别为1 2 5 4 4 和6 0 0 0 0 。h d m i1 1 标准中给出了它们的推荐值。 2 1 i 5 控制和结构 h d m i 包括3 个独立的通信通道：t m d s ，d d c ( d i s p l a yd a t ac h a n n e l 显示数 据通道) 和可选择的c e c 。1 m d s 用于传输所有的音视频数据和附加数据，包括搞 述有效音视频流的a v i 和音频的信息帧。d d c 通道建立了发送设备和显示终端之 间的数据连接，用于h d m i 发送器读取接收器终端的e - e d i d 数据，获得终端的相 关特性参数，如最高清晰度等，从而自动配置合适的音视频输出格式。另外， h d m i 接收器也期望获取信息帧，以恰当的处理接收到的音视频数据。c e c 通道 是可选协议，用来在各种音视频产品间传输控制命令，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 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。 图2 4 显示了热插拔检测的模型。当e - e d i d 数据可读的时候，h d m i 接收器将允许 设置其热插拔的标志位为高电平。这个过程在任何时候都可以被执行，即使接收 器是处于电源关闭或待机的状态。当h d m i 发送器端从引脚1 8 检测到+ s v 的电压 的时候，将热插拔的标志位设为高电平。发送器用热插拔标志位的高电平来初始 化其对e - e d i d 数据的读取。h d m i 规范规定高电平的范围为2 v n 5 3 v ，低电平的 范围为o v 到o 8 v 。若热插拔标志位的电压在高电平范围内，发送器就认为接收 器已连接，并且e - e d i d 可读，而不检测接收器是否电源打开和接收器端的h d m i 输入是否被选中或能起作用。h d m i 接收器通过至少每1 0 0 m s e c 给热插拔标志位 发送一个低电平可以声明e - e d i d 内容的任何改变。 图2 4 热插拔检测 2 1 1 6 内容保护h p 高质量的图像和声音制品带来了越来越重要的版权保护问题。h d c p 在 h d m i 发送器和接收器之间提供版权保护。信源在数据传送之前需对数据进行 矾，mr 业人学坝l1 f ： t 论史h d m i 接 j 九d v d 系统中的_ 、l 惦披j ”， h d c p 的加密，接收器则甜j 要组密钏柬丌锁解崭。 除了加密和解密的功能，h d c p 的使用还能验证接收设备( 如显示器或是电 视机) 是否被授权接收加密内容。人约每过两秒钟，它就会再次验证该设备，确 保d v i 或是h d m i 接口的保密性。如果在任意时刻，再次验证没能通过，表明 出现了非法情况( 如断开了连接或是连接到了一个非法的录像没备上) ，那么发 送端( 如d v d 播放器或机顶盒) 就会终止加密内容的传送。 如果某台设备的加密或解密的密钥被泄漏，那么h d c p 的授权管理者就会把 这一泄密设备列入系统可更新信息( s r m s ，s y s t e mr e n e w a b l em e s s a g e s ) 的 取消名单里。s r m s 会加在经预先录制或广播的内容中，传送给其他设备或是被 其他兼容的设备接收。这就是h d c p 的可更新性。这样，一旦某台设备被发现泄 密，它将无法发送或接收加密的内容。 目前h d c p 功能大多已经集成在h d m i 芯片中，l 匕直i s i l 9 0 3 0 。 2 1 2h d m i 和d v i 相比较的优势 1 9 9 9 年，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 ，f u j i t s u 推出了 d v i 接口标准，它的设计目的最初是用于电脑，实现主机和显示器之间的数字信 号传输。应用到高清晰度视频领域，用来传输无压缩、高清晰的实时数字图像。 d v i 接口可以保证 d d d 】全数字传送，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。然而，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 个引脚，不适合装在便携设备上，不支持数字音频传输，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ygc r ，并且连接线长度通常为i 米，超过4 米则会严重影响画质。 “h d m i 建立在d v i h d c p 之上，并与d v i 向下兼容，以实现p c 与消费电子相 互的数字传输，是第一个可通过单电缆传输未经压缩数字