（信号与信息处理专业论文）长线传输中数字视频格式转换接口的设计.pdf

哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 长线传输中数字视频格式转换接口的设计 摘要 在实际的数字电视节目摄录过程中，摄像机直接输出的是y c r c b 的串行 分量视频信号，由于市面上没有带对应视频接口的数字显示器，造成摄录过 程中不能够实时监看，节目录制效果的好坏只有在全部摄录工作结束以后才 能看到，造成有的节目甚至需要进行二次录制。这样严重影响了电视台等单 位的工作效率。另一方面，由于摄录像过程中一般都要求传输路径比较远， 所以信号传输距离的问题也必须解决好。 本文针对上述问题，设计了一种基于f p g a ( 现场可编程门阵列) 的接e l 电路，可将符合i t u rb t 6 5 6 标准的s d i ( 串行数字接口) 信号接转换为 d v i ( 数字视频接口) 信号，并实现远距离传送。解决了数字电视节目只有在 全部摄录工作结束后才能查看摄录效果的问题，提高了电视台的工作效率。 所做的主要工作如下： 采用g s l 5 7 4 a 串行数据自动均衡芯片完成本系统的线缆均衡功能，采 用g s l 5 7 5 a 完成信号的时钟恢复与码率指示功能；采用l m h 0 0 3 1 芯片完 成信号的串并转换与时钟提取。 采用a l t e r a 公司c y c l o n e 系列的f p g a 作为主控芯片，运用模块化的 设计方法，完成对系统的色彩空间转换部分一系列信号处理工作，包括同步 信号提取与解交织模块设计、色彩空间转换模块设计、分辨率转换模块设 计、异步f i f o 模块设计、乒乓操作与s d r a m 控制器模块设计与视频发送 模块设计等工作。软件部分在a l t e r a 公司的q u a r t u si i4 2 环境下，采用自 顶而下的设计方法，用v e r i l o gh d l 硬件描述语言进行编程。 采用a d 9 8 8 9 b 完成对系统的t m d s 编码；采用m c l 0 e p 8 9 完成对信 号的显示驱动。 主要采用l t 3 5 0 6 完成系统的电源部分设计。 使用a v r 系列单片机a t m e g a 3 2 ，应用1 2 c 总线对系统进行控制。 最后采用科学的测试方法对系统的输出信号进行评价。 关键词 格式转换；s d i ；d v i ；f p g a ；色彩空间转换 d e s i g no nd i g i t a l v i d e of o r m a tc o n v e r s i o n i n t e r f a c eu s e di nl o n g - - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n a b s t r a c t a ta c t u a ld i g i t a lt e l e v i s i o np r o g r a mr e c o r d i n gp r o c e s s ，d i r e c to u t p u to ft h e c a m e r aa r es e r i a ly c r c bc o m p o n e n tv i d e os i g n a l ，b e c a u s et h em a r k e td o e sn o t e x i s td i g i t a ld i s p l a y sw i t hc o r r e s p o n d i n gv i d e oi n t e r f a c e ，s ot h er e c o r d i n gp r o c e s s c o u l dn o tb em o n i t o r e di nr e a lt i m e ，t h ee f f e c to ft h ep r o g r a mc o u l do n l yb e c h e c k e da f t e ra l lr e c o r d i n gw o r k ，s os o m ep r o g r a m se v e nn e c e s s a r y t oc a r r yo u t t h es e c o n dr e c o r d i n g t h i sh a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h et e l e v i s i o na n do t h e ru n i t so f w o r ke f j f i c i e n c y o nt h eo t h e rh a n d ，b e c a u s et h et r a n s m i s s i o np a t hr e q u i r el o n g d i s t a n c e ，s ot h ep r o b l e mo fs i g n a lt r a n s m i s s i o nd i s t a n c em u s ta l s ob es o l v e d a i m i n ga tt h ep r o b l e ma b o v e ，a l li n t e r f a c ec i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do nf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) t oc o n v e xi t u rb t 6 5 6s d i ( s e r i a ld i g i t a l i n t e r f a c e ) s i g n a lt od v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ) s i g n a lw i t h o u ti n f l u e n c eo n l o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n i ti ss o l v e dt h a tr e c o r d i n gr e s u l tc a n b ec h e c k e do n l y a f t e rt h er e c o r d i n gi so v e r , a n dt h ee m e i e n e yo fw o r ko ft vs t a t i o ni si m p r o v e d 1 1 1 em a i nj o bd o n ea sf o l l o w s ： a d o p tg s 157 4 aa u t o m a t i cc a b l ee q u a l i z e rt oc o m p l e t ec a b l ee q u a l i z a t i o n a d o p tg s 15 7 5 am u l t i r a t es d ia u t o m a t i cr e c l o c k e rt oa u t o m a t i c a l l yr e c o v e rt h e e m b e d d e dc l o c kf r o mt h ed i g i t a lv i d e os i g n a la n dr e t i m et h ei n c o m i n gv i d e o d a t a a d o p tl m 0 0 3 1 d i g i t a lv i d e od e s e r i a b l i z e rt oc o m p l e t es e r i a l - t o - p a r a l l e l d a t ac o n v e r s i o na n dp a r a l l e lc l o c ke x t r a c t i o n t h ed e s i g n ，u s e da l t e r ac y c l o n ef p g a 嬲t h em a i nc o n t r o lc h i p ，a d o p t m o d u l a rd e s i g nm e t h o da n di m p l e m e n t e dt h ew h o l ep r o c e s so fc o l o rs p a c e c o n v e r s i o n ，i n c l u d i n gs y n c h r o n i z a t i o ne x t r a c t i o na n dd a t ad e m u l t i p l e xm o d u l e d e s i g n , c o l o rs p a c ec o n v e r s i o nm o d u l ed e s i g n ，r e s o l u t i o nc o n v e r s i o nm o d u l e d e s i g n ，a s y n c h r o n o u sf i f om o d u l ed e s i g n ，p i n g p o n go p e r a t i o na n ds d r a m c o n t r o l l e rm o d u l ed e s i g n ，v i d e ot r a n s m i s s i o nm o d u l ed e s i g na n ds oo n t h e s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yq u a r t u si i4 2d e b u g g e r , u s e dt o pt ob o t t o mm e t h o dt o 1 i 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 d e s i g n ，a n du s e dv e r i l o gh d l h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g et op r o g r a m a d o p ta d 9 8 8 9 bh d m i d v it r a n s m i t t e rt oc o m p l e t et m d se n c o d i n g a d o p tm c l0 e p 8 9c a b l ed r i v e rt oc o m p l e t et h ec a b l ed r i v i n g m a i n l ya d o p tl t 3 5 0 6c o m p l e t es y s t e mp o w e rd e s i g n u s e da t m e g a 32t oc o n t r o la l lt h es y s t e m f i n a l l ye v a l u a t e dt h es y s t e mo u t p u ts i g n a lu s i n gas c i e n t i f i ct e s t i n gm e t h o d k e y w o r d s f o r m a tc o n v e r s i o n ，s d i ，d v i ，f p g a ，c o l o rs p a c ec o n v e r t i o n 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文长线传输中数字视频格式 转换接口的设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签名：瞄琴备 日期： 川年；月夕e l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 长线传输中数字视频格式转换接1 3 的设计系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：寺辽替舞日期卅年月| e t 导，；魏多碰 隰聊年洲哆日 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着显示技术的发展，尤其是数字l c d 、d l p 及p d p 等数字化产品的 广泛应用及数字化信号标准的统一，传统的v g a 模拟信号已不能满足发展 的需要，越来越多的d v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ) 信号，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 ，高带宽数字内容保护) 信号和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 ) 数字信号等被广泛应用。 在v g a 模拟显示方式中，将计算机内部待显示的数字r g b 信号( 并行 8 b i t 信号) 通过在显卡中经过d a 转换成模拟信号，模拟的r 、g 、b 信号到 达显示设备后( l c d 或d l p ，p d p 等) 经过d 处理，转换为数字信号，随 后由数字信号控制液晶板透射或反射光线或d m d 晶片反射光线或由等离子 体发光，达到显示的效果i l l 。在这个过程中明显地存在一个由数字到模拟再 到数字的转换过程，信号损失非常大( 一次a d ，d a 过程将在频谱上损失 6 d b ，带宽最大保留为像素时钟的1 2 ) ，并且会存在诸如拖尾，模糊，重影 等传输问题【2 1 。而由数字到数字的显示过程则大为不同，计算机内部产生的 数字视频信号不经过任何转换直接传输给显示设备，不仅几乎全部的像素信 息都被完整的保留了下来，保证了显示图像的质量，使色彩更纯净，更逼 真。而且由于没有了d a ，a d 转换过程，所以大大缩短了传输时间，消除 了图像拖尾现象。当前带有数字接口的计算机显卡已经相当普遍，甚至笔记 本电脑也配备了d v i 接口，显示设备中也是越来越多的设备带有数字信号 接口，因此数字到数字方式的应用环境已经成熟【3 i 。 d v i 原理上是将待显示的r 、g 、b 数字信号与h 、v 信号进行组合编 码，每个像素点按1 0 b i t 的数字信号按最小非归零编码方式进行并串转换， 把编码后的r 、g 、b 数字串行码流( t m d s 数据) 与像素时钟共4 个信号 按照平衡方式进行传输。其每路码流速率为原像素点时钟的1 0 倍郾1 。 在实际的数字电视节目摄录过程中，摄像机直接输出的是y c r c b 或r g b 的串行分量视频信号，由于市面上没有带对应视频接口的数字显示器，造成 摄录过程中不能够实时监看，节目录制效果的好坏只有在全部摄录工作结束 以后才能看到，造成有的节目甚至需要进行二次录制。这样严重影响了电视 望垒篓堡三奎茎三兰矍圭童堡堡圣 台等单位的工作效率。另一方面，由于摄录像过程中一般都要求传输路径比 较远，所以信号传输距离的问题也必须解决好。所以如何设计一种接口电 路，使得数字摄像机输出的信号能够实时地被显示出来就显得非常必要。 s d i 与d v i 接口图片如图1 - i 所示。 的s d i 接1 3 b ) d v i 接口 图i 1 接口图片 f i g1 1 i n t e r f a c ep i c t u r e 另外d v i 信号在传输过程中还有其特殊性，即由于数据码流过快， 使得传输距离有限，以1 6 0 0 1 2 0 0 6 0 为例，按规定，可传输5 米，在目前 的实际应用中，可完成7 米左右，以1 2 8 0 1 0 2 4 x 7 0 为例，传输1 0 米是可 行的。在单级传输的情况下，首要问题是驱动能力的问题，郎解决“走不动 了”的问题，但同时，即便是数字信号，长距离传输也还存在着信号波形失 真的问题，即通过增加驱动能力经过传输后，信号的波形出现较大失真，收 端收到的信号在0 和1 的判别上出现错误，从显示上看，出现了“错点”， “错点”太多时显示会失败，即不再显示。实际上，d v i 信号长距离传输时， 随着距离的增加，在显示上可观察到的情况是：良好到有错点到较多错点到 失败。失败可能是信号“走不动了”，到达不了显示器，也可能是“走得动”， 哈尔滨理1 二大学工学硕士学位论文 但“错点”太多而失败【4 一1 。所以如何解决好信号传输过程中的驱动问题，也 成了当务之急。 性价比最高的解决方法是在系统中采用合理的接口，因此懂得怎样进行 变换处理以及处理后对信号质量的影响在整个视频系统设计中是至关重要 的。数字视频的传输接口通常是差分接口，它具有较强的抗共模干扰能力。 差分信号可以采用平均方式传输，如双绞线( u t p 5 、s t p 5 ) 。也可以采用非 平衡方式，如同轴电缆( b e l d e n 8 2 8 ) 。同轴电缆的频率特性优于双绞线，在端 口电参数一致的情况下，具有更远的传输距离1 6 l 。 本课题设计的系统即是实现同轴线传输的数字高清、标清( 串行方式传 输) 视频信号到d v i 数字视频信号的格式转换。该系统具有广阔的市场应用 前景，它不仅可以解决数字视频信号传输距离有限的问题，而且由于可以将 视频信号直接接入带有d v i 数字视频接口的显示设备中，可以实现摄录像 过程中视频信号的实时监看( 数字摄像机输出的信号一般为分量串行视频信 号，它不能直接接到显示设备中) 。 1 2 国内外在该方向的研究现状及分析 传输问题基本解决。除电缆传输方式外，网线传输和光纤传输设备已经 成熟，并在实际工程中大量应用。国内主要还是使用电缆方式多一些，光纤 设备也有应用，但我们已大量出口网线产品，预计国内的网线数字传输也会 随后。 转换问题。新的媒体出现后，除了本身的应用外，还存在着与传统媒体 之间的转换问题。目前，d v i 与v g a 信号之间的转换设备已很成熟，满足 使用要求。但是分量数字串行高清标清视频信号到d v i 的格式转换产品因 为转换程序比较复杂，信号处理难度较大，国际上只有少数著名厂商推出了 类似的产品，性能相对稳定，但是价格相当昂贵，不适宜大面积推广使用。 国内该类型产品还处于起步阶段，大部分产品性能不够稳定，误码率比较 高。所以本课题的研究就显得非常有必要，主要有两方面的要求：一是从产 品性能与功能方面进行研究，力求达到满意的传输效果，二是选取最合适的 系统实现方法，降低成本，提高可利用度【7 1 。 综上所述，当前数字化，数字视频转换接口的现状应该是：技术先进， 使用方便，应用前景广阔；目前成本较高，但下降速度很快，甚至将来可能 会比模拟方式更便宜：工程方面，d v i 方式将会很快地被应用，在未来很 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 长的一段时间内将会成为主流，但是任何产品终究摆脱不了被更先进的产品 取代的命运；技术水平，国内相对国际水平有一定差距，但是在价格方面我 们具有一定的优势，以后要在性能方面多投入精力。 1 3 主要研究内容 本课题研究的主要内容是针对符合i t u rb t 6 5 6 标准的数字视频信号 设计一种在远距离传输中的格式转换电路，以达到对信号实时监看的目的。 本文的主要研究内容有： 1 对与本文相关的模拟视频信号、s d i 串行分量视频信号、d v i 视频 信号进行深入的研究，为设计视频格式转换接口奠定理论基础。 2 设计视频格式转换接口的硬件部分，包括线缆均衡、时钟恢复部分 电路设计、信号串并转换与时钟再生部分电路设计、色彩空间转换部分的硬 件设计、d v i 接口信号t m d s 编码电路设计、信号驱动电路设计、电源与 控制部分电路设计等工作。 3 针对色彩空间转换部分进行基于f p g a 的软件设计，包括同步信号 提取与解交织模块设计、色彩空间转换模块设计、分辨率转换模块设计、异 步f i f o 模块设计、乒乓操作与s d r a m 控制器模块设计与视频发送模块设 计等工作。 4 对d v i 信号测试标准进行深入研究，在此基础上确定本方案信号测 试与评价方法。 哈尔滨理- t 大学工学硕上学位论文 第2 章视频信号格式研究 2 1 模拟视频格式 2 1 1c v b s 信号 自然界大多数色彩均可由r 、g 、b 三基色合成，摄像机拾取件所得到 的最初也是红、绿和蓝视频分量。然而，在彩色广播电视系统中，在对视频 信号进行处理而传送图像时，r g b 方式却不是带宽利用率最高的方法，这 是因为所有的三个分量信号均需要相同的带宽。人类的视觉对亮度细节变化 比彩色的变化更为灵敏，用一全带宽亮度通道( y ) 来表示视频信号的亮度细 节，两个色差通道( b y 和r y ) 的带宽限制到亮度通道带宽的大约一半，这 样仍可提供足够的彩色信息。它们与三基色信号之间的关系如式2 1 所示。 在电视系统中，为能够正确重现图像，要求收端与发端的扫描点应有一 一对应的几何位置，即同步，必须加入行、场同步脉冲；为使扫描逆程光栅 不显示，还需要加入行、场消隐脉冲；在传统三大电视制式( n t s c 制，p a l 制，s e c a m 制) 中，为实现色度信号的解调分离必须加入一个色同步信号来 传送同步检波所需副载波的频率、相位和逐行倒相信息。c v b s ( 彩色全电视 信号) 就是指包含了亮度信号、色差信号、复合同步信号、复合消隐信号和 色同步信号的复合视频信号。图2 1 为c v b s1 0 0 0 1 0 0 0 标准彩条信号。 i 白i 黄青i 绿 ：1 3 3 ：1 3 3 ： 1 0 。佣 品i 红 1 0 0 ： 删0 9 3 删羔l l 黄 黑 i i ： ； ； i i ： 1 0 5 6 ： 图2 1 彩条信号c v b s 的波形图 f i g 2 1c v b so s c i l l o g r a p ho fc o l o rb a rs i g n a l 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 2 1 2y p b p r 视频信号和r g b 模拟视频信号 ( 2 1 ) y p b p r 视频信号和r g b 视频信号都可以认为是分量信号，即它们都至 少需要三根或三根以上的视频线来传输，两者也均为模拟视频信号。y p b p r 视频信号中的y 、p b 、p r 三个分量信号均是由r g b 视频信号中的r 、g 、b 三信号按一定比例求得。y p b p r 视频信号中的y 代表亮度信号，它同c v b s 中的亮度信号一样是按y - - 0 3 r + 0 5 9 g + 0 1 1 b 的关系求得，根据不同参数计 算出的y p b p r 视频信号要求的信道带宽有所不同，而p b 和p r 两个分量信 号所要求的信道带宽则只需y ( 亮度) 信号的一半左右，同步信号一般混合在 y 信道中传送。然而，模拟r g b 信号的r 、g 、b 三个分量信号所要求的 信道带宽是一样的，均要求全带宽。在y p b p r 视频信号中，同步信号存在 于y ( 亮度) 信号中，而在r g b 视频信号中的同步信号则可能为下面三种情 况之一：r g s b 视频信号中的同步信号存在于g 信号中；r g b s 视频信号中 的同步信号则由第四根信号线单独传送；r g b h v 视频信号中的行、场同步 信号分别由第四根和第五根信号线单独传送【8 1 。 2 2s d i 串行分量数字视频格式 视频信号的模拟分量格式以y p b p r 表示，其中亮度信号的动态范围为0 至7 0 0 m v ，两个色差分量的动态范围为士3 5 0 m v 。将模拟y p b p r 分量偏移后 可产生y c b c r 分量，后者一般用于数字标准。最终生成的是一个y 即与模 拟分量视频信号类似的亮度通道，以及两个色差通道c b 和c r ，它们只传送 色度信息而无亮度信息，然后均按适当的比例量化为数字数据。在本文中， 当我们谈论y c b c r 和r g b 颜色空间时，我们是指经过g a m m a 校正的分量 9 1 。y c r c b 的4 ：2 ：2 的采样方式如图2 2 所示。 i t u - rb t 6 5 6 标准规定：对按4 ：2 ：2 标准编码的分量数字信号的每一抽 样的8 b i t s 是在8 个平衡导线对中并行传送，三个数字分量信号组成时分复 用码流，其传送秩序为c b ，y , c r , v , c b ，y , c r , v , 为使收发同步，用第9 根线 b 0 蛆b b 0 m m ，l 、j 一 叭吣恤+ 孓9 g c ；m吣乩哪 5 r一。仉孙r n m 明朝吖。 憎旧限， 晴尔滨理工大学工学硕士学位论文 传送2 7 m h z 的时钟信号。高清信号的处理方法与之相类似。分量数字信号 的组织形式为：( c b l ，y 1 ) ( c r l ，y 2 ) ( c b 3 ，y 3 ) ( c r 3 ，y 4 ) 。 扫括鳢 1 鸯_ 叫争咱卜+ 3 1 4 _ _ p 。_ 2 _ $ _ q p + 3 1 5 p r + 穗p + 3 礓p q 争_ 斡+ y ，c b ，c r 群奉 担y 掸奉 翻2 - 2 y c r c b 信号的4 ：2 ：2 字采样方式 f i g2 - 24 ：2 ：2s a m p l i n gm e t h o d so f y c r c bs i g n a l 经过编码的分量数字视频信号包括三部分，即有效视频信号、视频定时 基准码( s a v 、e a v ) 与辅助信号”。如图2 - 3 所示。 一捎隐期一有效期一 一豳l 图2 - 3 数字视频一行的数据构成 f i g2 - 3l i n eo f d i g i t a iv i d e od a t ac o n s t i t u t e d 视频信号：即有效显示的视频信号像素点。 视频定时基准码( s a v , e a v ) ：有两个定时基准信号，一个在每个视频数 据块f 完整的一行) 的开始( s t a r to f a c t i v ev i d e o ，s a v ) ，另一个在每个视频数 据块的结束( e n do fa c t i v ev i d e o ，e a v ) 。每个定时基准信号由4 个字的序列 组成，格式如下： f f0 00 0x v ( 数值以1 6 进制表示，f f0 0 留供定时基准信号用) ，头三 个是固定前缀，第4 个字包含定义第二场标识、场消隐状态和行消隐状态的 信息。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 辅助信号：i t u rb t 6 5 6 标准对在消隐期间以2 7 m w o r d s 的速率同步 插入到复用码流中的辅助数据作了规定。辅助数据信号可以以1 0 b i t 形式只 在行消隐期间传送，还可以以8 b i t 形式只在场消隐中的行的有效期间传 送。数据值0 0 x h 和f f x b 保留用于标识目的，所以不能在辅助数据中出 现。 s d i 是s e r i a ld i g i t a li n t e r f a c e 的缩写，即串行数字接口。串行接口是把 数据字的各个比特以及相应的数据通过单一通道顺序传送的接口。串行分量 数字格式克服了并行格式的缺点，系统安装和维护方便，且具有自动均衡功 能，因此成为数字视频格式的主流。数字信号由并行转换为串行的框图如图 2 4 所示。 并行数据输入 图2 4s d i 信号形成图 f i g 2 - 4s d is i g n a lf o r md i a g r a m 串行数据 输出 并行信号通过时钟装入移位寄存器，并以1 0 倍的速率顺序读出，实现 串行化。串行化后，数据通过两级扰频编码处理变换成反转不归零( n r z i ) 信 号。在串行数字分量系统中，其时钟的恢复包含在数据中，不像并行数据专 门有独立的时钟行，因此需要足够的跳变沿来恢复时钟。对数据进行扰频处 理，以使数据流有足够的跳变。n r z i 编码使串行数据流对极性变化不敏 感。当n r z 连续为o 时，n r z i 将保持原状态不变，这时需进行扰频处 理。当n r z 连续为1 时，n r z i 将以1 2 时钟的频率跳变，通过n r z i 扰频 哈尔滨理工大学工学硕：土= 学位论文 自= 目e = = = = g = = = 目= = g = ；= = = ! e 自= = g = e ! ! g = = 目= = ! ! ! ! = ! ! g 目= 目目m l l 一一 i 处理，以保证串行数字信号有足够的跳变沿，使接收机能准确地进行时钟恢 复。图2 5 为n r z 和n r z i 的相对关系1 。 l11 1 q 厂 qq 厂 qqq 厂 q n r z 几厂 l f f r z i n r z 全t o ， 衄全1 或全叮 m 亿全r ，1 厂 厂 厂 厂 厂 厂n 妞熊秽频率 几几几几几几几几n 几几爵舂蟊鎏羹絮 2 3d v i 视频格式 图2 - 5n r z 和n r z i 的相对关系 f i g 2 - 5n r z a n dn r z ir e l a t i v i t y 2 3 1d v i 视频格式概述 d v i ( d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ) 接口标准是d d w g ( d i g i t a ld i s p l a yw o r k i n g g r o u p ) 组织推出的视频通信接口标准。它以s i l i c o ni m a g e 公司的p a n a l l i n k 接口技术为基础，以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 ， 最小变换差分信号) 作为数据链路的基本电气连接形式，为数字视频数据的 实时传输提供了一种高速的数据链路通道。其逻辑链路结构如图2 6 所示。 t m d s 通过先进的编码算法将8 b i t 的像素数据转换成1 0 b i t 的最小变 换差分信号进行传输，削弱了传输电缆中交叉电磁干扰e m i ，并且这种直 流平衡的编码信号更有利于进行光纤传输。其串行输出的码元流中包含了码 元同步信息( 行同步和场同步信息在蓝基色信道中传输) ，利用p l l 技术使接 收器可以在串行的码元流中正确测定码元边界，解码像素数据，进行视频信 息的数字方式显示【l 2 1 。 塞玺篁量三查茎三耋塑圭兰堡篁兰 t m ds 链路 _ 、 数据通道1 一 h 霸碍融 器 数据通j 苴2 一 韩 面幕翮d 盆 掣 蚓酬器v i 显示 l 热l： 划 时钟。 蜒 q 数据通道3 口 l 门蚕研吾亨、 = 盏 0 数据通道4 一 教据通道5 一 圈2 - 6 t m ds 双链路结构 f i g2 - 6t m dsd u a l - l i n ks t r u c t u r e d v l 接口协议允许使用双t md s 链路结构，从而可以支持超大分辨率 的显示设各。它的每条链路的可用像素带宽如图2 7 所示。 m m g 珏m d 田g g 巧b l 蛐k 叫 b l 叩k q c o p p c r b 邪“ 【= = 自 罗鼍i o 8掉誊荟薯l p “b d d m e c 】 一 一 图2 - 7 d v i 链路像素带宽 f i g2 - 7p i x e lb a n d w i d t ho f d v il i n k p r o p o d s “c 目m 0 0 x 6 0 0 ) x g ( 1 0 2 4 x 7 6 0 ( 1 2 9 缸1 0 2 4 ) t 】x g a ( 1 血1 2 蛳 m ( 1 9 2 0 y 10 蜘) - q x g a 0 0 4 8 x 1 5 3 日 单链路的最大像素带宽为i 6 5 m p i x s ，能够满足的最高图像显示格式为 1 6 0 0 x 1 2 0 0 ( 6 0 h z ) 。当图像的显示格式超过此值对，需要两条链路同时传输 视频数据- 由于两条链路共用一条时钟通道，因此数据传输带宽由两条链路 平均承担。 一4s一q目目日8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 2d v i1 o 协议 1 t m d s 的链路结构图2 8 所示为t m d s 单链路结构。按照d v i 1 0 的规范要求，一个t m d s 单链路要包含三条数据通道( r 、g 、b ) 和一 个时钟控制通道。 输入数据 厂l t m d s 链路 广弋 恢复数据 厂j ，、弋 数据使能一 m t 通道0 一 t 数据使能一 m 输 出 接詈 通道1 。 d 控制数据： 口 通道2 s 信 号 输 控制数据： 一 7 而葙逊 接层 入 接 口 层 收 器 人 图2 8t m d s 单链路结构 f i g 2 - 8t m d ss i n g l e l i n ks t r u c t u r e 由图2 9 ，单链路的发送器中包含3 个完全相同的编码器，每个编码器 驱动一条串行t m d s 通道。输入到每个编码器的数据包括8 b i t 像素数据 和2 b i t 控制数据。在d e ( d a t ae n a b l e ) 信号的控制下，编码器在任何合法的 时钟驱动下，分别将像素数据和控制数据编码，编码后的码元( 1 0 b i t ) 经过并 串转换后发送到t m d s 链路上。在d e 有效期间( d e = 1 ) 对像素数据进行编 码发送，在d e 无效期间( d e = o ) 对控制数据进行编码发送。无论是对二者中 的哪一项进行编码，由编码器输出的都是串行的1 0 b i t 码元，并且最低有效 位先出 1 7 , 1 9 。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 号在链路的蓝基色通道编码、发送。其他基色通道的控制信号c t l 0 c t l 3 均被用作保留信号，一般推荐接逻辑0 1 4 , 1 5 。 哈尔滨理工大学_ t 学硕十学位论文 d e 蓝f 7 ：0 1 行同步 场同步 缘p ：0 】 c n m 1 红【7 ：0 1 c 皿2 ( 玎l 3 时钟信号 t m d s 甬道0 1 9 ：0 编码卜一 j 一、 t m d s 巨查! 鬯! 编码r 一 j 一、 t m d s 巨查型! ! 编码卜一 j 时钟通道 图2 - 9 单链路t m d s 编码 f i g 2 - 9s i n g l e - l i n kt m d sc o d i n g t x 0 + 1 ：0 】 t x 0 【1 ：0 】 t x l h l ：0 】 l k l - 【1 ：0 】 t x 2 + 1 ：o 】 说一【1 ：0 】 t x o + 1 ：0 1 t x c - i ：0 】 时钟与同步是d v i 信号处理中至关重要的一环。在整个信号收发过程 中，会存在三种不同频率的时钟信号，这三种时钟信号通过锁相环电路进行 同步控制。以像素时钟速率输入到编码器的8 b i t 像素数据被变成1 0 b i t 的 t m d s 码元，在t m d s 通道内串行传输，它的传输速率为1 0 倍像素时 钟频率。在接收端，若要正确判断所接收码元则需要用高于码元时钟的频率 对输入信号采样，所以又存在一个采样时钟【1 6 1 。 在t m d s 输出的编码中，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则包含了7 次以上的变化信息，这些含 有高变化信息的编码在显示的消隐期内被送出，解码器可以唯一确定地识别 这些高变换，p l l 可以利用这些确定的信号作为相位校正的参考信号【”，埔1 。 2 t m d s 的电气结构和热插拔功能电气结构上，t m 。d s 通过“o n ”和 “o f f 状态间的跃变来传送数据，采用布尔异或( x o r ) 或者异或非( x n o r ) 操 作这一先进的编码算法来最小化跃变，以避免额外的电磁干扰( e m i ) 对电缆 的影响，并附加了直流平衡( d c ) 信号的操作。在这个过程中，输入的8 位 数据被编码为1 0 位跃变最小化的、直流平衡的字符。d v i 物理层上的实现 是基于l v d s ( 低压差分信号) 理论，但又不完全是传统的l v d s ，其物理结 构和信号规范都有不同的规定。t m d s 的差分电流源利用直流耦合的差分 电缆对，和终端的匹配电阻i h 将数据传递给接收方，链路的参考电压a v c e 匠b b 明 = 叫 = q 印饥砚j|印睫jl叩饥睨 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用来建立差分信号的高电平，驱动器的电流源和终端匹配电阻来确定差分信 号的低电平【1 9 1 。如图2 1 0 所示。 接收端的终端匹配对于这种高速差分信号传输非常重要，数据传输时信 道之间的匹配电阻值应尽量相等，否则将造成信道间信号相位抖动，使图像 失真1 2 0 】。不当的终端匹配将导致信号的上冲( o v e r s h o o t ) 与下冲( u n d e r s h o o t ) 以及信号反射，使得接收端无法识别信号的逻辑状态，导致结果无法正常显 示。 图2 1 0 单条t m d s 差分对的原理示意图 f i g 2 10s i n g l et m d sd i f f e r e n t i a lp a i rp r i n c i p l ed i a g r a m t m d s 热插拔功能的物理基础是d d c 通道和e d i d 数据。在d v i1 0 规范中，d d c ( d i s p l a yd a t ac h a n n e l ) 是显示器与电脑主机进行通信的一个总 线标准，它由两根导线构成：d d c s d a ( 数据线) 和d d c s c l ( 时钟线) ； 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 ) 是为p c 显示器设置的优 化显示格式数据规范，存储在显示器中专用的e e r o m 中。p c 主机通过 d d c s d a 访问e e r o m 中数据，以确定显示器的显示属性( 如分辨率、纵横 比等) 信息。对于兼容d v i1 0 的计算机系统和显示设备必须支持d d c 2 b ， e d i d1 2 或e d i d2 0 。否则，系统会因检测不到合法的应答与数据，而不 激活d v i 接口的t m d s 链路，d v i 接口就不会输出数字信号【2 1 1 。 d v i 接i ：1 还提供热插拔探测功能( h p d h o tp l u gd e t e c t i o n ) ，当计算机监 测到h p d 端出现高于2 0 v 或低于0 8 v 的电压时，显示子系统会触发热插 拔事件，提醒操作系统有显示设备接入或移除。若h p d 端出现了高于2 0 v 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 的电压，操作系统会通过d d c 2 b 来访问显示设备的e d i d 数据，如果显示 子系统和接入的显示设备具有相兼容的显示模式，显示子系统就会启动相应 的t m d s 链路；若h p d 端出现了低于o 8 v 的电压，显示子系统将通知操 作系统显示设备已移除，并会在1 秒之内将t m d s 链路信号关闭。对于兼 容d v i 的显示设备，必须对h p d 端提供2 4 v 以上的电压，为安全起见不 宜超过5 0 v 。当显示设备的e d i d 数据不能被读取时，必须将h p d 端电压 拉至0 4 v 以下。 3 t m d s 的编码算法t m d s 的编码可分两步实现。第一步主要实现 8 b i t 视频信号编码为9 b i t 信号的过程；第二步编码最终输出1 0 b i t 的信号， 在这个过程中，还有控制信号的编码，寄存器参数c n t 对编码的控制以达到 直流平衡，即编码过程总是尽量使所送出的1 0 b i t 数据中的逻辑高电平“1 ”和 逻辑低电平“0 ”的个数相等。 需要注意的是，当d e 为逻辑低电平“0 ”时，对2 b i t 的控制信号进行编 码后输出的是四种特定的编码元。 1 c 1 c 0 = 0 0 ，q _ _ o u t 0 ：9 = 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 ： 2 c 1 c 0 = 0 1 ，q _ o u t 0 ：9 = 11