音/视频信息回放系统的HDIVI发送器解决方案

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摘要 介绍HDMI的连接结构、信号编码及内容保护等技术；提供一种基于Atmel公司的AT76C114和SiliconImage公司的SiI9030的回放系统HDMI发送器解决方案。
关键词 回放系统 高清多媒体接口(HDMI) 最小变化差分编码(TMDS) 宽带数字内容保护(HDCP)
引 言
    现在市场上大多回放系统都采用独立的音/视频接口，如音频采用RCA端子、同轴端子等；视频采用S端子、色差端子、DVI接口等。这些接口体积大(如DVI，不适合应用在便携设备上)，且接口独立、接线太多。另外．传统的接口很多是模拟的，如RCA、S端子，它们都难以让现在的数码产品的优势体现出来。

    高清多媒体接口HDMI在各方面都展现了它独特的优势：体积小，带宽高；不仅能够传输从SDTV到HDTV分辨率的非压缩数字视频图像，而且能够同时传输2～8通道数字音频，接口友好；能够通过显示数据通道(DDC)读取接收设备的E-EDID结构，自动确定发送给接收端所支持的音／视频格式；采用了HDCP宽带数字内容保护机制，防止非法设备的偷听。这些都满足了消费者对数字产品的新需求，因此HDMI接口在各种数码产品上的廊用越来越广泛。
1 回放系统
    回放系统，主要是把从外部存储卡(SD、MMC等)读到的或通过有线(USb等)、无线(无线网卡等)传输方式接收到的音／视频信息，解码后通过一定的音／视频接口传输给视听设备(如TV等)，对数码照片、数码摄像等音／视频进行回放。

    从图1可见。音／视频接口是回放系统中不可或缺的部分。传统的视频接口主要采用S端子、色差端子；音频接几主要采用RCA端子、同轴端子。这些传统的接口在数字技术发展迅速的情况下，已不再适应高品质、无压缩的数字视频和多通道的数字音频的传输。新型的HDMI接口就是为了满足消费者更高的要求而兴起的。



2 HDMI接口
2．1 HDMI简介
    HDMI是继DVI(数字视频接口)之后的一种新接口。它不仅支持从SDTV到HDTV的无压缩数字视频传输，而且还支持2～8通道的数字音频传输；同时配备许多其他辅助功能，如HDCP(宽带数字内容保护)、智能连接配置等。

    HDMI有很多优点：
    ◇体积小，更适合便携设备；
    ◇能够在单一线缆上同时传输音／视频，接口更加友好；
    ◇带宽高，能够传输上到l080 p的高清视频和上到8通道的音频，且支持RGb和YCbCr两种像素编码格式，可提供更高的颜色深度；
    ◇采用最小变化差分编码TMDS，提供强壮的传输机制和可靠的数据恢复能力；
    ◇提供智能连接功能，使设备能够自动发现对方，并且自动识别目标设备所需的分辨率和数据格式；
    ◇具备HDCP加密功能，能够防止非法设备的偷听；
    ◇兼容性好，能够完全兼容DVI。
    HDMI连接结构如图2所示。



    HDMI接口有3个独立的通信通道：TMDS、DDC、CEC。其中，TMDS通道用来传输音／视频数据以及辅助数据；DDC用来在自动配置中源端读取接收端的E-EDID数据结构；CEC是一个可选通道，用来支持一些高级用户功能，如红外遥控等。

2.2 HDMI信号编码
    HDMI有3种工作模式：控制周期、视频数据周期和数据岛周期。控制周期用来传输引导信息；视频数据周期用来发送有效视频行的像素；数据岛周期用来传输音频采样数据包和辅助数据包。一个带有视频信息的行周期上数据的周期分配情况如图3所示。



    在3个周期，TMDS通道上采用不同的编码：控制周期，每通道2位有效信息，只有4种编码组合；数据岛周期，每通道4位有效信息，16种编码组合，因此编码比较简单，查表可得；视频数据周期相对复杂一些，采用TMDS编码。TMDS编码是一种将8位字符变换为lO位字符的一种特殊的编码方式。首先，将8位字符，在最低位不变情况下，对剩下7位与前一个编码数据对应的7位通过“异或”(XOR)或者“异或非”(XNOR)最小变化编码(编码前后变化最少)为9位的字符(第9位标志采用了哪种变换方式，O表示XNOR，l表示XOR)。然后，根据已经传输的数据O和l的个数以及当前将传输数据的0和1个数，决定是否对第一步所产生的9位信息中的8个数据位作反转操作(如果已经传输了更多l，而且当前数据的l比O多，那么反转)，变换成10位的直流平衡码(第10位标志是否作了反转，1表示作了反转，O表示没有反转)。最后，编码后的数据经过串行化之后在TMDS通道上以差分形式串行发送出去。

2.3 HDMI支持的音／视频格式
    ①视频。HDMI能够支持RGb4：4：4、YCbCr4：4：4、YCbCr4：2：2三种像素编码格式。传输视频时，必须遵从一定的视频格式所规定的视频行的像素数、场的行数(有效数和总数)和两个同步信号的位置、极性、持续时间等。HDMI支持的基本视频格式时序有640×480 p@59．94／60 Hz、1280×720 p@59．94／60 Hz、1 920×1 080 i@59．94／60 Hz、720×480 p@59．94／60 Hz、720(1440)×480 i@59．94，60 Hz、1 280×720 p@50 Hz、1 920×1 080 i@50 Hz、720×576 p@50 Hz、720(1440)×576 i@50 Hz。
    ②音频。HDMI采用“包”结构在数据岛周期发送音频数据，包结构采用IEC60958或者IEC61937封装形式。HDMI至少支持IEC60958结构的两通道L-PCM，采样频率可以是32 kHz、44．1 kHz、48 kHz，采样深度为16位或者更多；允许以IEC60958或者IEC61937任何一种包格式发送L-PCM或者编码的音频数据，采样频率为44．1 kHz、48 kHz、88．2 kHz、96 kHz、176，4 kHz或者192 kHz。音频采样包有两种布局(Layout)：第1种布局在每个子包都发送通道l和通道2的音频数据，只支持2通道的音频；第2种布局在子包[O～3]上分别发送通道[1，2]到通道[7，8]的音频数据，支持4～8通道的音频。

2．4 HDCP内容保护
    HDMI采用HDCP主要有3个重要用途：
    首先，HDCP可用来验证接收设备是否被授权接收加密内容。源端首先通过DDC通道和接收端交换设备密钥，验证接收设备，并生成一个共用密钥，相当于建立起加密通道。其次，传输过程中，HDCP在源端加密，在接收端解密，防止加密内容在传输过程中泄漏。源端(或接收端)分别利用公用密钥在加密器中产生24位的伪随机数据流(通过“异或”)加密(或解密)输入的24位数据，如图4所示。



    还有，HDCP能够识别和“吊销”未经授权的设备，以防止非法密钥的大量发布。HDCP有一个更新功能：数字内容保护机构LLC把被妥协设备的密钥选择向量(KSV)放到“吊销列表”，并通过系统更新消息(SRM)发送给后续的源设备。因为源端在验证过程中要检测该列表，所以后续的源设备就能够自动阻止已经被“吊销”的接收设备。

3 回放系统HDMI发送器的实现
    回放系统采用Atmel公司的多媒体处理专用芯片AT76C114作为信号源，HDMI接口控制器采用Silicon Image公司的Sii9030。

    AT76C114是基于ARM946E-S内核的专用多媒体处理芯片。它不仅有强大的音／视频处理能力(支持MP3解码，支持JPEG编解码，MPEG-l和MPEG-4编解码)，还配备了USb控制器、闪存卡(如SD、MMC等)控制器等外围功能。它的视频输出支持模拟的复合视频信号(CVbS)、分立视频信号(Y／C)、分量视频信号(Y／PrPb)以及数字的(从SDTV的480i／480p到HDTV的720 p和1080i)各种视频格式；像素编码支持YCbCr和RGb输出。音频输出支持I2S、S／PDIF接口。AT76C114功能模块图如图5所示。



    Sil9030是遵从HDMI 1．1、HDCP 1．1并兼容DVI l.0的HDMI发送控制器。它支持DTV的各种视频格式输入，支持YC和RGb像素编码格式；音频支持I2S和工业标准的S／PDIF输入；集成了PaneLink TMDS编码内核；集成了HDCP内容保护加密引擎；支持通过同一个I2C接口访问Sii9030的寄存器和DDC通道；支持检测到新的显示设备、音频FIFO溢出等中断输出。SiI9030功能模块图如图6所示。



    AT76C114与Sil9030硬件连接如图7所示。视频连接采用16位YCrCb(4：2：2)像素编码格式；音频采用I2S；SCK和SDA是AT76C114访问Sii9030寄存器的I2C连接。AT76C114的外部中断INT2用来处理SiI9030所发出的中断请求。



    所有的初始化配置都是通过I2C接口实现的，因为AT76C114没有硬件的I2C接口，所以具体实现时采用了通用输入／输出口(GPIO)通过软件模拟。初始化配置如下：

    首先，AT76C114通过I2C接口设置SiI9030的HDCP控制器寄存器，驱动SiI9030内部的DDC通道逻辑控制器与接收设备进行认证过程，建立加密通道；如果认证成功，那么通过DDC通道访问显示接收设备的E-EDID确定显示设备最佳的音／视频的接收格式。然后，AT76C114根据上面确定的格式，设置自己输出的音／视频格式以及SiI9030接收(捕获)的格式，主要包括：视频像素时钟及两个同步信号的极性、分辨率等；音频I2S时钟再生参数N／CTS、采样率、采样深度、采样包布局等。最后，启动音／视频输出和HDCP加密。
结语
    回放系统HDMI发送器方案可应用于MP4、机顶盒等多媒体产品。HDMI接口的一系列优点，将使它在数字多媒体技术发展越来越成熟的消费电子领域得到越来越广泛的应用。