音/視頻信息回放系統(tǒng)的HDIVI發(fā)送器解決方案
關(guān)鍵詞 回放系統(tǒng) 高清多媒體接口(HDMI) 最小變化差分編碼(TMDS) 寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(HDCP)
引 言
現(xiàn)在市場上大多回放系統(tǒng)都采用獨立的音/視頻接口,如音頻采用RCA端子、同軸端子等;視頻采用S端子、色差端子、DVI接口等。這些接口體積大(如DVI,不適合應用在便攜設(shè)備上),且接口獨立、接線太多。另外.傳統(tǒng)的接口很多是模擬的,如RCA、S端子,它們都難以讓現(xiàn)在的數(shù)碼產(chǎn)品的優(yōu)勢體現(xiàn)出來。
高清多媒體接口HDMI在各方面都展現(xiàn)了它獨特的優(yōu)勢:體積小,帶寬高;不僅能夠傳輸從SDTV到HDTV分辨率的非壓縮數(shù)字視頻圖像,而且能夠同時傳輸2~8通道數(shù)字音頻,接口友好;能夠通過顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)讀取接收設(shè)備的E-EDID結(jié)構(gòu),自動確定發(fā)送給接收端所支持的音/視頻格式;采用了HDCP寬帶數(shù)字內(nèi)容保護機制,防止非法設(shè)備的偷聽。這些都滿足了消費者對數(shù)字產(chǎn)品的新需求,因此HDMI接口在各種數(shù)碼產(chǎn)品上的廊用越來越廣泛。
1 回放系統(tǒng)
回放系統(tǒng),主要是把從外部存儲卡(SD、MMC等)讀到的或通過有線(USB等)、無線(無線網(wǎng)卡等)傳輸方式接收到的音/視頻信息,解碼后通過一定的音/視頻接口傳輸給視聽設(shè)備(如TV等),對數(shù)碼照片、數(shù)碼攝像等音/視頻進行回放。
從圖1可見。音/視頻接口是回放系統(tǒng)中不可或缺的部分。傳統(tǒng)的視頻接口主要采用S端子、色差端子;音頻接幾主要采用RCA端子、同軸端子。這些傳統(tǒng)的接口在數(shù)字技術(shù)發(fā)展迅速的情況下,已不再適應高品質(zhì)、無壓縮的數(shù)字視頻和多通道的數(shù)字音頻的傳輸。新型的HDMI接口就是為了滿足消費者更高的要求而興起的。
2 HDMI接口
2.1 HDMI簡介
HDMI是繼DVI(數(shù)字視頻接口)之后的一種新接口。它不僅支持從SDTV到HDTV的無壓縮數(shù)字視頻傳輸,而且還支持2~8通道的數(shù)字音頻傳輸;同時配備許多其他輔助功能,如HDCP(寬帶數(shù)字內(nèi)容保護)、智能連接配置等。
HDMI有很多優(yōu)點:
◇體積小,更適合便攜設(shè)備;
◇能夠在單一線纜上同時傳輸音/視頻,接口更加友好;
◇帶寬高,能夠傳輸上到l080 p的高清視頻和上到8通道的音頻,且支持RGB和YCbCr兩種像素編碼格式,可提供更高的顏色深度;
◇采用最小變化差分編碼TMDS,提供強壯的傳輸機制和可靠的數(shù)據(jù)恢復能力;
◇提供智能連接功能,使設(shè)備能夠自動發(fā)現(xiàn)對方,并且自動識別目標設(shè)備所需的分辨率和數(shù)據(jù)格式;
◇具備HDCP加密功能,能夠防止非法設(shè)備的偷聽;
◇兼容性好,能夠完全兼容DVI。
HDMI連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。
HDMI接口有3個獨立的通信通道:TMDS、DDC、CEC。其中,TMDS通道用來傳輸音/視頻數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù);DDC用來在自動配置中源端讀取接收端的E-EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);CEC是一個可選通道,用來支持一些高級用戶功能,如紅外遙控等。
2.2 HDMI信號編碼
HDMI有3種工作模式:控制周期、視頻數(shù)據(jù)周期和數(shù)據(jù)島周期??刂浦芷谟脕韨鬏斠龑?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/信息">信息;視頻數(shù)據(jù)周期用來發(fā)送有效視頻行的像素;數(shù)據(jù)島周期用來傳輸音頻采樣數(shù)據(jù)包和輔助數(shù)據(jù)包。一個帶有視頻信息的行周期上數(shù)據(jù)的周期分配情況如圖3所示。
在3個周期,TMDS通道上采用不同的編碼:控制周期,每通道2位有效信息,只有4種編碼組合;數(shù)據(jù)島周期,每通道4位有效信息,16種編碼組合,因此編碼比較簡單,查表可得;視頻數(shù)據(jù)周期相對復雜一些,采用TMDS編碼。TMDS編碼是一種將8位字符變換為lO位字符的一種特殊的編碼方式。首先,將8位字符,在最低位不變情況下,對剩下7位與前一個編碼數(shù)據(jù)對應的7位通過“異或”(XOR)或者“異或非”(XNOR)最小變化編碼(編碼前后變化最少)為9位的字符(第9位標志采用了哪種變換方式,O表示XNOR,l表示XOR)。然后,根據(jù)已經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)O和l的個數(shù)以及當前將傳輸數(shù)據(jù)的0和1個數(shù),決定是否對第一步所產(chǎn)生的9位信息中的8個數(shù)據(jù)位作反轉(zhuǎn)操作(如果已經(jīng)傳輸了更多l(xiāng),而且當前數(shù)據(jù)的l比O多,那么反轉(zhuǎn)),變換成10位的直流平衡碼(第10位標志是否作了反轉(zhuǎn),1表示作了反轉(zhuǎn),O表示沒有反轉(zhuǎn))。最后,編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過串行化之后在TMDS通道上以差分形式串行發(fā)送出去。
2.3 HDMI支持的音/視頻格式
①視頻。HDMI能夠支持RGB4:4:4、YCbCr4:4:4、YCbCr4:2:2三種像素編碼格式。傳輸視頻時,必須遵從一定的視頻格式所規(guī)定的視頻行的像素數(shù)、場的行數(shù)(有效數(shù)和總數(shù))和兩個同步信號的位置、極性、持續(xù)時間等。HDMI支持的基本視頻格式時序有640480 p@59.94/60 Hz、1280720 p@59.94/60 Hz、1 9201 080 i@59.94/60 Hz、720480 p@59.94/60 Hz、720(1440)480 i@59.94,60 Hz、1 280720 p@50 Hz、1 9201 080 i@50 Hz、720576 p@50 Hz、720(1440)576 i@50 Hz。
②音頻。HDMI采用“包”結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)島周期發(fā)送音頻數(shù)據(jù),包結(jié)構(gòu)采用IEC60958或者IEC61937封裝形式。HDMI至少支持IEC60958結(jié)構(gòu)的兩通道L-PCM,采樣頻率可以是32 kHz、44.1 kHz、48 kHz,采樣深度為16位或者更多;允許以IEC60958或者IEC61937任何一種包格式發(fā)送L-PCM或者編碼的音頻數(shù)據(jù),采樣頻率為44.1 kHz、48 kHz、88.2 kHz、96 kHz、176,4 kHz或者192 kHz。音頻采樣包有兩種布局(Layout):第1種布局在每個子包都發(fā)送通道l和通道2的音頻數(shù)據(jù),只支持2通道的音頻;第2種布局在子包[O~3]上分別發(fā)送通道[1,2]到通道[7,8]的音頻數(shù)據(jù),支持4~8通道的音頻。
2.4 HDCP內(nèi)容保護
HDMI采用HDCP主要有3個重要用途:
首先,HDCP可用來驗證接收設(shè)備是否被授權(quán)接收加密內(nèi)容。源端首先通過DDC通道和接收端交換設(shè)備密鑰,驗證接收設(shè)備,并生成一個共用密鑰,相當于建立起加密通道。其次,傳輸過程中,HDCP在源端加密,在接收端解密,防止加密內(nèi)容在傳輸過程中泄漏。源端(或接收端)分別利用公用密鑰在加密器中產(chǎn)生24位的偽隨機數(shù)據(jù)流(通過“異或”)加密(或解密)輸入的24位數(shù)據(jù),如圖4所示。
還有,HDCP能夠識別和“吊銷”未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備,以防止非法密鑰的大量發(fā)布。HDCP有一個更新功能:數(shù)字內(nèi)容保護機構(gòu)LLC把被妥協(xié)設(shè)備的密鑰選擇向量(KSV)放到“吊銷列表”,并通過系統(tǒng)更新消息(SRM)發(fā)送給后續(xù)的源設(shè)備。因為源端在驗證過程中要檢測該列表,所以后續(xù)的源設(shè)備就能夠自動阻止已經(jīng)被“吊銷”的接收設(shè)備。
3 回放系統(tǒng)HDMI發(fā)送器的實現(xiàn)
回放系統(tǒng)采用Atmel公司的多媒體處理專用芯片AT76C114作為信號源,HDMI接口控制器采用Silicon Image公司的Sii9030。
AT76C114是基于ARM946E-S內(nèi)核的專用多媒體處理芯片。它不僅有強大的音/視頻處理能力(支持MP3解碼,支持JPEG編解碼,MPEG-l和MPEG-4編解碼),還配備了USB控制器、閃存卡(如SD、MMC等)控制器等外圍功能。它的視頻輸出支持模擬的復合視頻信號(CVBS)、分立視頻信號(Y/C)、分量視頻信號(Y/PrPb)以及數(shù)字的(從SDTV的480i/480p到HDTV的720 p和1080i)各種視頻格式;像素編碼支持YCbCr和RGB輸出。音頻輸出支持I2S、S/PDIF接口。AT76C114功能模塊圖如圖5所示。
Sil9030是遵從HDMI 1.1、HDCP 1.1并兼容DVI l.0的HDMI發(fā)送控制器。它支持DTV的各種視頻格式輸入,支持YC和RGB像素編碼格式;音頻支持I2S和工業(yè)標準的S/PDIF輸入;集成了PaneLink TMDS編碼內(nèi)核;集成了HDCP內(nèi)容保護加密引擎;支持通過同一個I2C接口訪問Sii9030的寄存器和DDC通道;支持檢測到新的顯示設(shè)備、音頻FIFO溢出等中斷輸出。SiI9030功能模塊圖如圖6所示。
AT76C114與Sil9030硬件連接如圖7所示。視頻連接采用16位YCrCb(4:2:2)像素編碼格式;音頻采用I2S;SCK和SDA是AT76C114訪問Sii9030寄存器的I2C連接。AT76C114的外部中斷INT2用來處理SiI9030所發(fā)出的中斷請求。
所有的初始化配置都是通過I2C接口實現(xiàn)的,因為AT76C114沒有硬件的I2C接口,所以具體實現(xiàn)時采用了通用輸入/輸出口(GPIO)通過軟件模擬。初始化配置如下:
首先,AT76C114通過I2C接口設(shè)置SiI9030的HDCP控制器寄存器,驅(qū)動SiI9030內(nèi)部的DDC通道邏輯控制器與接收設(shè)備進行認證過程,建立加密通道;如果認證成功,那么通過DDC通道訪問顯示接收設(shè)備的E-EDID確定顯示設(shè)備最佳的音/視頻的接收格式。然后,AT76C114根據(jù)上面確定的格式,設(shè)置自己輸出的音/視頻格式以及SiI9030接收(捕獲)的格式,主要包括:視頻像素時鐘及兩個同步信號的極性、分辨率等;音頻I2S時鐘再生參數(shù)N/CTS、采樣率、采樣深度、采樣包布局等。最后,啟動音/視頻輸出和HDCP加密。
結(jié)語
回放系統(tǒng)HDMI發(fā)送器方案可應用于MP4、機頂盒等多媒體產(chǎn)品。HDMI接口的一系列優(yōu)點,將使它在數(shù)字多媒體技術(shù)發(fā)展越來越成熟的消費電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。
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