USB供電的DVI/HDMI至VGA轉(zhuǎn)換器(HDMI2VGA) 具有音頻提取功能

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一個(gè)完整的HDMI/DVI至VGA(HDMI2VGA)轉(zhuǎn)換解決方案，帶有模擬音頻輸出。它使用 ADV7611低功耗、高清多媒體接口(HDMI)接收器，可接收高達(dá)165 MHz的視頻流。該電路以USB電纜供電，最高工作分辨率為1600 × 1200 (60 Hz)。

電路使用擴(kuò)展顯示識別數(shù)據(jù)(EDID)內(nèi)容， 確保來自HDMI/DVI的視頻流可達(dá)到HDMI源、轉(zhuǎn)換器和視頻圖像適配器(VGA)顯示所支持的最高分辨率。

HDMI接收器還可用來調(diào)節(jié)視頻，如亮度或?qū)Ρ榷?音頻編解碼器可用來設(shè)置音頻輸出的音量。

該電路有很多優(yōu)勢。高度集成的視頻接收器無需額外的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)便可調(diào)節(jié)視頻?？奢p松通過I2C寫入調(diào)節(jié)亮度、對比度或改變音頻音量。內(nèi)置式EDID存儲器可減少器件數(shù)量和電路板面積。降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器允許USB端口對電路供電。通過采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的片間連接，接收器、編解碼器和視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)之間可實(shí)現(xiàn)直接互連。該電路使用2層印刷電路板(PCB)，能以高達(dá)UXGA的分辨率(60 Hz時(shí)1600 × 1200)工作。

電路描述

ADV7611 為HDMI輸入提供接收解決方案，并具有5 V電纜檢測、熱插拔檢測線路置位和用于EDID的DDC線路。 集成了一個(gè)內(nèi)部EDID RAM，可顯示HDMI源。本電路中的內(nèi)置色彩空間轉(zhuǎn)換器(CSC)可轉(zhuǎn)換任何HDMI色彩空間至8位RGB444字，適合驅(qū)動 ADV7125 視頻DAC輸入。它涉及如下色彩空間的轉(zhuǎn)換：RGB、YCrCb(601和709)、XVYCC(601和709)以及HDMI規(guī)范中的其他色彩空間。ADV7611還支持所有444和422之間轉(zhuǎn)換的采樣方案。

ADV7125 視頻DAC可將接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成VGA兼容模擬信號。

轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的音頻處理始于 ADV7611 的內(nèi)置音頻數(shù)據(jù)包提取模塊。該器件可輸出幾乎任何HDMI標(biāo)準(zhǔn);然而，后端的 SSM2604 音頻編解碼器僅接受以44.1 kHz或48 kHz速率采樣、并以線性脈沖碼調(diào)制(LPCM)的I2S數(shù)據(jù)流。為保證這種I2S數(shù)據(jù)流的正常傳送，ADV7611必須提供具有適當(dāng)EDID內(nèi)容的HDMI源，且EDID內(nèi)容必須僅有LPCM功能。

音頻線路的輸出信號阻抗為100Ω，并且需要一個(gè)額外的功率放大器級以便連接耳機(jī)或揚(yáng)聲器。

該電路采用 ADuC7020 微控制器控制。ADuC7020采用I2C SDA和SCL線路，通過 ADG736 連接，并切換到任一VGA顯示數(shù)據(jù)通道(DDC)線路或主I2C總線。這種切換可以將主I2C總線從VGA I2C DDC線路中隔離，以降低任何潛在沖突的風(fēng)險(xiǎn)(以防萬一監(jiān)視器與其他設(shè)備共享DDC I2C，或VGADDC線路故障)。主I2C總線包含ADV7611和SSM2604 I2C從機(jī)設(shè)備。

ADuC7020 亦帶有通用異步收發(fā)器(UART)線路。它們與串行編程按鈕(與P0.0相連)和復(fù)位按鈕共同使用，通過可執(zhí)行文件對片內(nèi)閃存進(jìn)行編程。正常工作時(shí)，UART接口在軟件開發(fā)期間還可用于調(diào)試輸出或終端。它需要一個(gè)額外的電平轉(zhuǎn)換器(比如 ADM3202ADM3202)通過RS232標(biāo)準(zhǔn)接口連接電腦。 ADuC7020 同時(shí)連接 ADV7611 的INT1和RESET 引腳和 ADV7125的 PSAVE 引腳，用于視頻DAC控制。

該電路板使用兩個(gè) ADP2301 降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器，以5 V USB電源對電路板供電。這款高效率調(diào)節(jié)器可為電路板上的器件提供3.3 V和1.8 V電源。

初始化電路板

當(dāng)電路板第一次通電時(shí)，它將VGA EDID從監(jiān)視器讀回，對 ADV7611編程，使其接收HDMI流，并對 SSM2604 編程，使I2S音頻可以通過DAC輸出。

設(shè)置EDID內(nèi)容

HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器確保視頻顯示器支持的正確視頻標(biāo)準(zhǔn)可通過HDMI鏈路發(fā)送。HDMI規(guī)范要求HDMI源在發(fā)送視頻流之前檢查支持的HDMI接收器視頻模式。一旦HDMI源讀取了EDID內(nèi)容，它便只能選擇視頻顯示器支持的標(biāo)準(zhǔn)，理想化的情況是該標(biāo)準(zhǔn)正好最適用于該顯示器。因此，要確保顯示器支持輸出視頻，EDID內(nèi)容非常重要。

音頻標(biāo)準(zhǔn)的處理方法與此類似。EDID的內(nèi)容中同時(shí)列出了HDMI接收器支持的音頻標(biāo)準(zhǔn)。HDMI源發(fā)送的音頻流必須匹配EDID內(nèi)容羅列的標(biāo)準(zhǔn)之一。

ADuC7020用于讀取VGA內(nèi)容，以確定監(jiān)視器的能力。典型監(jiān)視器的VGA EDID不羅列音頻能力，并且可能含有 ADV7611 不支持的視頻分辨率(例如超過165 MHz的像素速率以及60 Hz時(shí)的1920 × 1200 VESA)。

因此，確保傳送至HDMI源的EDID內(nèi)容僅包含 ADV7611 和VGA顯示通常支持的視頻模式便非常重要。

為 ADV7611準(zhǔn)備EDID

最近發(fā)送至HDMI源的EDID信息初始源包含來自VGA監(jiān)視器并經(jīng)過讀取和更改的EDID。一旦讀取，VGA EDID便將以下字節(jié)復(fù)制到內(nèi)部ADuC7020 RAM作更改。一旦完成更改，它們便提供給HDMI源(通過 ADV7611 內(nèi)部EDID)。

· • Bytes[0:19], 報(bào)頭信息

· • Bytes[19:24], 基本顯示信息

· • Bytes[25:34], 顏色坐標(biāo)

· • Bytes[35:37], 已建立的位圖設(shè)置( ADV7611全部支持)

EDID的第20位字節(jié)(視頻輸入?yún)?shù))被修改為0以表示 HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器是一種數(shù)字視頻輸入。

EDID的字節(jié)[38:54]包含標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序信息。為確保所列模式無一超過165 MHz的最大像素時(shí)鐘頻率，STD時(shí)序信息模塊中列出的每一種模式均使用如下公式計(jì)算像素時(shí)鐘頻率：

PCLK = (X分辨率 + 1) × (Y分辨率 + 1) × 垂直刷新率

上面的方程估算傳輸視頻時(shí)必須使用的最小像素頻率。該估算基于這樣一個(gè)假設(shè)：視頻僅包含一個(gè)水平同步脈沖，每行脈沖寬度僅為一個(gè)像素值，并且每幀的垂直消隱間隔 (VBI)僅一行。在實(shí)際應(yīng)用中不會采用這種類型的視頻，并且該估算也只是近似值。若要獲得準(zhǔn)確的PCLK值，請查找基于實(shí)際VESA標(biāo)準(zhǔn)的表格。

若計(jì)算得到的PCLK頻率超過165 MHz，則EDID放棄使用該視頻模式。

EDID的下一部分(字節(jié)[54:125])由4個(gè)描述符模塊占據(jù)([54:71]、[72:89]、[90:107]和[108:125])。該應(yīng)用檢查全部4個(gè)描述符模塊，并鑒別出兩種類型的描述符：

· 詳細(xì)的時(shí)序描述符(起始兩位字節(jié)中至少有一個(gè)為非零)，用于像素時(shí)鐘頻率

· 監(jiān)視器范圍描述符(起始兩位字節(jié)為零，第四位字節(jié)等于253)，用于監(jiān)視器支持的最大像素時(shí)鐘頻率

詳細(xì)時(shí)序描述符(DTD)表示監(jiān)視器的本地視頻時(shí)序。起始兩位字節(jié)包含像素時(shí)鐘頻率值。若超過165 MHz，則整個(gè)描述符由適合640 x 480 (60 Hz)視頻模式的DTD模塊替換。

監(jiān)視器范圍描述符包含監(jiān)視器可處理的最高PCLK頻率信息。若它超過165 MHz，則將其設(shè)為等于165 MHz。

標(biāo)準(zhǔn)EDID的最終模塊包含兩個(gè)字節(jié)。

· 第126位字節(jié)給出額外EDID模塊的數(shù)目。本應(yīng)用以1覆寫此字節(jié)以提供一個(gè)額外的EDID。

· 第127位字節(jié)是校驗(yàn)和字節(jié)。

額外的EDID模塊(CEA-861類型)長度為128字節(jié)，包含音頻能力和可支持視頻標(biāo)準(zhǔn)的640 x 480像素的描述信息。該模塊的主要目的是為HDMI源提供音頻能力信息：帶有左前置和右前置揚(yáng)聲器的立體聲LPCM，44.1 kHz、48 kHz和32kHz。CEA-861模塊還包含所支持視頻標(biāo)準(zhǔn)的額外信息，如YCbCr444和YCbCr422，以及標(biāo)準(zhǔn)RGB。

更多信息， 請參考設(shè)計(jì)支持文件中的C源代碼：http://www.analog.com/zh/CN0282-DesignSupport

HDMI源和VGA顯示的檢測

來自HDMI電纜信號的5 V信號將輸入視頻告知VGA監(jiān)視器。 ADuC7020 target=_new> ADuC7020 并不檢測VGA連接，并假設(shè)連接存在。監(jiān)視器檢測可通過回讀EDID內(nèi)容完成。若沒有 I2C 應(yīng)答，則假定監(jiān)視器未連接。

無需檢測HDMI源。一旦 ADV7611針對接收HDMI內(nèi)容編程，每次當(dāng)電纜連接或輸入視頻標(biāo)準(zhǔn)變更時(shí)它便工作。當(dāng)電纜斷開時(shí)，HDMI接收器以最后接收的視頻分辨率生成藍(lán)屏。

HDMI源的檢測由 ADV7611完成。連接狀態(tài)可由回讀IO映射內(nèi)的寄存器0x6F決定(器件地址為0x98)。參見 硬件使用指南(UG-180)

HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器的限制

需要考慮數(shù)據(jù)內(nèi)容的保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)VGA信號是未經(jīng)加密的視頻信號，可使用模擬記錄儀記錄并回放，期間無任何內(nèi)容保護(hù)機(jī)制。因此，VGA視頻對于受版權(quán)保護(hù)的內(nèi)容而言并不安全。因?yàn)镠DMI至VGA轉(zhuǎn)換器不支持原始版權(quán)視頻流的內(nèi)容保護(hù)，應(yīng)當(dāng)不允許它接收這些內(nèi)容。

ADV7611 解決了這一問題。它發(fā)布了兩個(gè)芯片版本： ADV7611 和 ADV7611-P. ADV7611 支持加密內(nèi)容的解密，而 ADV7611-P 沒有這一功能，它僅能接收未加密的視頻內(nèi)容。HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器必須使用 ADV7611-P

圖1所示電路加以修改便可在現(xiàn)有VGA監(jiān)視器內(nèi)接收加密內(nèi)容，只要修改的方式不允許用戶輕松訪問解密視頻流即可。

布局考慮

ADV7611BSWZ-P 和 ADV7125BCPZ 之間謹(jǐn)慎的布線可讓該電路建立在一塊2層電路板上。該電路板已證明可在165MHz像素時(shí)鐘頻率下傳輸視頻流。PCB的底層主要是一個(gè)實(shí)體接地層，一些線路與底層相連。許多過孔連通頂層和底部接地層，減少高速信號下電路板電流的瞬變特性造成的接地反彈。圖2是PCB的俯視圖。若需完整原理圖、物料清單(BOM)和布局細(xì)節(jié)， 請參考設(shè)計(jì)支持文件： http://www.analog.com/zh/CN0282-DesignSupport

在實(shí)際系統(tǒng)中使用時(shí)，4層的PCB更具有優(yōu)勢。HDMI兼容性測試要求進(jìn)入HDMI接收器的所有最小化傳輸差分信號(TMDS)線路具有100Ω ± 10%的特征阻抗。4層PCB通常比2層PCB更容易保持線路特征阻抗。另外，4層PCB提供更多選項(xiàng)抑制電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)，并符合電磁兼容規(guī)范(EMC)。

高速數(shù)字信號具有快速上升和下降沿， 因此有產(chǎn)生EMI/RFI效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。電路板上的高速信號主要存在于連接 ADV7611 輸出和 ADV7125DAC輸入的像素總線鏈路上。某些情況下，可在這些線路上添加串聯(lián)電阻，減緩快速邊沿，以盡可能降低EMI/RFI效應(yīng)。在2層電路板布局中， ADV7611 和 ADV7125 相對距離較近，因此無需串聯(lián)電路。

提供設(shè)置像素總線驅(qū)動器以及音頻輸出的驅(qū)動強(qiáng)度的選項(xiàng)，可用來降低EMI/RFI輻射的影響。在 ADV7611內(nèi)部完成驅(qū)動強(qiáng)度的降低工作。更多信息，請參考 UG-180 用戶指南的“驅(qū)動強(qiáng)度選擇”部分。

評估與測試

該電路使用如下HDMI源進(jìn)行測試：

· • DVD-S97 DVD/CD播放器(640 × 480p)

· • Dell E6520筆記本電腦(1280 × 1024或1600 ×1200 VGA監(jiān)視器分辨率)

· • 藍(lán)光Panasonic DMP-BDT100 (640 × 480p)

· • Quantum Data 882視頻發(fā)生器 (UXGA 1600 × 1200，60Hz，8 bpp)

該電路使用如下VGA監(jiān)視器進(jìn)行測試：

· Dell 1908FP(60 Hz時(shí)，最大分辨率：1280 ×1024)

· Dell 2007FP(60 Hz時(shí)，最大分辨率：1600 ×1200)

· Sun Microsystems GDM-5010PT監(jiān)視器

電路板評估過程中，使用UART連接器 EVAL-ADuC-CABLE1Z)顯示評估板的編程信息、調(diào)試信息和VGA監(jiān)視器的EDID內(nèi)容 。 EVAL-ADuC-CABLE1Z 是一款RS-232電平轉(zhuǎn)換器，允許LVTTL和RS-232邏輯電平間接口。

測試要求連接圖3所示電纜(VGA、HDMI、音頻輸出和USB)，并按下復(fù)位按鈕。

消費(fèi)類視頻播放器(DVD或藍(lán)光)通常不支持VESA視頻分辨率，如XGA、SXGA或UXGA。測試過程中，這些源輸出標(biāo)準(zhǔn)VGA。

Dell E6520筆記本電腦可用作視頻源，它本身支持VESA標(biāo)準(zhǔn)并可正確回讀HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器提供的內(nèi)容。它輸出1280 × 1024 / 60 Hz至Dell 1908FP監(jiān)視器，或輸出1600 × 1200 /60 Hz至Dell 2007FP監(jiān)視器。

兩個(gè)視頻播放器均可針對EDID提供LPCM音頻內(nèi)容，并可從音頻編解碼器正常解碼及輸出數(shù)據(jù)。