基于FPGA的DVI/HDMI接口實(shí)現(xiàn)方案

　　在消費(fèi)市場(chǎng)上，平板顯示技術(shù)的增長(zhǎng)有助于統(tǒng)一接口選擇和降低成本。盡管首個(gè)高清晰度顯示器使用了模擬分量視頻接口（YCrCb），數(shù)字技術(shù)，諸如數(shù)字視頻接口（DVI）和高清晰度多媒體接口（HDMI）已經(jīng)取代了大多數(shù)模擬接口。庭影院市場(chǎng)爆炸式的增長(zhǎng)需要更新DVI標(biāo)準(zhǔn)。然而，需要一個(gè)龐大連接器的DVI接口限制了對(duì)數(shù)字版權(quán)管理（DRM）的支持，且缺少對(duì)單聲道或多聲道音頻的支持。為滿足演變的HDMI標(biāo)準(zhǔn)要求，它使用相同的如DVI這樣的基本信號(hào)傳輸，支持較小的連接器，以及更大帶寬（1080p分辨率）、DRM和8個(gè)通道的多格式音頻。

　　基于在平板領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的DVI和HDMI協(xié)議，原始設(shè)備制造商正在越來越多地追求他們自己的集成一種或兩種技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)。

　　DVI 和 HDMI標(biāo)準(zhǔn)

　　HDMI規(guī)范可以傳輸和接收未壓縮的數(shù)字流的音頻/視頻標(biāo)準(zhǔn)。它可以將視頻和多聲道音頻組合至單一的數(shù)字連接，節(jié)省了多條線路連接及相關(guān)成本。對(duì)于沒有音頻要求的1080i分辨率顯示，HDMI信號(hào)傳輸與DVI是向下兼容的。

　　DVI和HDMI是基于稱為最小化傳輸差分信號(hào)（TMDS）的信號(hào)傳輸技術(shù) . TMDS也有類似CML的物理信號(hào)傳輸電平（電流模式邏輯）。圖1給出了簡(jiǎn)化的HDMI鏈路框圖。

　　HDMI接口是一種帶有三個(gè)TMDS通道的屏蔽電纜。默認(rèn)配置是RGB ,每個(gè)通道傳送一種顏色。與DVI不同， HDMI支持亮度及色度的分量（YCbCr 4:4:4和4:2:2），并通過3個(gè)T M D S鏈路，支持多達(dá)8個(gè)音頻通道。分開的對(duì)線以1/10X TMDS比特率傳送一個(gè)同步時(shí)鐘，另外的線提供了一個(gè)低速的顯示特性，支持從顯示器到源端的通信（EDID）。另外，HDMI還集成了輔助控制功能，如熱插拔檢測(cè)和針對(duì)EDID接口的電源和地。HDMI共有29個(gè)連接。接收器恢復(fù)信號(hào)的功能限制了電纜的長(zhǎng)度。

　　HDMI鏈路有三種工作周期：視頻數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)隔離周期和控制周期。它在視頻數(shù)據(jù)周期傳送有效的視頻，在數(shù)據(jù)隔離周期傳輸音頻和輔助數(shù)據(jù)，傳輸時(shí)使用了一系列的數(shù)據(jù)包。在任何視頻或數(shù)據(jù)周期之間，需要有控制周期。每個(gè)視頻數(shù)據(jù)周期開始時(shí)，有一個(gè)緊隨護(hù)帶的前同步信號(hào)，針對(duì)從控制周期到視頻周期的過渡，提供了非常穩(wěn)定的指示。前同步是8個(gè)連續(xù)的預(yù)定義字符（10'b1101010100 , 10'b0010101011 , 10'b0101010100 ,和10'b1010101011），護(hù)帶是針對(duì)每個(gè)通道的2個(gè)連續(xù)的獨(dú)特字符（通道1 : 10b1011001100 ;通道2 : 10b0100110011 ;通道3 : 10b1011001100）。

　　使用DVI/HDMI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)

　　DVI和HDMI的發(fā)送和接收接口通常用ASSP來實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種采用FPGA的替代解決方案。采用FPGA實(shí)現(xiàn)DVI/HDMI接口具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）FPGA技術(shù)使得設(shè)計(jì)人員可以將ASSP串行/解串器（SERDES）與后端定制的特殊設(shè)計(jì)功能集成在一起，以節(jié)省電路板面積。

　?。?）通過盡可能少地使用元器件、降低成本和功耗來增加設(shè)計(jì)的可靠性。

　?。?）讓設(shè)計(jì)者利用最新的技術(shù)，受益于先進(jìn)的工藝技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)在1999年批準(zhǔn)后不久，開發(fā)了大量的離散DVI接口器件。由于這種制造技術(shù)是成熟的（主要是0.18微米），因此更加昂貴。

　?。?） FPGA擁有寬的溫度選擇范圍，具有針對(duì)工業(yè)和汽車的產(chǎn)品，而大多數(shù)離散的DVI和HDMI接口器件是專為消費(fèi)市場(chǎng)而設(shè)計(jì)，往往只能在商業(yè)溫度范圍內(nèi)工作。因此，對(duì)于在工業(yè)和汽車應(yīng)用方面的嵌入式設(shè)計(jì)，這可能會(huì)是一個(gè)問題。

　?。?）FPGA設(shè)計(jì)是可移植的，使人們關(guān)注的產(chǎn)品使用壽命得到最大限度延長(zhǎng)。大多數(shù)DVI器件是針對(duì)基于PC的應(yīng)用，通常這些接口適合進(jìn)一步集成至其他的ASSP.這種情況發(fā)生時(shí)，這些分立器件或許不再可用，因?yàn)橹圃焐炭赡苤辉敢鉃閭€(gè)人電腦市場(chǎng)提供服務(wù)。

　　所有這些因素使得FPGA解決方案更具有吸引力，而且這也是最前沿的技術(shù)。FPGA已被證明是一種有效的解決方案，它能夠集成多種功能、縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間并降低總的成本。此外，F(xiàn)PGA通常有很寬的溫度范圍，并有很長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期。

　　針對(duì)ECP2M和ECP3器件系列，萊迪思（Lattice）半導(dǎo)體公司最近推出了DVI/HDMI接口的參考設(shè)計(jì)。萊迪思半導(dǎo)體公司的ECP2M和ECP3系列是集成了SERDES的低功耗、低成本FPGA,擁有很寬的溫度范圍。這些器件具有高達(dá)16個(gè)通道的SERDES,可處理250Mbps~3.125Gbs的數(shù)據(jù)速率，且無過采樣情況。DVI/HDMI是ECP2M和ECP3系列支持的模式之一，能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)是因?yàn)槿R迪思已對(duì)T M D S信號(hào)傳輸構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)特的接口。在DVI/HDMI電纜中， T M D S信號(hào)是有一個(gè)外部時(shí)鐘的源同步信號(hào)。萊迪思已開發(fā)出一種技術(shù)，利用ECP2M或ECP3中內(nèi)置的SERDES恢復(fù)并產(chǎn)生針對(duì)T M D S的合適的數(shù)據(jù)和格式。這種實(shí)現(xiàn)是可能的，因?yàn)閮?nèi)置的SERDES有250Mb/s到3.2Gbp/s的寬動(dòng)態(tài)范圍。

　　萊迪思的DVI/HDMI參考設(shè)計(jì)集成了發(fā)送和接收功能，使得用單芯片解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)一些有趣的應(yīng)用程序。例如，可以針對(duì)設(shè)計(jì)使用傳輸方向，從原來的7:1 LVDS顯示驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換至DVI.在接收端，用接收到的HDMI數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)HDMI擴(kuò)展器，然后將它格式化并通過另一種接口（如光纖或CAT5）送出。另一種應(yīng)用是HD-SDI到DVI的轉(zhuǎn)換，或反之亦然。針對(duì)圖形疊加、畫中畫和分屏應(yīng)用，HDCP協(xié)議的許可證可以進(jìn)一步處理和管理音頻和視頻數(shù)據(jù)流。

　　基于ECP2M的接收功能實(shí)現(xiàn)

　　DVI/HDMI參考設(shè)計(jì)有發(fā)送和接收功能。在接收端，ECP2M利用內(nèi)置模塊SERDES恢復(fù)T M D S信號(hào)，通過SERDES內(nèi)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路完成這個(gè)處理。CDR電路將每個(gè)串行的T M D S通道轉(zhuǎn)換至10位，并將具有同步時(shí)鐘的數(shù)據(jù)傳送至FPGA接口，然后在FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理達(dá)到同步。這要求有三個(gè)級(jí)別的同步，分別是在本文中稱為“字節(jié)對(duì)齊”的10位同步、通道調(diào)整、多通道對(duì)齊。文章的后面討論這些步驟。接下來是自動(dòng)檢測(cè)正在運(yùn)行的數(shù)據(jù)流的分辨率（480p、720p、1080p或1080i），并調(diào)整物理編碼子層（PCS）參數(shù)。當(dāng)在這些分辨率之間動(dòng)態(tài)切換時(shí)，應(yīng)保證優(yōu)化運(yùn)行。針對(duì)發(fā)送端，沒有必要進(jìn)行字節(jié)和通道對(duì)齊。10位模式的PCS是用來使數(shù)據(jù)串行化，并與液晶顯示屏通信。