周芝梅 馮晨 萬勇 王永剛

摘 要：HDMI是首個在單線纜上傳輸非壓縮數(shù)字高清晰度視頻、多聲道音頻和控制命令數(shù)據(jù)包的數(shù)字接口，滿足了目前高清多媒體的應(yīng)用需求，并得到快速發(fā)展。本文從基本結(jié)構(gòu)、視頻數(shù)據(jù)傳輸、音頻數(shù)據(jù)傳輸、控制包傳輸?shù)葞讉€方面解析HDMI傳輸過程的編碼原理。

關(guān)鍵詞：HDMI;數(shù)字接口;視頻格式

Abstract：HDMI is the first digital interface to transmit uncompressed digital high-definition video，multi-channel audio and control command data packets over a single cable.It meets the application requirements of high-definition multimedia at present and develops rapidly.The paper analyzes coding principle of HDMI transmission through the basic structure，video data transmission，audio data transmission，and control packet transmission.

Key words：High-Definition Multimedia Interface;Digital Interface;Video Format

1 緒論

隨著生活水平的不斷提高，人們對視聽享受的需要越來越高，數(shù)字音視頻接口逐漸替代模擬音視頻接口成為消費(fèi)電子的主流。在DVI接口的基礎(chǔ)上，HDMI接口增加了對音頻的傳輸和數(shù)字內(nèi)容版權(quán)保護(hù)，而且大幅提高了傳輸速率，逐漸成為數(shù)字視頻的主要傳輸技術(shù)，因此HDMI接口技術(shù)的研究具有極大的商業(yè)價(jià)值和社會意義。

2 HDMI基本結(jié)構(gòu)

HDMI系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由發(fā)射端和接收端組成，如圖1所示，HDMI接口包含三組獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道：TMDS（最小轉(zhuǎn)換差分信號）通道、DDC（顯示數(shù)據(jù)）通道和CEC（消費(fèi)電子控制）通道。其中TMDS通道主要傳輸音視頻數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)。TMDS通道的數(shù)據(jù)傳輸作為HDMI傳輸?shù)闹黧w部分是本文討論的重點(diǎn)。

TMDS通道包括三組差分?jǐn)?shù)據(jù)信號和一組差分時鐘信號，它們構(gòu)成用于傳輸視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和輔助信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道和時鐘通道。通常情況下TMDS時鐘工作在視頻像素時鐘上，在接收端它作為恢復(fù)三路TMDS數(shù)據(jù)通道內(nèi)容的參考頻率。在發(fā)送端TMDS編碼將8-bit的TMDS視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10-bit直流平衡、最小變化傳輸?shù)牟罘中盘?。每一個視頻像素在編碼前可以用24，30，36或者48bit表示。默認(rèn)情況下，24-bit色彩深度視頻的像素時鐘頻率等于TMDS時鐘頻率，更高色彩深度的視頻傳輸需要相應(yīng)提高TMDS時鐘頻率。HDMI在TMDS通道中采用數(shù)據(jù)包的形式傳輸音頻和輔助信息數(shù)據(jù)。

DDC通道按照標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議工作，信號高低電平采用5V和0V，被發(fā)射端用來讀取接收端EDID（Extended Display Identification Data）數(shù)據(jù)，而EDID數(shù)據(jù)主要包含接收端可以支持的視頻分辨率信息和音頻格式信息。為了實(shí)現(xiàn)即插即用功能，發(fā)射端可以通過讀取接收端的EDID信息來自動更改發(fā)出的音視頻格式。高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)功能HDCP也依靠DDC通道來交換密鑰實(shí)現(xiàn)加密解密過程，達(dá)到音視頻內(nèi)容保護(hù)的目的。版權(quán)保護(hù)功能雖然是HDMI的要求，但是HDCP協(xié)議相對HDMI是獨(dú)立存在的，限于篇幅本文不再討論。CEC通道主要是將多個多媒體發(fā)送和接收設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)一鍵控制功能，CEC通道是HDMI協(xié)議的可選功能，目前尚未普遍使用。

3 HDMI數(shù)據(jù)編碼與傳輸

HDMI鏈路包含三種工作模式：視頻數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)島周期、控制周期。在視頻數(shù)據(jù)周期傳輸有效視頻行的有效像素。在數(shù)據(jù)島周期以多種數(shù)據(jù)包形式傳輸音頻和輔助數(shù)據(jù)以及糾錯碼。在沒有視頻、音頻或者輔助數(shù)據(jù)需要傳輸控制周期，控制周期用來指示下一個周期是視頻數(shù)據(jù)周期還是數(shù)據(jù)島周期，因此在任意兩種非控制周期之間要傳輸一個控制周期。在進(jìn)行HDMI編碼之前，每個TMDS通道包含8bit視頻數(shù)據(jù)、4bit音頻數(shù)據(jù)包、2bit控制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在HDMI編碼時按照不同的編碼方式擴(kuò)展成10bit。如圖2所示是編碼之前的數(shù)據(jù)在三個數(shù)據(jù)通道中的示意圖。

3.1 HDMI視頻數(shù)據(jù)周期

如前所述，視頻傳輸主要發(fā)生在視頻數(shù)據(jù)周期，每個視頻周期內(nèi)的前兩個TMDS時鐘周期作為視頻數(shù)據(jù)周期的前防護(hù)帶被稱為Leading Guard Band。在視頻周期內(nèi)，三個TMDS通道的前防護(hù)帶有其特定的值，此值以10-bit形式與編碼后的視頻數(shù)據(jù)共同存在，并不存在編碼之前的8-bit數(shù)據(jù)，如表1：

在前防護(hù)帶之后，就開始傳輸編碼后的視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)編碼將8位視頻數(shù)據(jù)變換為10位，然后在視頻數(shù)據(jù)周期傳輸。首先，將8位字符在最低位不變情況下，對剩下7位分別與其前1位通過“異或”或者“異或非”最小變化編碼后，再加上編碼指示位產(chǎn)生9位的字符（實(shí)際采用“異或”還是“異或非”由8位數(shù)據(jù)所包含的“1”的個數(shù)決定，第9位標(biāo)志采用了哪種變換方式，0表示“異或非”，1表示“異或”）。然后根據(jù)已經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)0和1的個數(shù)以及當(dāng)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1，而且當(dāng)前數(shù)據(jù)的1比0多，那么反轉(zhuǎn)），變換成10位的直流平衡碼（第10位標(biāo)志是否作了反轉(zhuǎn)，1表示作了反轉(zhuǎn)，0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。

3.2 HDMI數(shù)據(jù)島周期

數(shù)據(jù)島周期用來傳輸音頻采樣數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)。輔助數(shù)據(jù)包括信息包和其他一些描述視頻或者音頻有效與否的數(shù)據(jù)包。與視頻數(shù)據(jù)周期類似，數(shù)據(jù)島周期以一個前防護(hù)帶開始，然后才是數(shù)據(jù)島周期的第一個數(shù)據(jù)包，與視頻數(shù)據(jù)周期不同的是數(shù)據(jù)島周期以一個尾防護(hù)帶Trailing Guard Band結(jié)束，而視頻數(shù)據(jù)周期沒有尾防護(hù)帶。在數(shù)據(jù)島周期中，數(shù)據(jù)通道1和2的Guard Band也有其特定的值，對應(yīng)數(shù)據(jù)通道0的位置不按照Guard Band編碼。具體如表2：

在數(shù)據(jù)島周期的每一個TMDS時鐘周期（包括兩個Guard Band），數(shù)據(jù)通道0的第0位和第1位都傳送經(jīng)過編碼的HSYNC和VSYNC。信號數(shù)據(jù)通道0的第2位用于傳送數(shù)據(jù)包頭，數(shù)據(jù)通道1和2各有低四位被用來傳送數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包有32個像素的長度，并通過BCH錯誤校正碼進(jìn)行錯誤糾正和檢測。數(shù)據(jù)島周期中，三條TMDS通道都是在傳送一系列由4位輸入數(shù)據(jù)編碼得到的10位數(shù)據(jù)，使用的是降錯編碼TERC4。如表3：

3.3 HDMI控制周期

控制周期傳輸引導(dǎo)數(shù)據(jù)，同時也用于接收端字符同步。每一個TMDS通道傳輸兩位控制信息，如表4：

CTL0-CTL3用來指示接下來傳輸?shù)氖且曨l數(shù)據(jù)周期還是數(shù)據(jù)島周期。只有下表兩個值是有效的，其他都是非法值，如表5：

2位控制數(shù)據(jù)編碼得到的10位數(shù)據(jù)如表6：

TMDS接收器需要在一系列的串行數(shù)據(jù)中確定數(shù)據(jù)邊界的位置，一旦數(shù)據(jù)通道中的邊界字符被確定，接收器將依此同步串行數(shù)據(jù)流，并且將TMDS通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流解碼。在視頻數(shù)據(jù)周期和數(shù)據(jù)島周期內(nèi)，10位編碼數(shù)據(jù)包含5次或更少的轉(zhuǎn)換，而在控制周期則包含7次或更多的轉(zhuǎn)換。內(nèi)容轉(zhuǎn)換次數(shù)多的編碼字在控制周期中傳送，成為解碼器端字符同步的基礎(chǔ)。

4 HDMI視頻格式

視頻格式的支持是目前消費(fèi)電子廠家爭相改進(jìn)的重要方面。本節(jié)從以下三個方面討論HDMI器件所支持的視頻格式：像素編碼、色彩深度、視頻分辨率。

在像素編碼方面，HDMI支持三種方式：RGB444、YUV422、YUV444，并且RGB444是要求必須支持的一種，另外兩種可選。如果HDMI接收或者發(fā)送器件能以模擬分量視頻或者數(shù)字視頻支持YUV422或YUV444，那么就要求在HDMI發(fā)送端或者接收端也支持對應(yīng)的格式，而且HDMI接收端對YUV422和YUV444的支持是同時的。

在色彩深度方面，所有的HDMI設(shè)備都必須支持24位色彩深度要求。超過24位的色彩深度被稱為是深度色彩模式，30位、36位、48位三種色彩深度對于HDMI設(shè)備來說是可選的。如果HDMI設(shè)備支持深度色彩模式，那么首先必須支持36位色彩模式。對于24位色彩模式，TMDS時鐘周期等于視頻像素周期，而在深度色彩模式下TMDS時鐘周期與視頻像素周期成對應(yīng)倍數(shù)關(guān)系。

在視頻分辨率方面，HDMI發(fā)送端必須至少支持640*480p@60Hz、720*480p@60Hz、720*576p@50Hz中的一種。如果HDMI發(fā)送器件能以模擬分量視頻或者數(shù)字視頻支持1920*1080i@60Hz、1280*720p@60Hz、1920*1080i@50Hz、1280*720p@50Hz、720*576p@50Hz、720*480p@60Hz六種分辨率中的任意一種，那么要求HDMI發(fā)送端也能支持對應(yīng)的分辨率。

對于HDMI接收端，要求都必須支持640*480p@60Hz。除此之外，所能支持的像素編碼方式、色彩深度以及視頻分辨率都必須在EDID信息中標(biāo)明供HDMI發(fā)送端識別。

5 結(jié)語

篇幅所限，本文并不能對HDMI系統(tǒng)的所有內(nèi)容詳細(xì)介紹，主要從HDMI整體結(jié)構(gòu)以及各類數(shù)據(jù)編解碼方法對HDMI傳輸進(jìn)行剖析，使讀者對HDMI傳輸過程中的每一個時刻信號所代表的內(nèi)容有一個直觀而確定的認(rèn)識，這是HDMI設(shè)計(jì)過程中最難理解也是最重要的部分。

常用的HDMI發(fā)送器能夠支持RGB444/YUV422/YUV444三種像素編碼格式和24位色彩深度。在分辨率方面，除了能支持1920*1080p@60Hz、1920*1080p@30Hz、1920*1080p@25Hz、1920*1080i@60Hz、1920*1080i@50Hz、1280*720p@60Hz、1280*720p@50Hz、720*480p@60Hz、720*576p@50Hz、720*480i@60Hz、720*576i@50Hz、640*480p@60Hz、640*480i@60Hz等HDMI規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)分辨率之外，還支持1024*768p@60Hz、1280*768p@60Hz等其他分辨率。

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作者簡介：周芝梅（1977—），女，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：信號處理與專用集成電路設(shè)計(jì);馮晨（1985—），男，碩士研究生，中級工程師，主要研究方向：信號處理與專用集成電路設(shè)計(jì);萬勇（1981—），男，碩士研究生，中級工程師，主要研究方向：信號處理與專用集成電路設(shè)計(jì);王永剛（1977—），男，碩士研究生，中級工程師，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)。