視頻顯示信號與MAX9406 DP-HDMI/DVI電平轉換器

摘要：全文包括2部分，本應用筆記為其第1部分。第1部分闡述了當前的一些TV和PC視頻顯示電纜接口，包括RGBHV、HDMI?以及VGA的一些特點。第2部分(應用筆記4313)詳細介紹了DVI?的背景，以及如何將MAX9406用作適當的數字視頻顯示電纜驅動器。

引言

TV和PC視頻顯示器正在轉向具有數字電纜接口的平板視頻顯示器。利用高清多媒體接口(HDMI)電纜，我們就可以將平板電視連接至PC或者高清電視(HDTV)機頂盒。通過VGA或數字視頻接口(DVI)電纜，PC可以連接到外部顯示器。DVI可以看作數字VGA接口。注意，HDMI的視頻部分與DVI完全相同。

這里提供的是全文的第1部分。該應用筆記闡述了當前的一些TV和PC視頻顯示電纜接口，包括RGBHV、HDMI以及VGA的一些特點。第2部分(應用筆記4313：“Video Display Signals and the MAX9406 DP-HDMI/DVI Level Shifter—Part II”)詳細介紹了DVI的背景，以及如何將MAX9406用作適當的數字視頻顯示電纜驅動器。

RGBHV

RGBHV格式是一種先進的高清顯示器的模擬視頻顯示接口。RGBHV視頻信號由五對獨立電纜傳輸，即R、G、B、H和V。每條電纜端均配有一個BNV或者RCA插孔。R、G、B電纜分別傳輸紅、綠、藍信號；H傳輸行同步脈沖，V傳輸場同步脈沖。

這些RGBHV電纜的一端也可以由VGA插頭端接。圖1顯示了RGBHV視頻電纜的典型色標。R為紅色，G為綠色，B為藍色，H為灰色，V為黑色。所有終端阻抗均為75Ω。


圖1. 分量視頻電纜的色標

RGBHV是最新的模擬視頻信號格式，傳輸HDTV節目時對圖像質量影響很小，甚至不會降低圖像質量。圖2顯示了RGBHV和其它模擬視頻信號格式之間的關系。


圖2. 不同模擬視頻信號格式之間的關系

圖2中的箭頭顯示了這種技術發展的方向。實際上，所有不同類型的模擬信號都是由基本的紅、綠、藍、行、場同步分量組成的。Y/C分離功能電路從復合信號分離出亮度和色度信號。盡管這種組合很簡單，但在實際應用中卻很難實現整體的分離。從彩色副載波中恢復載波有可行的，色度信號的I、Q分量可以通過解調方式恢復。但在重新組合前，I、Q并不等同于Pr和Pb。另外，復合信號的同步脈沖并不剛好是增加的行、場分量。相反，在場同步脈沖前后都增加了預均衡及后置均衡脈沖，以確保鎖相環(PLL)保持連續工作，正確恢復出行同步信號。

隨著HDTV的引入，從RF (射頻)載波解調后，將在數字域處理視頻信息，而平板視頻顯示器均為數字產品。使用數字視頻信號傳輸電纜可以省去HDTV端的數/模轉換(DAC)以及平板視頻顯示器端的模/數轉換(ADC)等額外電路，同時還消除了轉換過程可能帶來的圖像質量下降。

HDMI

HDMI由四個低壓差分信號(LVDS)對組成。紅、綠、藍信號分別由通道2至0 (LVDS信號對)傳輸。專用時鐘(與通道0至2的數據位同步) LVDS信號對用于支持HDTV和平板視頻顯示器之間的可靠信號傳輸。利用ADC將每個彩色圖像像素的幅度數字轉換成8位分辨率。該彩色信息被所謂的最小化傳輸差分信號(TMDS?)編碼器擴展至10位分辨率，以進行帶寬最小化和直流均衡。編碼后的彩色數據位經過串行轉換發送到LVDS驅動器，請參考圖3。


圖3. RGBHV-HDMI轉換

每個LVDS通道可以支持較高的數據速率。對于60Hz刷新速率、分辨率為1920 × 1080的HDTV屏幕，像素率為124.416MHz。對于5%和15%的同步、消隱期，像素率分別為130MHz或143MHz。每像素彩色信號為10位數據時，每個LVDS通道的數據速率為1.3Gbps到1.43Gbps之間，具體取決于所要求的裕量。就平板視頻顯示器而言，電子束回程的消隱期并不是必不可少的。因此，裕量通常可以與能夠恢復的同步定時相當。

數字視頻信號格式嚴格遵循模擬視頻信號的時序。在HDMI格式中，從左到右發送像素，每行之間均有行同步碼；從上到下發送行數據，每屏之間均有場同步碼。對應于每行及每屏之間模擬視頻信號的消隱期，行、場同步脈沖在通道0被編碼。四個10位字1101010100、0010101011、0101010100和1010101011，分別代表(H = 0, V = 0)、(H = 1, V = 0)、(H = 0, V = 1)和(H = 1, V = 1)。利用這些代碼，可以在時域表示行、場同步脈沖，并保持像素時鐘的精確度。

由于同步脈沖的起點最重要，不需要像模擬格式定義的那樣在任何時間都對這些脈沖進行編碼。HDMI格式中，同步脈沖定義的起始部分之后的消隱時間專門用于傳輸音頻信號。相當于模擬信號的消隱期在時間上劃分成同步控制和音頻信息數據位的傳輸。

圖4給出了行消隱期間的同步和音頻數據包的時序，與模擬視頻格式定義相同。在視頻信息數據位之后，由通道0傳輸行同步位。在典型的138像素消隱期內，同步信息可持續62個像素時鐘周期。之后，64個像素專門用于傳輸音頻數據包。音頻數據包的報頭與同步信息一起由通道0傳輸，同時音頻數據包的數據位由通道1和2傳輸。每個通道的數據島周期內，利用TMDS減少誤差編碼(TERC4)，每組四個信息位均被編碼為10比特。相同周期內，兩個音頻報頭位和兩個行同步位被組合成通道0的TERC4編碼輸入。消隱期終止于少數及格行同步像素(12)。


圖4. HDMI視頻數據、控制和數據島周期

60Hz屏幕刷新率，每屏1080線，每線64像素，每個HDTV信號均以8位/像素表示，可以利用下式計算得到最大音頻比特率：

R_Audio = 60 × 1080 × 64 × 8 = 33.1776Mbps

該數據速率足以傳輸任何多通道、高質量音頻信號。

HDMI中，每像素的信息也可以由大于8位/色彩的形式表示。對于更高色彩分辨率的格式來說，每像素色彩的比特數被擴展至8位8B10B編碼單位以上。例如，要得到10位/色彩，四像素的數據位就要擴展到五個8B10B編碼單位，從而導致時鐘速率提高20%。同樣，12位/色彩將兩像素擴展至三個8B10B編碼單位，導致時鐘速率提高50%。平板顯示器的高色彩分辨能力由其擴展顯示標識數據(EDID)的內容表示。

圖5和表1顯示了HDMI A型插頭的引腳布局。對于采用I2C協議的HDTV設備，通過SCL和SDA獲取平板顯示信息。平板顯示信息(EDID)均存儲于EEPROM中，通常為128字節，并帶有0×A0 I2C器件地址。熱插拔檢測引腳幫助HDTV設備檢測平板顯示信息是否存在。打開平板顯示裝置，熱插拔引腳將被設置在2.4V到5.3V之間。CEC表示消費類電子產品控制，將用戶控制指令傳遞給所有互聯電子設備。


圖5. HDMI A型插頭引腳

表1. HDMI A型插頭引腳布局

VGA

圖7所示為VGA插卡的功能框圖。為了避免增加CPU執行寫像素操作的負擔(例如：移動圖像)，采用了專門的圖像處理單元(GPU)。CPU只需發送部分或全屏顯示的屬性，GPU將正確的像素內容填充到視頻RAM。顯示時序功能電路是GPU的組成部分。為了實現顯示器的自動檢測，每個VGA卡提供一種稱為顯示數據通道(DDC)的I2C通道。顯示器的EDID信息(128位，帶0×A0地址)通常存儲在EEPROM中。


圖7. VGA卡功能圖

VGA電纜終端配有一個15引腳插頭，圖8和表2給出了VGA信號的引腳排列。紅、綠、藍、行和場同步引腳的信號電平均為0.7V_P-P。這些視頻信號引腳的終端匹配電阻均為75Ω。相同的15引腳VGA插頭被用于增強版，例如：SVGA (800 × 600)、XGA (1024 × 768)、SXGA (1280 × 1024)、UXGA (1600 × 1200)、WXGA (1366 × 768)、WSXGA (1680 × 1050)和WUXGA (1920 × 1200)等分辨率顯示屏的信號格式。


圖8. VGA插頭的引腳排列

表2. VGA插頭的引腳排列

結論

我們回顧了TV顯示信號的發展過程，從復合視頻、S端子、分量、RGBHV到最終的HDMI。HDMI是一種高清數字RGBHV信號。TV顯示信號從模擬發展到數字，每發展一步都會帶來更高的清晰度。至今仍然流行的PC VGA顯示器的顯示信號采用的是模擬格式。VGA從早期的CGA (彩色圖像適配器)和EGA (增強型圖像適配器)格式發展而來，這兩種早期格式實際上都是數字格式，但是沒有帶寬有效位編碼。如果不使用DAC，VGA的分辨率將占用電纜插頭的很多引腳。數字版的VGA (將在本文第2部分介紹)實際上就是DVI，用帶寬有效位編碼代替了DAC。