視頻顯示信號與MAX9406 DP-HDMI/DVI電平轉(zhuǎn)換器

摘要：全文包括2部分，本應(yīng)用筆記為其第1部分。第1部分闡述了當(dāng)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(diǎn)。第2部分(應(yīng)用筆記4313)詳細(xì)介紹了DVI?的背景，以及如何將MAX9406用作適當(dāng)?shù)臄?shù)字視頻顯示電纜驅(qū)動器。

引言

TV和PC視頻顯示器正在轉(zhuǎn)向具有數(shù)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(jī)頂盒。通過VGA或數(shù)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(shù)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(yīng)用筆記闡述了當(dāng)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(diǎn)。第2部分(應(yīng)用筆記4313：“Video Display Signals and the MAX9406 DP-HDMI/DVI Level Shifter—Part II”)詳細(xì)介紹了DVI的背景，以及如何將MAX9406用作適當(dāng)?shù)臄?shù)字視頻顯示電纜驅(qū)動器。

RGBHV

RGBHV格式是一種先進(jìn)的高清顯示器的模擬視頻顯示接口。RGBHV視頻信號由五對獨(dú)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(lán)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(biāo)。R為紅色，G為綠色，B為藍(lán)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(biāo)

RGBHV是最新的模擬視頻信號格式，傳輸HDTV節(jié)目時對圖像質(zhì)量影響很小，甚至不會降低圖像質(zhì)量。圖2顯示了RGBHV和其它模擬視頻信號格式之間的關(guān)系。


圖2. 不同模擬視頻信號格式之間的關(guān)系

圖2中的箭頭顯示了這種技術(shù)發(fā)展的方向。實(shí)際上，所有不同類型的模擬信號都是由基本的紅、綠、藍(lán)、行、場同步分量組成的。Y/C分離功能電路從復(fù)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(shí)際應(yīng)用中卻很難實(shí)現(xiàn)整體的分離。從彩色副載波中恢復(fù)載波有可行的，色度信號的I、Q分量可以通過解調(diào)方式恢復(fù)。但在重新組合前，I、Q并不等同于Pr和Pb。另外，復(fù)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(yù)均衡及后置均衡脈沖，以確保鎖相環(huán)(PLL)保持連續(xù)工作，正確恢復(fù)出行同步信號。

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

HDMI

HDMI由四個低壓差分信號(LVDS)對組成。紅、綠、藍(lán)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(shù)據(jù)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(shù)字轉(zhuǎn)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(kuò)展至10位分辨率，以進(jìn)行帶寬最小化和直流均衡。編碼后的彩色數(shù)據(jù)位經(jīng)過串行轉(zhuǎn)換發(fā)送到LVDS驅(qū)動器，請參考圖3。


圖3. RGBHV-HDMI轉(zhuǎn)換

每個LVDS通道可以支持較高的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時，每個LVDS通道的數(shù)據(jù)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(fù)的同步定時相當(dāng)。

數(shù)字視頻信號格式嚴(yán)格遵循模擬視頻信號的時序。在HDMI格式中，從左到右發(fā)送像素，每行之間均有行同步碼；從上到下發(fā)送行數(shù)據(jù)，每屏之間均有場同步碼。對應(yīng)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(diǎn)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(jìn)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(dāng)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(shù)據(jù)位的傳輸。

圖4給出了行消隱期間的同步和音頻數(shù)據(jù)包的時序，與模擬視頻格式定義相同。在視頻信息數(shù)據(jù)位之后，由通道0傳輸行同步位。在典型的138像素消隱期內(nèi)，同步信息可持續(xù)62個像素時鐘周期。之后，64個像素專門用于傳輸音頻數(shù)據(jù)包。音頻數(shù)據(jù)包的報(bào)頭與同步信息一起由通道0傳輸，同時音頻數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)位由通道1和2傳輸。每個通道的數(shù)據(jù)島周期內(nèi)，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(nèi)，兩個音頻報(bào)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(shù)及格行同步像素(12)。


圖4. HDMI視頻數(shù)據(jù)、控制和數(shù)據(jù)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(jì)算得到最大音頻比特率：

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

該數(shù)據(jù)速率足以傳輸任何多通道、高質(zhì)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?cái)?shù)被擴(kuò)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(shù)據(jù)位就要擴(kuò)展到五個8B10B編碼單位，從而導(dǎo)致時鐘速率提高20%。同樣，12位/色彩將兩像素?cái)U(kuò)展至三個8B10B編碼單位，導(dǎo)致時鐘速率提高50%。平板顯示器的高色彩分辨能力由其擴(kuò)展顯示標(biāo)識數(shù)據(jù)(EDID)的內(nèi)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(xié)議的HDTV設(shè)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(jié)，并帶有0×A0 I2C器件地址。熱插拔檢測引腳幫助HDTV設(shè)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(shè)置在2.4V到5.3V之間。CEC表示消費(fèi)類電子產(chǎn)品控制，將用戶控制指令傳遞給所有互聯(lián)電子設(shè)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(zhí)行寫像素操作的負(fù)擔(dān)(例如：移動圖像)，采用了專門的圖像處理單元(GPU)。CPU只需發(fā)送部分或全屏顯示的屬性，GPU將正確的像素內(nèi)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(shí)現(xiàn)顯示器的自動檢測，每個VGA卡提供一種稱為顯示數(shù)據(jù)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(lán)、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(qiáng)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(jié)論

我們回顧了TV顯示信號的發(fā)展過程，從復(fù)合視頻、S端子、分量、RGBHV到最終的HDMI。HDMI是一種高清數(shù)字RGBHV信號。TV顯示信號從模擬發(fā)展到數(shù)字，每發(fā)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(qiáng)型圖像適配器)格式發(fā)展而來，這兩種早期格式實(shí)際上都是數(shù)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(shù)字版的VGA (將在本文第2部分介紹)實(shí)際上就是DVI，用帶寬有效位編碼代替了DAC。