HDMI變得簡單：HDMI到VGA和VGA到HDMI轉(zhuǎn)換器

作者：Brett Li and Witold Kaczurba

消費市場已經(jīng)在電視、投影儀和其他多媒體設備中采用了高清多媒體接口（HDMI）技術，使HDMI成為全球公認的接口，很快將用于所有多媒體設備。HDMI接口已經(jīng)在家庭娛樂中很受歡迎，在便攜式設備和汽車信息娛樂系統(tǒng)中變得越來越普遍。

標準化多媒體接口的實施是由競爭激烈的消費市場推動的，其中上市時間是一個關鍵因素。除了提高市場接受度外，使用標準接口還大大提高了投影儀、DVD 播放器、高清電視和各種制造商生產(chǎn)的其他設備之間的兼容性。

然而，在一些工業(yè)應用中，從模擬視頻到數(shù)字視頻的過渡時間比消費市場要長，而且許多設備尚未轉(zhuǎn)向發(fā)送集成視頻、音頻和數(shù)據(jù)的新數(shù)字方法。這些設備仍然使用模擬信號作為傳輸視頻的唯一手段，這可能是由于特定市場或應用的特定要求。例如，一些客戶仍然喜歡將視頻圖形陣列 （VGA） 電纜用于投影儀，而另一些客戶則使用音頻/視頻接收器 （AVR） 或媒體盒作為集線器，將單根 HDMI 電纜連接到電視，而不是一批不美觀的電纜，如圖 1 所示。

圖1.媒體盒將模擬信號轉(zhuǎn)換為HDMI。

新采用者可能會將HDMI視為一個相對復雜的標準，需要經(jīng)過驗證的軟件驅(qū)動程序，互操作性檢查和合規(guī)性測試，以確保一個設備與其他各種設備的正確行為。這可能看起來有點壓倒性 - 就像新技術經(jīng)常出現(xiàn)的情況一樣。

然而，先進的硅解決方案越來越多地可用于解決實現(xiàn)復雜性問題，實現(xiàn)模擬和數(shù)字領域的改進;它們包括用于均衡差分信號的更高性能模塊和更復雜的算法，以減少軟件開銷并糾正位錯誤。

本文展示了先進的硅解決方案和智能實施的軟件如何促進HDMI的實施。HDMI至VGA（“HDMI2VGA”）和VGA至HDMI（“VGA2HDMI”）轉(zhuǎn)換器兩種基本器件為熟悉視頻應用的工程師提供了一種在模擬視頻和數(shù)字視頻之間轉(zhuǎn)換的簡便方法。

雖然HDMI已經(jīng)成為高清視頻的事實接口，但VGA仍然是筆記本電腦上最常見的接口。本文還介紹了如何互連這些視頻技術。

HDMI應用和視頻標準簡介

HDMI 接口使用轉(zhuǎn)換最小化差分信號 （TMDS） 線路以數(shù)據(jù)包的形式傳輸視頻、音頻和數(shù)據(jù)。除了這些多媒體信號外，該接口還包括用于交換擴展顯示識別數(shù)據(jù) （EDID） 和高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護 （HDCP） 的顯示數(shù)據(jù)通道 （DDC） 信號。

此外，HDMI接口可以配備消費電子控制（CEC），音頻回傳通道（ARC）和家庭以太網(wǎng)通道（HEC）。由于這些對于此處描述的應用程序不是必需的，因此本文不討論它們。

EDID數(shù)據(jù)包括一個128字節(jié)長（VESA—視頻設備標準協(xié)會）或256字節(jié)長（CEA-861—消費電子協(xié)會）的數(shù)據(jù)塊，用于描述視頻接收器（Rx）的視頻和（可選）音頻功能。EDID由視頻源（播放器）通過DDC線路從視頻接收器讀取，使用I2C 協(xié)議。視頻源必須發(fā)送視頻接收器在 EDID 中支持和列出的首選或最佳視頻模式。EDID 還可能包含有關視頻接收器的音頻功能的信息，以及支持的音頻模式及其各自頻率的列表。

VGA和HDMI都具有DDC連接，以支持源和接收器之間的通信。EDID的前128字節(jié)可以在VGA和HDMI之間共享。根據(jù)ADI公司HDMI一致性測試（CT）實驗室的經(jīng)驗，EDID的前128字節(jié)更容易出錯，因為一些設計人員不熟悉HDMI規(guī)范的嚴格要求，大多數(shù)文章都側(cè)重于EDID擴展模塊。

表 1 顯示了 EDID 的前 128 個字節(jié)中容易出錯的部分?？梢詤⒖?CEA-861 規(guī)范，了解 CEA 擴展塊設計的詳細信息，該擴展塊設計可能位于 EDID 的前 128 個字節(jié)之后。

表 1.電子開發(fā)局基本介紹

VGA和HDMI的定時格式由上述兩個標準制定組分別定義：VESA和CEA/EIA。VESA 計時格式可以在 VESA 監(jiān)視器計時和坐標視頻計時標準中找到;HDMI 定時格式在 CEA-861 中定義。VESA計時格式涵蓋了主要用于PC和筆記本電腦的標準，如VGA，XGA，SXGA。CEA-861描述了電視和ED/HD顯示器中使用的標準，例如480p，576p，720p和1080p。在計時格式中，只有一種格式 640 × 480p @ 60 Hz 是 VESA 和 CEA-861 標準的強制性和通用格式。PC 和電視都必須支持此特定模式，因此在本例中使用它。表 2 顯示了常用支持的視頻標準之間的比較。詳細數(shù)據(jù)可以在相應的規(guī)格中找到。

表 2.最受歡迎的 VESA 和 CEA-861 標準（p = 逐行，i = 隔行掃描）

簡要介紹應用和部分要求

HDMI2VGA和VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器的關鍵要素是確保視頻源發(fā)送符合適當視頻標準的信號。這是通過提供具有適當 EDID 內(nèi)容的視頻源來完成的。收到后，可以將正確的視頻標準轉(zhuǎn)換為最終的HDMI或VGA標準。

圖2和圖3中的功能框圖概述了HDMI2VGA和VGA2HDMI轉(zhuǎn)換的相應過程。HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器假定HDMI Rx包含一個內(nèi)部EDID。

圖2.具有音頻提取功能的HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器。

圖3.VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器。

操作理論

VGA2HDMI：VGA 源從接收器讀取 EDID 內(nèi)容，以使用 DDC 線路通道獲取支持的時序列表，然后視頻源開始發(fā)送視頻流。VGA 電纜具有 RGB 信號和單獨的水平 （HSYNC） 和垂直 （VSYNC） 同步信號。下游VGA ADC鎖定至HSYNC以重現(xiàn)采樣時鐘。輸入的同步信號通過VGA解碼器與時鐘對齊。

數(shù)據(jù)使能 （DE） 信號指示視頻的活動區(qū)域。VGA ADC不輸出此信號，這對于HDMI信號編碼是強制性的。DE的邏輯高電平部分表示視頻信號的有效像素或可視部分。DE上的邏輯低電平表示視頻信號的消隱周期。

圖4.水平 DE 生成。

圖5.垂直 DE 生成

DE信號對于產(chǎn)生有效的HDMI流至關重要。DE信號的缺失可以通過HDMI發(fā)射器（Tx）進行補償，HDMI發(fā)射器具有再生DE的能力?，F(xiàn)代HDMI發(fā)射器可以使用一些參數(shù)設置從HSYNC和VSYNC輸入生成DE信號，例如HSYNC延遲、VSYNC延遲、有效寬度和有效高度（如圖4和圖5所示），確保HDMI信號傳輸?shù)募嫒菪浴?/p>

HSYNC 延遲定義從 HSYNC 前緣到 DE 前沿的像素數(shù)。VSYNC延遲是VSYNC前沿和DE之間的HSYNC脈沖數(shù)?；顒訉挾缺硎净顒铀较袼氐臄?shù)量，活動高度是活動視頻的行數(shù)。DE 生成功能也可用于顯示功能，例如將活動視頻區(qū)域居中置于屏幕中間。

VGA輸入必須調(diào)整顯示位置。數(shù)字化模擬輸入信號的第一個和最后一個像素不得與任何 HSYNC 或 VSYNC 脈沖重合或接近。DE信號低的時間段（如垂直或水平消隱間隔）用于傳輸額外的HDMI數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)包，因此不能違反。ADC采樣相位會導致這種失調(diào)?；顒訁^(qū)域錯位可能由屏幕可視區(qū)域的黑色條紋暗示。對于復合視頻廣播信號（CVBS），這種現(xiàn)象可以通過過掃描5%至10%來糾正。

VGA旨在顯示整個活動區(qū)域，而不會消除任何區(qū)域。圖像沒有過掃描，因此顯示位置調(diào)整對于VGA到HDMI的轉(zhuǎn)換很重要。在最佳情況下，可以自動識別黑色條紋，并且可以自動將圖像調(diào)整到最終屏幕的中間，或者根據(jù)回讀信息手動調(diào)整。如果將VGA ADC連接到后端縮放器，則活動視頻可以正確地重新對齊到整個可見區(qū)域。

但是，使用縮放器修復活動視頻區(qū)域未對準會增加設計成本和相關風險。例如，使用縮放器和視頻模式，活動區(qū)域內(nèi)小白框周圍的黑色區(qū)域可以識別為無用的條并被刪除。刪除黑色區(qū)域后，白框?qū)⒆優(yōu)榧儼咨尘?。另一方面，一半白色和一半黑色的圖像會導致失真。必須集成一些預防機制來防止這種不正確的檢測。

一旦 HDMI Tx 鎖定并重新生成 DE 信號，它就會開始將視頻流發(fā)送到 HDMI 接收器，例如電視。同時，板載音頻組件，如音頻編解碼器，也可以通過I發(fā)送音頻流。2S、S/PDIF 或 DSD 到 HDMI Tx。HDMI的優(yōu)點之一是它可以同時發(fā)送視頻和音頻。

當VGA2HDMI轉(zhuǎn)換板上電并且源和接收器連接時，MCU應通過HDMI Tx DDC線路回讀HDMI接收器的EDID內(nèi)容。MCU應將EDID的前128字節(jié)復制到VGA DDC通道的EEPROM，只需稍作修改，因為VGA DDC通道通常不支持用于HDMI的CEA擴展。表 3 提供了所需修改的列表。

表 3.VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器所需的修改列表

HDMI2VGA：HDMI2VGA 轉(zhuǎn)換器必須先向 HDMI 源提供適當?shù)?EDID 內(nèi)容，然后才能接收所需的 640 × 480p 信號或視頻源和顯示器通常支持的其他標準。HDMI Rx通常在內(nèi)部存儲EDID內(nèi)容，處理熱插拔檢測線（指示顯示器已連接），并接收，解碼和解釋傳入的視頻和音頻流。

由于HDMI流結合了音頻，視頻和數(shù)據(jù)，因此HDMI Rx還必須允許回讀輔助信息，例如色彩空間，視頻標準和音頻模式。大多數(shù)HDMI接收器適應接收的流，自動將任何色彩空間（YCbCr 4：4：4，YCbCr 4：2：2，RGB 4：4：4）轉(zhuǎn)換為視頻DAC所需的RGB 4：4：4色彩空間。自動色彩空間轉(zhuǎn)換 （CSC） 可確保將正確的色彩空間發(fā)送到后端設備。

一旦輸入的HDMI流被處理并解碼為所需的標準，它就會通過像素總線輸出到視頻DAC和音頻編解碼器。視頻DAC通常具有RGB像素總線和時鐘輸入，沒有同步信號。HSYNC和VSYNC信號可以通過緩沖器輸出到VGA輸出，最后輸出到監(jiān)視器或其他顯示器。

HDMI 音頻流可以攜帶各種標準，例如 L-PCM、DSD、DST、DTS、高比特率音頻、AC3 和其他壓縮比特流。大多數(shù)HDMI接收器在提取任何音頻標準時都沒有問題，但進一步的處理可能會。根據(jù)后端設備的不同，最好使用簡單的標準而不是復雜的標準，以便輕松轉(zhuǎn)換為揚聲器的模擬輸出。HDMI 規(guī)范確保所有設備至少支持 32 kHz、44.1 kHz 和 48 kHz LPCM。

因此，重要的是產(chǎn)生與提取音頻的HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器的音頻功能和VGA顯示器的原始功能相匹配的EDID。這可以通過使用一種簡單的算法來完成，該算法通過DDC線路從VGA顯示器中檢索EDID內(nèi)容。應解析和驗證回讀數(shù)據(jù)，以確保顯示器不允許比HDMI Rx或視頻DAC支持的頻率更高的頻率（請參閱表4）。EDID圖像可以使用額外的CEA塊進行擴展，該塊列出了音頻功能，以反映HDMI2VGA轉(zhuǎn)換器僅支持其線性PCM標準的音頻。因此，準備好的包含所有模塊的EDID數(shù)據(jù)可以提供給HDMI源。HDMI源應在脈沖熱插拔檢測線（HDMI電纜的一部分）后從轉(zhuǎn)換器重新讀取EDID。

一個簡單的微控制器或CPU可用于通過讀取VGA EDID并對HDMI Rx和音頻DAC/編解碼器進行編程來控制整個電路。通常不需要控制視頻DAC，因為它們沒有I等控制端口2C 或 SPI。

表 4.HDMI2VGA 轉(zhuǎn)換器所需的修改列表

內(nèi)容保護注意事項

由于典型的模擬VGA不提供內(nèi)容保護，因此獨立轉(zhuǎn)換器不應允許解密受內(nèi)容保護的數(shù)據(jù)，以使最終用戶能夠訪問原始數(shù)字數(shù)據(jù)。另一方面，如果電路是較大設備的組成部分，則只要不允許用戶訪問未加密的視頻流，就可以使用它。

電路示例

VGA-HDMI板示例可以使用高性能8位顯示接口AD9983A，該接口支持高達UXGA定時和RGB/YPbPr輸入，以及ADV7513高性能165 MHz HDMI發(fā)射器，支持24位TTL輸入、3D視頻和可變輸入格式。使用這些設備構建VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器既快速又方便。ADV7513還內(nèi)置DE發(fā)生模塊，因此無需外部FPGA即可產(chǎn)生缺失的DE信號。ADV7513還具有嵌入式EDID處理模塊，可以從HDMI Rx自動讀回EDID信息，也可以強制手動回讀。

同樣，構建 HDMI2VGA 轉(zhuǎn)換器也不太復雜;ADV7611低功耗、165 MHz HDMI接收器和三通道、8位、330 MHz視頻DACADV7125可以構建高度集成的視頻路徑。Rx帶有內(nèi)置的內(nèi)部EDID，用于處理熱插拔斷言的電路，一個可以輸出RGB 4：4：4的自動CSC，無論接收的色彩空間如何，以及一個允許亮度和對比度調(diào)整的組件處理模塊，以及同步信號重新對齊。SSM2604低功耗音頻編解碼器支持立體聲I2要解碼的S流，并通過DAC以任意音量輸出。音頻編解碼器不需要外部晶體，因為時鐘源可以從ADV7611 MCLK線路獲取，配置只需要幾次寫入。

一個簡單的MCU，例如內(nèi)置振蕩器的ADuC7020精密模擬微控制器，可以控制整個系統(tǒng)，包括EDID處理、色彩增強以及帶有按鈕、滑塊和旋鈕的簡單用戶界面。

圖6和圖7提供了VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器必不可少的視頻數(shù)字化儀（AD9983A）和HDMI Tx （ADV7513）的示例原理圖。不包括 MCU 電路。

圖6.AD9983A原理圖

圖7.ADV7513原理圖

結論

ADI公司的音頻、視頻和微控制器組件可以實現(xiàn)高度集成的HDMI2VGA或VGA2HDMI轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器可以使用USB連接器提供的少量電源供電。

兩款轉(zhuǎn)換器均表明，采用HDMI技術的應用很容易與ADI元件配合使用。對于應該在HDMI中繼器配置中工作的設備，HDMI系統(tǒng)的復雜性增加，因為這需要處理HDCP協(xié)議以及整個HDMI樹。兩個轉(zhuǎn)換器均未使用 HDMI 中繼器配置。

視頻接收器（顯示器）、視頻發(fā)生器（源）和視頻轉(zhuǎn)換器等應用需要相對較小的軟件堆棧，因此可以快速簡便地實現(xiàn)。

審核編輯：郭婷