HDMI變得簡(jiǎn)單：HDMI到VGA和VGA到HDMI轉換器

作者：Brett Li and Witold Kaczurba

消費市場(chǎng)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(shù)，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(lè )中很受歡迎，在便攜式設備和汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中變得越來(lái)越普遍。

標準化多媒體接口的實(shí)施是由競爭激烈的消費市場(chǎng)推動(dòng)的，其中上市時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素。除了提高市場(chǎng)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，從模擬視頻到數字視頻的過(guò)渡時(shí)間比消費市場(chǎng)要長(cháng)，而且許多設備尚未轉向發(fā)送集成視頻、音頻和數據的新數字方法。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(chǎng)或應用的特定要求。例如，一些客戶(hù)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(hù)則使用音頻/視頻接收器 （AVR） 或媒體盒作為集線(xiàn)器，將單根 HDMI 電纜連接到電視，而不是一批不美觀(guān)的電纜，如圖 1 所示。

圖1.媒體盒將模擬信號轉換為HDMI。

新采用者可能會(huì )將HDMI視為一個(gè)相對復雜的標準，需要經(jīng)過(guò)驗證的軟件驅動(dòng)程序，互操作性檢查和合規性測試，以確保一個(gè)設備與其他各種設備的正確行為。這可能看起來(lái)有點(diǎn)壓倒性 - 就像新技術(shù)經(jīng)常出現的情況一樣。

然而，先進(jìn)的硅解決方案越來(lái)越多地可用于解決實(shí)現復雜性問(wèn)題，實(shí)現模擬和數字領(lǐng)域的改進(jìn);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(kāi)銷(xiāo)并糾正位錯誤。

本文展示了先進(jìn)的硅解決方案和智能實(shí)施的軟件如何促進(jìn)HDMI的實(shí)施。HDMI至VGA（“HDMI2VGA”）和VGA至HDMI（“VGA2HDMI”）轉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字視頻之間轉換的簡(jiǎn)便方法。

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

HDMI應用和視頻標準簡(jiǎn)介

HDMI 接口使用轉換最小化差分信號 （TMDS） 線(xiàn)路以數據包的形式傳輸視頻、音頻和數據。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據 （EDID） 和高帶寬數字內容保護 （HDCP） 的顯示數據通道 （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數據包括一個(gè)128字節長(cháng)（VESA—視頻設備標準協(xié)會(huì )）或256字節長(cháng)（CEA-861—消費電子協(xié)會(huì )）的數據塊，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(guò)DDC線(xiàn)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(guān)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字節可以在VGA和HDMI之間共享。根據ADI公司HDMI一致性測試（CT）實(shí)驗室的經(jīng)驗，EDID的前128字節更容易出錯，因為一些設計人員不熟悉HDMI規范的嚴格要求，大多數文章都側重于EDID擴展模塊。

表 1 顯示了 EDID 的前 128 個(gè)字節中容易出錯的部分?？梢詤⒖?CEA-861 規范，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(gè)字節之后。

表 1.電子開(kāi)發(fā)局基本介紹

VGA和HDMI的定時(shí)格式由上述兩個(gè)標準制定組分別定義：VESA和CEA/EIA。VESA 計時(shí)格式可以在 VESA 監視器計時(shí)和坐標視頻計時(shí)標準中找到;HDMI 定時(shí)格式在 CEA-861 中定義。VESA計時(shí)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(shí)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。詳細數據可以在相應的規格中找到。

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

簡(jiǎn)要介紹應用和部分要求

HDMI2VGA和VGA2HDMI轉換器的關(guān)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(guò)提供具有適當 EDID 內容的視頻源來(lái)完成的。收到后，可以將正確的視頻標準轉換為最終的HDMI或VGA標準。

圖2和圖3中的功能框圖概述了HDMI2VGA和VGA2HDMI轉換的相應過(guò)程。HDMI2VGA轉換器假定HDMI Rx包含一個(gè)內部EDID。

圖2.具有音頻提取功能的HDMI2VGA轉換器。

圖3.VGA2HDMI轉換器。

操作理論

VGA2HDMI：VGA 源從接收器讀取 EDID 內容，以使用 DDC 線(xiàn)路通道獲取支持的時(shí)序列表，然后視頻源開(kāi)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以重現采樣時(shí)鐘。輸入的同步信號通過(guò)VGA解碼器與時(shí)鐘對齊。

數據使能 （DE） 信號指示視頻的活動(dòng)區域。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(guān)重要。DE信號的缺失可以通過(guò)HDMI發(fā)射器（Tx）進(jìn)行補償，HDMI發(fā)射器具有再生DE的能力?，F代HDMI發(fā)射器可以使用一些參數設置從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信號傳輸的兼容性。

HSYNC 延遲定義從 HSYNC 前緣到 DE 前沿的像素數。VSYNC延遲是VSYNC前沿和DE之間的HSYNC脈沖數?；顒?dòng)寬度表示活動(dòng)水平像素的數量，活動(dòng)高度是活動(dòng)視頻的行數。DE 生成功能也可用于顯示功能，例如將活動(dòng)視頻區域居中置于屏幕中間。

VGA輸入必須調整顯示位置。數字化模擬輸入信號的第一個(gè)和最后一個(gè)像素不得與任何 HSYNC 或 VSYNC 脈沖重合或接近。DE信號低的時(shí)間段（如垂直或水平消隱間隔）用于傳輸額外的HDMI數據和音頻數據包，因此不能違反。ADC采樣相位會(huì )導致這種失調?；顒?dòng)區域錯位可能由屏幕可視區域的黑色條紋暗示。對于復合視頻廣播信號（CVBS），這種現象可以通過(guò)過(guò)掃描5%至10%來(lái)糾正。

VGA旨在顯示整個(gè)活動(dòng)區域，而不會(huì )消除任何區域。圖像沒(méi)有過(guò)掃描，因此顯示位置調整對于VGA到HDMI的轉換很重要。在最佳情況下，可以自動(dòng)識別黑色條紋，并且可以自動(dòng)將圖像調整到最終屏幕的中間，或者根據回讀信息手動(dòng)調整。如果將VGA ADC連接到后端縮放器，則活動(dòng)視頻可以正確地重新對齊到整個(gè)可見(jiàn)區域。

但是，使用縮放器修復活動(dòng)視頻區域未對準會(huì )增加設計成本和相關(guān)風(fēng)險。例如，使用縮放器和視頻模式，活動(dòng)區域內小白框周?chē)暮谏珔^域可以識別為無(wú)用的條并被刪除。刪除黑色區域后，白框將變?yōu)榧儼咨尘?。另一方面，一半白色和一半黑色的圖像會(huì )導致失真。必須集成一些預防機制來(lái)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(huì )開(kāi)始將視頻流發(fā)送到 HDMI 接收器，例如電視。同時(shí)，板載音頻組件，如音頻編解碼器，也可以通過(guò)I發(fā)送音頻流。2S、S/PDIF 或 DSD 到 HDMI Tx。HDMI的優(yōu)點(diǎn)之一是它可以同時(shí)發(fā)送視頻和音頻。

當VGA2HDMI轉換板上電并且源和接收器連接時(shí)，MCU應通過(guò)HDMI Tx DDC線(xiàn)路回讀HDMI接收器的EDID內容。MCU應將EDID的前128字節復制到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轉換器所需的修改列表

HDMI2VGA：HDMI2VGA 轉換器必須先向 HDMI 源提供適當的 EDID 內容，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通常在內部存儲EDID內容，處理熱插拔檢測線(xiàn)（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，視頻和數據，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HDMI接收器適應接收的流，自動(dòng)將任何色彩空間（YCbCr 4：4：4，YCbCr 4：2：2，RGB 4：4：4）轉換為視頻DAC所需的RGB 4：4：4色彩空間。自動(dòng)色彩空間轉換 （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(huì )通過(guò)像素總線(xiàn)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(xiàn)和時(shí)鐘輸入，沒(méi)有同步信號。HSYNC和VSYNC信號可以通過(guò)緩沖器輸出到VGA輸出，最后輸出到監視器或其他顯示器。

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HDMI接收器在提取任何音頻標準時(shí)都沒(méi)有問(wèn)題，但進(jìn)一步的處理可能會(huì )。根據后端設備的不同，最好使用簡(jiǎn)單的標準而不是復雜的標準，以便輕松轉換為揚聲器的模擬輸出。HDMI 規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(guò)使用一種簡(jiǎn)單的算法來(lái)完成，該算法通過(guò)DDC線(xiàn)路從VGA顯示器中檢索EDID內容。應解析和驗證回讀數據，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(jìn)行擴展，該塊列出了音頻功能，以反映HDMI2VGA轉換器僅支持其線(xiàn)性PCM標準的音頻。因此，準備好的包含所有模塊的EDID數據可以提供給HDMI源。HDMI源應在脈沖熱插拔檢測線(xiàn)（HDMI電纜的一部分）后從轉換器重新讀取EDID。

一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器或CPU可用于通過(guò)讀取VGA EDID并對HDMI Rx和音頻DAC/編解碼器進(jìn)行編程來(lái)控制整個(gè)電路。通常不需要控制視頻DAC，因為它們沒(méi)有I等控制端口2C 或 SPI。

表 4.HDMI2VGA 轉換器所需的修改列表

內容保護注意事項

由于典型的模擬VGA不提供內容保護，因此獨立轉換器不應允許解密受內容保護的數據，以使最終用戶(hù)能夠訪(fǎng)問(wèn)原始數字數據。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(hù)訪(fǎng)問(wèn)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A(yíng)D9983A，該接口支持高達UXGA定時(shí)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轉換器既快速又方便。ADV7513還內置DE發(fā)生模塊，因此無(wú)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(dòng)讀回EDID信息，也可以強制手動(dòng)回讀。

同樣，構建 HDMI2VGA 轉換器也不太復雜;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帶有內置的內部EDID，用于處理熱插拔斷言的電路，一個(gè)可以輸出RGB 4：4：4的自動(dòng)CSC，無(wú)論接收的色彩空間如何，以及一個(gè)允許亮度和對比度調整的組件處理模塊，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(guò)DAC以任意音量輸出。音頻編解碼器不需要外部晶體，因為時(shí)鐘源可以從ADV7611 MCLK線(xiàn)路獲取，配置只需要幾次寫(xiě)入。

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

圖6和圖7提供了VGA2HDMI轉換器必不可少的視頻數字化儀（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(shí)現高度集成的HDMI2VGA或VGA2HDMI轉換器，這些轉換器可以使用USB連接器提供的少量電源供電。

兩款轉換器均表明，采用HDMI技術(shù)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系統的復雜性增加，因為這需要處理HDCP協(xié)議以及整個(gè)HDMI樹(shù)。兩個(gè)轉換器均未使用 HDMI 中繼器配置。

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

審核編輯：郭婷