關于一種基于HDMI2.0的編解碼器的設計

0 引言

HDMI是一種專用型數字化接口，可同時傳送音頻和視頻信號。HDMI組織在2002年12月9日正式發布了HDMI1.0版標準，標志著HDMI技術正式進入歷史舞臺，并于2009年6月5日發布了HDMI1.4版標準[1]。2013年9月4日，HDMI2.0版標準發布，大大增強了對4 K超高清傳輸的支持[2]。

隨著HDMI的應用范圍不斷拓展，國內外學者與技術人員對其設計及應用研究等工作仍在不斷深入[3]。在液晶顯示器、液晶電視、高清相機及錄像機等消費電子領域，HDMI接口已經成為主要的應用標準之一[4]。該接口可直接同時實現全數字高清影音信號及控制命令數據的高性能數字接口[5]。

根據HDMI2.0版標準的編解碼算法，提出了一種編解碼器設計。在Quartus II軟件平臺上，使用綜合和布局布線工具，將設計電路生成可燒錄文件，并將其下載到FPGA開發板進行原型驗證，最后給出驗證結果和分析。

1 HDMI接口概述

HDMI接口的高速傳輸通道是由一個時鐘通道和3個數據通道組成，如圖1所示。其中，時鐘通道用于傳輸HDMI像素時鐘，數據通道用于傳輸視頻數據、控制數據、音頻數據和輔助信息[6-7]。

HDMI發送器會先將輸入的數據流進行編碼，然后再傳輸給HDMI接收器。HDMI接收器會先將接收到的數據進行解碼，再將解碼后的數據流輸出[8]。

在HDMI標準中，根據不同傳輸周期，數據的編碼方式也不同，分別為視頻數據編碼、控制周期編碼和可糾錯編碼[9]。HDMI2.0版標準的編碼方式如表1所示。

HDMI1.4和HDMI2.0編碼方式的不同之處在于：(1)視頻數據周期保護帶，HDMI2.0采用的是視頻數據編碼，而HDMI1.4采用的是固定值；(2)數據島周期保護帶，HDMI2.0通道0采用的是可糾錯編碼，通道1和2采用的是視頻數據編碼，而HDMI1.4采用的是固定值；(3)控制周期，HDMI2.0中非加擾控制周期采用控制周期編碼，加擾控制周期采用查找表，而HDMI1.4只采用控制周期編碼。

2 編解碼器設計

2.1 編碼器設計

編碼器設計架構如圖2所示，根據輸入信號確定HDMI發送器狀態機，然后根據不同狀態機選擇相應的編碼方式。

當HDMI20使能為低電平時，編碼器工作在HDMI1.4模式，將傳輸周期劃分為視頻數據周期、數據島周期和控制周期。在視頻數據使能為高電平期間，狀態機為視頻數據周期，在音頻和輔助信息使能為高電平期間，狀態機為數據島周期，并且在視頻數據周期前面2個時鐘周期為保護帶，在數據島周期前面和后面2個時鐘周期為保護帶，其他傳輸周期則為控制周期。

當HDMI20使能為高電平時，編碼器工作在HDMI2.0模式，將傳輸周期劃分為視頻數據周期、數據島周期、加擾控制周期和非加擾控制周期。非加擾控制周期占用8個時鐘周期，其他的傳輸周期與HDMI1.4模式一致。根據表1和表2中的編碼方式，分別對不同傳輸周期的數據進行編碼，然后輸出3個數據通道的編碼數據。

編碼器數據流程如圖3所示。當HDMI20使能為低電平時，輸入數據流選擇HDMI1.4模式編碼，當HDMI20使能為高電平時，輸入數據流選擇HDMI2.0模式編碼。

2.2 解碼器設計

解碼器設計架構如圖4所示，根據輸入信號確定HDMI接收器狀態機，然后根據不同狀態機選擇相應的編碼方式。

首先，根據輸入數據中0和1跳變次數大于等于7來區分出控制周期編碼的位置，再根據控制周期編碼連續占用的時鐘周期個數來判斷HDMI20使能，HDMI1.4的控制周期編碼占用12個時鐘周期以上，HDMI2.0的非加擾控制周期編碼占用8個時鐘周期。

當HDMI20使能為低電平時，解碼器工作在HDMI1.4模式，如果控制周期的序文為0001，則下一傳輸周期為視頻數據周期，如果控制周期的序文為0101，則下一傳輸周期為數據島周期。

當HDMI20使能為高電平時，解碼器工作在HDMI2.0模式，先通過查找表將加擾控制周期的數據解碼，再通過控制周期的序文來判斷下一傳輸周期，方法同HDMI1.4模式。

解碼器數據流程如圖5所示，當HDMI20使能為低電平時，輸入數據流選擇HDMI1.4解碼模式，當HDMI20使能為高電平時，輸入數據流選擇HDMI2.0解碼模式。

3 FPGA原型驗證

3.1 驗證平臺設計

本文的FPGA驗證平臺如圖6所示，首先，由測試激勵產生模塊提供輸入數據流，連接到編碼器模塊的輸入接口。其次，編碼器模塊生成的編碼數據連接到解碼器模塊的輸入接口。最后，將解碼器的輸出數據流與測試激勵產生模塊提供的輸入數據流進行比較，驗證數據是否一致[10]。

3.2 驗證結果

根據上述FPGA驗證平臺，采用硬件描述語言Verilog HDL，在Quartus II 15.0軟件平臺上，對設計代碼進行綜合和布局布線，生成可燒錄的配置文件，并下載到Stratix IV EP45GX530KH40C2 Altera FPGA開發板上。利用邏輯分析軟件Signal Tap抓取相關測試信號，輸入輸出信號的定義與圖6一致。

如圖7所示，當輸入信號h2_enable為低電平時，編解碼器工作在HDMI1.4模式下。輸出信號與輸入信號中間有5個時鐘周期的延遲，是因為編碼器和解碼器各占用2個時鐘周期，數據從編碼器傳輸到解碼器占用了1個時鐘周期。由圖7可見，輸出信號與輸入信號一致，在HDMI1.4模式下編解碼器設計正確。

如圖8所示，當輸入信號h2_enable為高電平時，編解碼器工作在HDMI2.0模式下。輸出信號與輸入信號中間有5個時鐘周期的延遲，是因為編碼器和解碼器各占用2個時鐘周期，數據從編碼器傳輸到解碼器占用了1個時鐘周期。由圖8可見，輸出信號與輸入信號一致，在HDMI2.0模式下編解碼器設計正確。

設計中選用Altera 公司Stratix IV系列器件EP45G-X530KH40C2，編解碼器電路的資源使用情況如表2所示。

4 結論

本文根據HDMI2.0版標準中編解碼算法的定義，設計了一種編解碼器，并向下兼容HDMI1.4版標準，最終在FPGA平臺上實現了原型驗證。

驗證結果表明，本設計正確實現了編解碼器的功能，滿足HDMI標準的要求，占用邏輯資源少，可應用于系統設計中。