HDMI分配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

HDMI（高清晰度多媒體接口）是由日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜和東芝7家公司成立的HDMI組織制定的專用數(shù)字視頻/音頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)。HDMI是針對下一代多媒體影音設(shè)備所開發(fā)的傳輸接口，適用于數(shù)字家電的數(shù)字電視、DVD播放機(jī)、DVD錄放機(jī)、PVR、機(jī)頂盒及其他數(shù)字視聽產(chǎn)品。其最大特色是該接口可以在一根傳輸電纜內(nèi)傳送無壓縮的音頻信號(hào)及高分辨率視頻信號(hào)。隨著帶HDMI接口的終端產(chǎn)品的增加，在酒吧和賣場等一些公共場合需要類似以前AV格式的音視頻分配器產(chǎn)品。本文中詳細(xì)介紹了如何利用ANX9011和ANX9030來設(shè)計(jì)一進(jìn)四出的HDMI分配器。

HDMI接口及系統(tǒng)概述

目前消費(fèi)者正受到各種AV連接數(shù)過于龐大的困擾。HDMI接口可以用單一的連線取代眾多的影音連線，簡潔又方便。目前HDMI接口已經(jīng)有成為數(shù)字影音產(chǎn)品的必配接口之一的趨勢。

HDMI接口主要有三個(gè)通信通道，接口示意圖如圖1所示。TMDS通道：負(fù)責(zé)所有音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸。輔助數(shù)據(jù)，如AVI InfoFrame、Audio InfoFrame等也是通過TMDS通道。DDC通道：HDMI源端，通過這個(gè)通道來讀取接收端（Sink）的E-EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得知接收端內(nèi)含的機(jī)能與特性。CEC通道：這是一個(gè)可選項(xiàng)（Option），它提供更高層次的使用方式讓消費(fèi)者使用，例如自動(dòng)設(shè)定的細(xì)節(jié)、單鍵播放或是遙控相關(guān)的事。

圖1 HDMI接口示意圖

在某些情況下，HDMI的源端會(huì)使用到AVI InfoFrame與Audio InfoFrame。AVI InfoFrame所包含的信息是為了實(shí)現(xiàn)與達(dá)成顯示模式自動(dòng)化（Display Mode Automation）而規(guī)劃的一種方法或機(jī)制，如比色法、顯示比例、像數(shù)重復(fù)因數(shù)等。Audio InfoFrame信息包含通道數(shù)、代碼類型、采樣尺寸、采樣頻率等信息。

E-EDID是增強(qiáng)型擴(kuò)充顯示器識(shí)別數(shù)據(jù)(Enhanced Extended Display Identification Data Standard)的簡稱。源裝置使用DDC(Display Data Channel)來讀取終端接收顯示裝置的E-EDID，以確認(rèn)終端顯示裝置的設(shè)定與功能。

HDCP數(shù)字內(nèi)容保護(hù)則是英特爾開發(fā)的為HDMI提供高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)的解碼技術(shù)。配備了HDCP解碼技術(shù)的HDMI就不會(huì)受到信號(hào)加密的限制，可以接受全部格式的高清信號(hào)。

HDMI分配器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及芯片特點(diǎn)

HDMI分配器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HDMI分配器系統(tǒng)框圖

HDMI分配器工作原理如下：當(dāng)HDMI輸入端口接收到HDMI的視頻輸入信號(hào)后，轉(zhuǎn)換為內(nèi)嵌行場同步的Y/Cb/Cr信號(hào)，送到HDMI的發(fā)送芯片。HDMI的發(fā)送芯片把Y/Cb/Cr信號(hào)轉(zhuǎn)換為HDMI發(fā)送出去。這時(shí)四個(gè)HDMI端口同時(shí)有信號(hào)輸出，同時(shí)帶有信號(hào)的復(fù)制和增強(qiáng)功能。單片機(jī)通過I2C總線控制各個(gè)芯片的初始化以及狀態(tài)機(jī)的變化，完成EDID的讀取和HDCP的校驗(yàn)等工作。

HDMI的收發(fā)IC目前有很多。在本方案中選擇ANALOGIX公司的ANX90xx系列IC是因?yàn)樵摦a(chǎn)品基于Wide Eye信號(hào)恢復(fù)技術(shù)，從而能夠提供高性能的傳輸或接收能力。該系列芯片可以支持遠(yuǎn)大于HDMI標(biāo)準(zhǔn)定義的15m的HDMI線纜高速信號(hào)傳輸。其實(shí)際的支持距離已經(jīng)超過了50m。超強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)傳輸能力允許客戶使用廉價(jià)的線纜（如UTP等）來進(jìn)行高速多媒體信號(hào)的傳輸，同時(shí)還保證了極低的誤碼率。ANX90xx系列芯片具有很強(qiáng)的音視頻處理能力。該系列芯片能以最高165Mpix/s的速率傳輸高達(dá)24位信息數(shù)據(jù)，使整個(gè)處理頻寬接近4Gb/s。它支持RGB與多種模式Y(jié)CbCr之間的轉(zhuǎn)換，支持HDTV（最高支持1080p）和PC（最高支持16001200@85Hz）應(yīng)用，還支持8通道24位高精度數(shù)字音頻輸出，提供I2S和S/PDIF標(biāo)準(zhǔn)輸出接口。它不僅能夠滿足目前最先進(jìn)的應(yīng)用，還具備一定的擴(kuò)展能力。

ANX9011是帶Wide Eye恢復(fù)功能的單端口HDMI接收IC，支持鏈路速率達(dá)1.65Gb/s，支持HDMI1.2、HDCP 1.1和DVI1.0標(biāo)準(zhǔn)。由于具有Wide Eye功能，能夠支持長電纜和低誤碼率。

ANX9030是帶HDCP、兼容HDMI1.2的發(fā)送IC?？芍С窒駭?shù)速率達(dá)165Mpix/s。對720P和1080i模式，其功耗僅為300mW。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

HDMI的接口IC有四種電源：AVDD33、DVDD33、AVDD18和DVDD18。＋3.3V電源用于IO口的供電，＋1.8V用于內(nèi)核和邏輯的供電。兩個(gè)+3.3V的電源能作為一組，兩個(gè) ＋1.8V的電源能作為另一組。上電時(shí)基本的上電順序?yàn)椋合壬蟽蓚€(gè)＋3.3V的電源，然后上兩個(gè)＋1.8V的電源。上電時(shí)序如圖3所示。上電時(shí)序如果反相會(huì)引起芯片進(jìn)入未知狀態(tài)。最差能接受的情況為＋3.3V和＋1.8V同時(shí)供電。

圖3 ANX9011和ANX9030上電時(shí)序圖

在一些惡劣的條件下，在電源上升完成前，由于電源問題，電源線上有一個(gè)大的噪聲，如圖4所示。如果復(fù)位腳沒有拉到地或者沒有驅(qū)動(dòng)到低，噪聲將耦合到復(fù)位腳。這將使芯片進(jìn)入未知狀態(tài)或者可能損壞一些芯片內(nèi)部可編程的電路。因此，復(fù)位腳必須在電源穩(wěn)定后為低且保持100ms。

圖4 復(fù)位時(shí)序

正常的RC電路可能不太滿足這個(gè)要求，推薦使用一些低成本的上電復(fù)位IC。

IC的每一個(gè)電源引腳都應(yīng)該有一個(gè)0.1μF的去耦電容，且PCB布板的時(shí)候要盡量的靠近IC的電源引腳。

HDMI接口在使用中經(jīng)常會(huì)熱插拔，因此需要ESD保護(hù)。使用ESD二極管來保護(hù)電路不被損壞，但是它們也給保護(hù)線路帶來一些電容。4對TMDS線運(yùn)行在很高的速率上，因此這4對線有阻抗控制的要求，規(guī)定阻抗為100Ω，誤差為15％。在這四對線上加了保護(hù)二極管后，差分阻抗會(huì)有一些偏移。如果沒有阻抗補(bǔ)償，可能會(huì)超出誤差范圍。不過，SEMTECH公司最新推出的Rclamp0524 ESD保護(hù)二極管等產(chǎn)品不需要在PCB LAYOUT的時(shí)候加阻抗補(bǔ)償。

ANX9011提供I2C從接口和MCU通信，設(shè)備的I2C地址由復(fù)位引腳的上升沿采樣DEVAD輸入腳的電平?jīng)Q定。當(dāng)DEVAD為高時(shí)，I2C地址為0X62/0X6A，當(dāng)DEVAD為低時(shí)，I2C地址為0X60/0X68，TEST_EN腳必須接地。ANX9030的I2C地址由41引腳DEV_ADDR_SEL在復(fù)位的上升沿時(shí)的電平?jīng)Q定。若為高I2C地址為0X76/0X7E，當(dāng)為低時(shí)I2C地址為0X72/0X7A。24引腳R_BIAS需用680Ω的電阻上拉，21引腳RSV_L用4.7kΩ的電阻接地。

在PCB LAYOUT時(shí)請注意差分阻抗為100Ω，單端的時(shí)鐘線阻抗為50Ω。差分對的兩對線之間的長度差值應(yīng)該在10密耳以內(nèi)，不同的差分對之間的長度差值應(yīng)該在250密耳以內(nèi)。推薦使用4層或4層以上的PCB板。這樣系統(tǒng)可以運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境。

系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)和方法

由于HDMI生產(chǎn)廠家有許多，為了保證消費(fèi)者所買回去的HDMI產(chǎn)品能與其他的HDMI產(chǎn)品配合工作，需要進(jìn)行兼容性測試（CTS）。各授權(quán)測試中心（ATC）也相應(yīng)的建立起來，按照CTS規(guī)范進(jìn)行測試。

HDMI CTS要求四種類型的設(shè)備進(jìn)行測試：源設(shè)備（如DVD、STB）、接收設(shè)備（如LCD_TV）、線纜和中繼設(shè)備。本方案適用于中繼設(shè)備的測試標(biāo)準(zhǔn)。在中繼設(shè)備測試中也應(yīng)該同時(shí)滿足源設(shè)備和接收設(shè)備的測試標(biāo)準(zhǔn)。

本產(chǎn)品在1080P狀態(tài)下的測試眼圖如圖5所示。

圖5 源端1080P狀態(tài)下測試眼圖

在HDMI測試中，HDCP測試也應(yīng)引起大家的注意。幾乎所有具有HDMI特性的系統(tǒng)也都具有HDCP特性。在具體使用中，當(dāng)出現(xiàn)互操作的測試問題時(shí)，往往不是與HDMI相關(guān)，而是與HDCP有關(guān)。

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本方案中選用STC公司的STC89LE516RD+，其工作頻率為0～80MHz，內(nèi)部FLASH的儲(chǔ)存空間為63Kb，RAM的空間為1280字節(jié)。使用KEIL C51編程，系統(tǒng)軟件可以分為兩個(gè)部分，一個(gè)是ANX9011的初始化的處理和ANX9011的狀態(tài)機(jī)的變化，另一個(gè)是ANX9030的初始化的處理和ANX9030的狀態(tài)機(jī)的變化。主循環(huán)程序如下。

void main(void){
Init_mcu();
Init_9011();
Init_9030();
while(1){
ANX9011_IntProcess ();
ANX9011_TimerProcess ();
ANX9030_Interrupt_Process();
ANX9030_Timer_Process ();
}
}

1 ANX9011的初始化

在ANX9011的復(fù)位電路的上升沿，DEVAD_CLK48B引腳的狀態(tài)決定ANX9011的I2C地址。假定此引腳為低，I2C地址為0X60和0X68被選擇。

首先確認(rèn)ANX9011存在且能正常工作，代碼如下。

c1 = 0;
while (1){
HDMIRX_reset_pin = 0;
delay_ms(10);
HDMIRX_reset_pin = 1;
delay_ms_(10);
c = i2c_read_P0_reg(0x02, c1);
if ((c == 0) (c1 == 0x21)) {
c = i2c_read_P0_reg(0x03, c1);
if (c == 0) (c1 == 0x90))
break;
}
}

如ANX9011存在，且能正常工作，開始初始化。

2 ANX9030的初始化

在ANX9030的復(fù)位電路的上升沿，DEV_ADDR_SEL引腳的狀態(tài)決定ANX9030的I2C地址。假定此引腳為低，I2C地址為0x72和0x7A被選擇。

首先確認(rèn)ANX9030存在且能正常工作，代碼如下：

while (1) {
ANX9030_Resetn_Pin = 0;
delay_ms(2);
ANX9030_Resetn_Pin = 1;
delay_ms(2);
c = ANX9030_i2c_read_p0_reg(ANX9030_DEV_IDL_REG, c1);
if ((c == 0) (c1 == 0x30)) {
c = ANX9030_i2c_read_p0_reg(ANX9030_DEV_IDH_REG, c1);
if((c == 0) (c1 == 0x90))
break;
}
}

ANX9030在上電復(fù)位后，除了像素時(shí)鐘檢測（CKDT）和熱插拔檢測（HPDT）功能外，ANX9030的大部分功能處于待機(jī)狀態(tài)。軟件需要正確的配置其他寄存器。

總結(jié)

目前市場上需要的HDMI分配器都需要帶信號(hào)復(fù)制和增強(qiáng)功能。據(jù)筆者所知，在市場上出售的HDMI分配器中，較少采用HDMI信號(hào)直接分兩路的方案。一般都采用HDMI的接收器加上幾個(gè)HDMI的發(fā)送器來完成。隨著HDMI市場的成熟，此類產(chǎn)品的需求量會(huì)逐漸增加。本文詳細(xì)說明HDMI分配器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、芯片特點(diǎn)、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和HDMI分配器的測試方法及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路，可作為廣大音視頻工程師的參考資料。