DVI接口在數(shù)字電視中的應(yīng)用研究(圖)

    DVI是廣泛應(yīng)用于PC的數(shù)字視頻接口，通過開發(fā)相應(yīng)的軟硬件，可以應(yīng)用到高端的數(shù)字電視當(dāng)中

引言

    數(shù)字電視概念已逐步深入人心，現(xiàn)有的大多數(shù)數(shù)字電視接收機只能通過分量接口接收滿足數(shù)字視頻信號標準的模擬信號，這實際上仍然是一種模擬信號接口，只是視頻信號符合數(shù)字電視視頻信號標準(如ITU-R601、CEA/CEA-861-A/B等標準規(guī)定的數(shù)字視頻抽樣、量化、編碼規(guī)范，滿足數(shù)字電視的行頻、場/幀頻、同步、清晰度等要求)，所以此類電視如果要在系統(tǒng)中進行數(shù)字處理，則需在視頻信號處理前增加A/D轉(zhuǎn)換、Scale、De-interlace等功能電路，這會使信號質(zhì)量有一定程度的降低，研究表明此類接口的清晰度很難真正達到高清數(shù)字電視的顯示標準(水平清晰度大于720線)。

    數(shù)字視頻接口接收的是經(jīng)過一定處理(壓縮或不壓縮)的數(shù)字信號，不論從信號質(zhì)量還是后處理考慮，都有利于提高整個接收機系統(tǒng)的性能。DVI(Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口)是目前廣泛應(yīng)用的一種數(shù)字視頻接口，起初主要應(yīng)用于PC行業(yè)。DVI支持單像素RGB的24bit數(shù)據(jù)，傳輸?shù)臄?shù)字信號沒有經(jīng)過壓縮，單連接的傳輸速率可達4.9Gbps，對數(shù)據(jù)傳輸速率是1.78Gbps的1080i數(shù)字高清晰電視可達到較好的保真度，特別是在LCD、DLP等顯示設(shè)備中，不需要任何D/A轉(zhuǎn)換和處理，減少了信號損失，可以應(yīng)用到數(shù)字電視、平板電視等產(chǎn)品當(dāng)中。

DVI概述及工作原理

    DVI是由DDWG(Digital Display working Group，數(shù)字顯示工作組)發(fā)明的一種高速傳輸數(shù)字信號的技術(shù)，有DVI-D和DVI-I兩種不同的接口形式。DVI-D只有數(shù)字接口，DVI-I有數(shù)字和模擬接口，目前應(yīng)用主要以DVI-D為主。

    DVI是基于TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，轉(zhuǎn)換最小差分信號)技術(shù)來傳輸數(shù)字信號，TMDS運用先進的編碼算法把8bit數(shù)據(jù)(R、G、B中的每路基色信號)通過最小轉(zhuǎn)換編碼為10bit數(shù)據(jù)(包含行場同步信息、時鐘信息、數(shù)據(jù)DE、糾錯等)，經(jīng)過DC平衡后，采用差分信號傳輸數(shù)據(jù)，它和LVDS、TTL相比有較好的電磁兼容性能，可以用低成本的專用電纜實現(xiàn)長距離、高質(zhì)量的數(shù)字信號傳輸。TMDS技術(shù)的連接傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TMDS連接傳輸結(jié)構(gòu)

    DVI數(shù)字信號傳輸有單連接(Single Link)和雙連接(Dual Link)兩種方式，對于單連接，僅用圖1所示的1/2、   9/10、17/18腳傳輸，它的傳輸速率可達4.9Gbps，雙連接可達9.9Gbps。

DVI接口在數(shù)字電視中的應(yīng)用

● 基本方案論證分析

    數(shù)字電視機為達到高清晰度顯示要求，掃描一般采用1080i@60Hz格式(即隔行掃描，行頻33.75kHz，場頻60Hz，像素頻率74.25MHz)，實際應(yīng)用中為減少行頻變換，所有的輸入視頻格式(如480P、576P、720P等)通過格式變換(Scale和De-interlace等)都統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為1080i@60Hz格式輸出，即多頻歸一。本文討論的DVI接口以上述數(shù)字電視標準為基礎(chǔ)考慮應(yīng)用，基本原理框圖如圖2所示。

圖2 DVI接口原理框圖

    由原理圖看，數(shù)字電視增加DVI接口比較簡單，從硬件電路考慮，一是在接口處增加DVI解碼部分，二是在后端提供一個數(shù)據(jù)通道，如果電視原有方案中具有A/D轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的后級數(shù)據(jù)處理通道，那么DVI接口解碼輸出的數(shù)據(jù)可以與它共用，因為在數(shù)字信號格式一定的情況下，其碼率、行頻、場頻、時鐘是一致的。

    在實際研究開發(fā)中，需要特別注意DVI解碼輸出數(shù)據(jù)信號、A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)信號的隔離和避免前端通道相互干擾。由于兩組通道的共用，相當(dāng)于延長了數(shù)字輸出引腳的信號線長度，因此對于長距離的數(shù)字信號印制線，有必要在其特征阻抗處將其中斷，以避免數(shù)字信號的過沖、欠沖和振鈴，通常情況下在數(shù)據(jù)線上串聯(lián)幾十歐姆的電阻。同時對于輸出驅(qū)動來說，需要最大限度地減小數(shù)字輸出引腳的容性載荷，但是在信號布線階段，一般不能精確計算容性負載，為方便系統(tǒng)調(diào)試，應(yīng)考慮在數(shù)據(jù)信號線、行場同步信號線、時鐘信號線到地并聯(lián)電容，根據(jù)PCB材料、信號長度不同，電容值一般在幾十pF即可，這樣就可達到通道負載平衡、數(shù)據(jù)上升沿、下降沿和相位的一致，減少數(shù)字噪聲干擾和抖動。

    數(shù)字電視DVI接口性能測試時，誤碼率指標應(yīng)達到10-9，即10億bit允許出現(xiàn)一個誤碼，因此在性能測試時必須保證一定的測試時間，如VGA@60Hz，25MHz時鐘頻率，測試時間應(yīng)大于40s，那么1080i@60Hz、74.25MHz像素頻率，測試時間應(yīng)大于14s，同時可通過主觀觀察圖像1分鐘以上，無明顯的像素噪聲以判斷接口性能的優(yōu)劣。

    DVI接口中有+5V電壓，熱插拔檢測(HPD)電壓要求從此電壓獲取，HPD有效電平應(yīng)大于2.4V，因此接收設(shè)備的HPD串聯(lián)電阻一般應(yīng)小于10kΩ。應(yīng)用中接收設(shè)備也可使用此電壓，用于系統(tǒng)供電，但負載電流不應(yīng)大于50mA，最好小于10mA，以保證HPD電平需要。為保證接口的正常啟動，EDID存儲器供電最好也由發(fā)送端+5V產(chǎn)生。

    為保證硬件電路設(shè)計的可行，還必須有軟件的支撐。優(yōu)化的軟件流程是保證DVI接口系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，DVI接口工作流程如圖3所示。

圖3 DVI接口系統(tǒng)工作流程

    對于DVI接口在數(shù)字電視、平板電視上的應(yīng)用研究，更為關(guān)鍵的是EDID(Extended Display Identification DATA，即擴展顯示識別數(shù)據(jù))編程，HDCP(High-bandwidth Digital Content Protection)功能的實現(xiàn)。這些對于數(shù)字電視來說都是全新應(yīng)用，只有EDID和HDCP在數(shù)字電視上實現(xiàn)后，DVI接口才是真正的數(shù)字電視接口。

● 數(shù)字電視DVI接口的EDID開發(fā)

    EDID是為PC顯示器設(shè)置的優(yōu)化顯示格式數(shù)據(jù)規(guī)范，存儲在顯示器中專用的1Kb的EEROM存儲器中(即EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是128Byte)，DVI接口應(yīng)用在數(shù)字電視上時，同樣應(yīng)該遵從此規(guī)范。

    PC主機和顯示器通過DDC數(shù)據(jù)線訪問存儲器中數(shù)據(jù)，以確定顯示器的顯示屬性(如分辨率、縱橫比等)信息，在數(shù)字電視上，也應(yīng)該用DVI接口的DDC數(shù)據(jù)線訪問EDID存儲器，以確定數(shù)字電視的相關(guān)顯示屬性，關(guān)鍵是128Byte是PC顯示器的標準，已不能滿足數(shù)字電視視頻標準的要求，因此需要對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行擴展，由于EDID標準并沒有相應(yīng)的規(guī)范，研究中按照EIA/CEA-861-B標準規(guī)范對EDID數(shù)據(jù)進行編程。

圖4 PC的EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

    DVI接口在數(shù)字電視中的EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與PC顯示器的最大區(qū)別是編程數(shù)據(jù)可以是128Byte的倍數(shù)，它不僅規(guī)定數(shù)字電視顯示的PC格式，也規(guī)定數(shù)字視頻信號和數(shù)字音頻信號，基本的128Byte以外的數(shù)據(jù)都是附加數(shù)據(jù)，在基本數(shù)據(jù)的第127個字節(jié)定義EDID的附加數(shù)據(jù)塊數(shù)量。在EDID數(shù)據(jù)編程中，根據(jù)數(shù)字電視的顯示屬性要求，有兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)必須注意：第一，如果數(shù)字電視的顯示是固定格式，則在首選Timing Mode字節(jié)中必須選擇相應(yīng)的定義；第二，數(shù)字電視的標準顯示屬性應(yīng)在第一段詳細Timing Mode字節(jié)中完成數(shù)據(jù)編程。

    研究開發(fā)中，注意到DDC2B只能適用于DVI 1.0標準的EDID讀取，因為它不能讀取附加的128字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，對于應(yīng)用DVI接口到數(shù)字電視中，因為有CEA的數(shù)據(jù)在附加數(shù)據(jù)塊里，信號源必須滿足E-DDC標準，才能讀取EDID數(shù)據(jù)。

● 數(shù)字電視中DVI接口的HDCP研究

    HDCP(High-bandwidth Digital Content protection)系統(tǒng)是DVI接口中，在發(fā)送設(shè)備(即主機)和接收設(shè)備間保護數(shù)字信號正常合法傳輸，防止非法接收的一種加密系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中最多允許7層視頻轉(zhuǎn)發(fā)器和128臺設(shè)備共享同一主DVI接口輸出的數(shù)字信號，HDCP系統(tǒng)連接的拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 HDCP系統(tǒng)連接拓樸結(jié)構(gòu)圖

    HDCP主要有三個組成部分：第一部分是鑒定協(xié)議，確認接收者的合法性。發(fā)送方與接收方進行信息交換，接收方將KEY傳給發(fā)送方，發(fā)送方驗證并用此產(chǎn)生公共密鑰，通過公共密鑰作為均衡KEY混入授權(quán)證實序列中，用于加密內(nèi)容的解密，授權(quán)確認完成；HDCP密鑰一般有專門的EEPROM存儲，目前多數(shù)整機產(chǎn)品可通過處理芯片內(nèi)部EEPROM中預(yù)編程得到HDCP密鑰，通過這種方式密鑰保護可達到HDCP規(guī)范要求的高級別，出于保密原因，密鑰不能從IC里讀出。第二，一旦確認，發(fā)送方將加密內(nèi)容以雙方都知道的解密方式傳給接收方；第三，當(dāng)非授權(quán)設(shè)備接收時，通過發(fā)送方的檢測，將中斷內(nèi)容傳送。

    HDCP具體工作過程：首先由主機發(fā)送密鑰選擇導(dǎo)引序列(AKSV)和64bit偽隨機序列(An)到接收方，接收方回傳密鑰選擇導(dǎo)引序列(BKSV)和轉(zhuǎn)發(fā)器位(REPEAT-bit)(如是轉(zhuǎn)發(fā)器用以表示身份)，發(fā)送方確認BKSV是否已被廢除和是否包含20個1和20個0；如果雙方的設(shè)備密鑰和KSV有效，則計算產(chǎn)生一個56bit的公共密鑰Km和Km`，然后可產(chǎn)生KS、KS`(傳輸密鑰)、M0、MO`(64bit后續(xù)驗證用追加初始序列)、RO、R0`(16bit指示驗證成功，它必須在AKSV發(fā)送后100ms內(nèi)傳回發(fā)送方；驗證成功后R01和R0相等；每128幀修正一次，每2s回傳一次)。因此當(dāng)DVI接口中斷傳輸2s以上，或是非授權(quán)設(shè)備接收時，主機將停止傳輸內(nèi)容，以達到保護傳輸內(nèi)容的目的。HDCP鑒定處理過程如圖6所示。

圖6 HDCP鑒定處理過程圖

    HDCP功能對于數(shù)字電視有一定局限性。對于設(shè)計完善的功能電路，如果A/D轉(zhuǎn)換器、TMDS解碼處理器不工作時，一般都具備Power Down功能，一方面降低系統(tǒng)功耗，另一方面減少高速信號的數(shù)字干擾。但由于DVI接口的HDCP功能在連接初期識別正常后，每2秒鐘要進行一次相互認證，以確保連接的始終是合格授權(quán)接收設(shè)備，這時TMDS解碼處理器就必須一直處于Power On狀態(tài)，此時將引起上面提到的兩點性能的惡化。如何處理這種矛盾，需要兼顧系統(tǒng)性能和接口標準的適應(yīng)性。另外，從接收設(shè)備實際使用的角度看，HDCP的上述認證系統(tǒng)有一定的缺陷，使用中從DVI接口模式切換到其他接口模式，TMDS解碼處理器被Power Down，HDCP識別將終止，中斷信號傳輸，意味著本次連接結(jié)束，然后顯示設(shè)備重新切換進入DVI接口模式，此時需要HDCP重新識別，則要求發(fā)送設(shè)備也要重新啟動，增加了使用的復(fù)雜性。

    在應(yīng)用研究中，針對HDCP在數(shù)字電視中的適應(yīng)性問題，提出了兩種方案。

    修改HDCP規(guī)范。一種方法是：取消2秒鐘一次的識別，即初次識別正常即可，為防止將數(shù)字信號輸出連接到其他非法設(shè)備上，此時可通過檢測HPD(熱插拔檢測)判斷是否為授權(quán)設(shè)備，一旦檢測到HPD為低電平，認為此時物理連接中斷，可馬上終止信號輸出。第二種是：接收器在Power Down時，向發(fā)送設(shè)備隨機傳送一組要求暫時終止傳輸?shù)奶厥饩幋a，當(dāng)接收器重新Power On時，再傳一次此特殊編碼，發(fā)送設(shè)備驗證后即可重新開始傳輸數(shù)字信號。以上作為以后修改規(guī)范時的建議提出。

    芯片設(shè)計時，考慮在芯片內(nèi)部將HDCP處理系統(tǒng)和TMDS解碼處理系統(tǒng)合理處理，解碼器Power Down時，HDCP也能正常工作。

    DVI應(yīng)用于數(shù)字電視是提高電視清晰度的方法之一，只要方案設(shè)計合理，EDID和HDCP按照相應(yīng)標準規(guī)范進行開發(fā)擴展，那么DVI接口和數(shù)字電視的結(jié)合是可行和有效的。