HDMI信号转换HD-SDI信号系统

孙　旭,　陈戈珩

(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春　130012)



HDMI信号转换HD-SDI信号系统

孙旭,陈戈珩*

(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春130012)

详细介绍了HDMI技术和SDI技术特点及其工作原理，提供了一套HDMI转高清SDI系统的方案设计。

HDMI；HD-SDI； 信号转换

0　引　言

高清晰度视频在视频领域已经得到广泛应用，各显示器生产厂家对视频清晰度的要求也越来越高，在研发过程中需要多个串行数字接口(SerialDigitalInterface，SDI)视频信号源，而SDI接口视频源的价格普遍较高，增加了很多开发成本。

相比SDI接口，生活中高清晰度多媒体接口HDMI使用更加普遍，笔记本电脑和智能电视已经普遍带有HDMI接口,另外，HDMI还可用于高带宽数字内容保护技术[1]。因此，在现代多媒体上设计高清多媒体接口具有重要的意义。

为了满足不同的使用需求，有时需要在高清SDI信号和HDMI信号之间进行转换。文中针对HDMI信号向高清SDI信号转换设计了一套系统方案。

1　HDMI和高清SDI技术

1.1HDMI技术原理

为保证高质量的信号传输，HDMI信号在传送时没有经过数/模和模/数变换，因此信号质量基本没有损失。由于HDMI电缆可以传输音频和视频信号，简化了音频和视频设备之间的连接。HDMI在2002年12月9日正式发布了1.0标准，如今HDMI已发展到1.4版本[2]。

完整的HDMI系统由发送设备和接收设备两部分组成。两个设备之间通过3个不同的TMDS数据信息通道连接，用以传输音视频信号和其他的辅助数据，TMDS时钟通道用以传输时钟信号。

HDMI系统结构如图1所示。

图1HDMI系统结构

1.2SDI技术原理

由于串行数字信号的传输速率很高，因此需要对视频信号进行处理才能用于传输。用扰码的不归零倒置(NRZI)进行编码，标准为EBU-Tech-3267和SMPTE-259M，对原始数据信号进行扰频，变换为NRZI码再进行传送。接收端在解码时首先要恢复时钟信号，串行接口的时钟恢复只能用信号本身的跳变来产生。在接收端采取对极性的变换响应达到提取时钟信息和解码的目的[3]。

SDI系统由接收和发送两部分组成。在SDI发送端，并行数据进入串行器转变为串行数据，然后送入时钟倍频单元中，对时钟倍频这样就能适应串行发送的时钟。为了使SDI系统的电气规范满足行业标准，采用电缆驱动器来驱动75Ω的同轴电缆。电缆均衡电路对视频信号在长距离信号传输过程中出现的损耗进行补偿，信号通过时钟恢复单元，将信号中的高频抖动移除。SDI解串器将串行数据变为并行数据送出。

SDI收发系统结构如图2所示。

图2SDI收发系统结构

2　硬件设计方案

2.1方案选择

将HDMI信号转换为高清SDI信号，一种方案是使用DSP芯片或者可编程逻辑器件FPGA来接收HDMI信号，在芯片内部通过程序对HDMI信号解码，封装为高清SDI信号。此方案的优点在于硬件设计方面相对简单，所用芯片较少，通过软件调试基本可以解决在调试中出现的问题，修改思路比较清晰。然而HD-SDI接口传输的是高速串行信号，在传输1 080P规格的全高清信号时，速度达到近3Gbps。视频信号的同步采用SAV(StartofActiveVideo)、EAV(EndofActiveVideo)数据的隐藏同步信号，在如此高速率下去提取同步信号和视频数据信号难度较大。在巨大的传输规格差异和高速率的条件下进行信号转换十分困难，因此，我们放弃了此方案。另一种方案是使用支持高清SDI以及HDMI的专用芯片来进行信号的解码和编码，其优点在于采用专用芯片进行信号的编解码，准确性较高，处理速度快。单片机的软件设计不需要进行解码、封装等具体的功能实现，只需要负责整体系统的控制。这样，软件部分设计的简化有助于研发周期的缩短。因此，我们选择了第二种方案。

2.2芯片选择

HDMI信号转高清SDI信号：本设计选择了Sil9135芯片，负责对HDMI信号接收解码。Sil9135芯片来自SiliconImage公司，支持HDMI1.3格式标准，出色的视频表现足以在高清晰度电视下支持最高36bit色深最高1 080P分辨率的视频，而且提供IIS,S/PDIF等多种音频格式的输出，IIC接口控制芯片，有较强的兼容性[4];选择GS2972芯片作为HD-SDI编码驱动芯片，GS2972由GENNUM公司生产，支持最高可达3Gbps的串行传输速率(对应1 080P视频分辨率)、控制方式采用GSPI接口控制与电平控制相结合的方法;本设计选择C8051F020单片机作为主控芯片，对性能的要求不是太高，且拥有相对大容量的片载Flash，足够装载控制程序。

2.3系统框图

HDMI信号转换高清SDI信号的系统方案设计:HDMI信号送入HDMI解码芯片Sil9135，将信号解码为符合EIA-CEA-86I格式视频信号和IIS格式的音频信号。将以上信号送到SDI编码芯片GS2972中，将其转化为标准的高清SDI信号送出。主控芯片单片机C8051F020负责编解码芯片Sil9135和GS2972的控制和状态监测。具体的信号流程如图3所示。

图3信号流程图

2.4电源设计

本设计中系统所需要的工作电压有:HDMI接口及HDMI接口芯片工作电压5V，HDMI解码芯片、SDI编码芯片I/O口以及MCU核心和I/O口工作电压3.3V;SDI编码芯片核心/锁相环工作电压1.2V;HDMI解码芯片核心/锁相环工作电压1.8V。

根据各芯片的资料描述，各电压对应的电流都在300mA内。另外，考虑到本设计的转换系统其信号频率较高，电源部分的设计至关重要，既要考虑稳定性，又要考虑到电源噪声对高频信号的干扰。综合各方面的考虑，本系统供电电压采用较为常用的12V电源，各电压的产生可选用AP1538及AP1117电源芯片，原理图设计如图4所示。

图4　电源设计原理图

2.5系统复位设计

复位系统的作用就是让整个系统恢复到初始的工作状态。本系统的复位设计原理图如图5所示。

2.6ESD部分设计

ESD(Electro-Staticdischarge)直接翻译为“静电释放”。静电是静止不动的电荷，通过电子或离子的转移形成的，存在于物体的表面。在日常生活中，静电放电现象无处不在，带有静电的人接触了静电敏感电子元件，就有可能发生静电故障。因此ESD所产生的效应是负面的，它会造成电子系统永久性破坏[5]。在本系统中,ESD部分的设计也十分重要。HDMI系列采用IP4777CZ3解决方案，拥有EMI去耦技术确保用户能够驱动长DDC数据线，以及DDC缓冲技术。IP4778CZ38可广泛地应用在HDMI接口设备中，主要优点是：符合HDMI标准低电容的ESD保护二极管；符合HDMI接口的封装规格；操作简单的板级ESD保护；可斜率加速用以驱动长电缆。

设计中采用了IP4777CZ38典型的设计方案，设计原理如图6所示。

图5复位设计原理图

图6　ESD设计原理图

2.7DDC部分设计

在HDMI转SDI系统中，使用的是HDMI接收、解码模块。首先要保证的是时钟通道Clock、Channel0、Channel1、Channel2这四路信号走线长度保持相同，并且要尽量缩短这个长度。为了储存EDID信息供前端HDMI发送设备读取，在DDC通道上需要连接一个存储器。一般DDC通道信号格式为IIC格式，EDID信息的标准大小为256Byte[6]。所以，在设计中EDID信息的存储器选用了256Byte的EEPROM芯片。

3　软件设计

3.1MCU的配置

MCU需要实现的基本功能有:时钟，计时定时器，对EEPROM的写入IIC接口，对HDMI功能驱动芯片控制通信的IIC接口，对HD-SDI功能驱动芯片通信的GSPI接口，为方便整个软件调试使用的UART串口[7]。

3.2HDMI接收芯片的Sil9135的程序结构

Sil9135芯片的程序设计分为芯片初始化、视频的接收处理、视频配置、音频配置，各部分的功能实现流程如图7所示。

(a) Sil9135视频接收流程

(c) Sil9135音频接收流程

(d)　Sil9135音频配置流程

3.3HD-SDI发送芯片GS2972的初始化和配置

在HDMI接收并配置完合适的输出之后，MCU开始对输出驱动芯片GS2972进行硬件重启，配置初始化电平。GS2972负责对前端送来的音视频信号进行合适的配置输出。

4　结　语

设计的系统支持目前市场上普及较广的分辨率高达1 080P的视频信号转换，可满足大部分研发及家庭的需要。支持热插拔及静电保护功能，信号分辨率自适应功能。此外，本转换系统的理论功率小于1W,功耗非常低。

随着数字多媒体技术的快速发展，高清视频信号会进一步普及，最近4K电视已经拥有一定的市场。作为多媒体技术发展而产生的SDI接口以及HDMI接口，随着带宽速度的提升会面临新的技术挑战[8]。

[1]周咸春，梁维铭.HDMI与HDCP技术分析及应用[J].中国科技信息,2007,11(12):68-72.

[2]黄庆敏，罗建.HDMI接口标准及应用设计[J].电视技术，2007,31(2)：31-34.

[3]李洪强，苗长云.高清晰度视频SDI卡的设计[J].电子器件，2007(3),1014-1017,1020.

[4]PhilipsSemiconductors.TheI2Sbusspecification[M]. [S.l.]:Version5,1999:1-9.

[5]薛同泽，沙占友，崔博.人体静电放电ESD及保护电路的设计[J].微计算机信息，2007,14(5),85-89.

[6]陈建英.EDID在HDMI高清设备中的应用[J].电子产品世界，2008(1)：114-116.

[7]张艳敏.楼宇可视对讲键的研究与设计[D].长春：长春工业大学，2007：71-73.

[8]王明臣，姜秀华，张永辉.数字电视与高清晰度电视[M].北京:中国广播电视出版社,2003.

HDMI and HD-SDI signal transformation system

SUN Xu,CHEN Geheng*

(School of Computer Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

HerewediscussHDMIandSDItechniquesandoperationprinciple,andprovideasystemdesignofHDMIandhigh-resolutionSDIsignaltransform.

HDMI；HD-SDI；signaltransformation.

2016-01-17

国家科技支撑计划基金项目(2007BAQ0097)

孙旭(1976-)，男，汉族，吉林安图人，长春工业大学硕士研究生，主要从事数字信号处理方向研究,E-mail:chengeheng@ccut.edu.cn. *通讯作者：陈戈珩(1961-)，女，汉族，吉林长春人，长春工业大学教授，博士，主要从事数字信号处理方向研究,E-mail:chengeheng@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.4.09

TN919

A

1674-1374(2016)04-0356-07