視頻數(shù)據(jù)在HDMI接口中的編解碼分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21639視頻數(shù)據(jù)在HDMI接口中的編解碼分析案例 1276811.1HDMI接口編解碼概覽 1159381.1.1鏈接架構(gòu) 1256641.1.2運(yùn)行模式簡述 2101331.2HDMI視頻編碼 4241481.2.1控制周期編碼 455801.2.2視頻數(shù)據(jù)編碼 56351.2.3視頻數(shù)據(jù)編碼電路 9206391.2.4功能仿真 103311.3HDMI視頻解碼 10222521.3.1視頻數(shù)據(jù)解碼 10133911.3.2視頻數(shù)據(jù)解碼電路 124531.3.3功能仿真 12100341.4設(shè)計結(jié)果分析 131.1HDMI接口編解碼概覽1.1.1鏈接架構(gòu)HDMI的連接結(jié)構(gòu)如圖1.1.1-1所示，輸入的數(shù)據(jù)流進(jìn)入源端，單鏈路的HDMI發(fā)送端包含三個同樣的編碼器，2位控制信號或8位視頻數(shù)據(jù)通過編碼器后，轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)，TMDS時鐘通道的時鐘信號頻率是字符傳遞的速率。數(shù)據(jù)也會隨著運(yùn)行周期的改變發(fā)進(jìn)行類型變化，有視頻像素數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)包和控制信號。輸入前數(shù)據(jù)類型不一致，但是經(jīng)歷各自對應(yīng)的編碼操作后，都是以10位的形式進(jìn)行一個傳遞。。圖1.1.1-1HDMI編碼器/解碼器概覽1.1.2運(yùn)行模式簡述鏈路在工作運(yùn)行的時候，有三個模式。這三個運(yùn)行模式中，有效視頻信息在視頻數(shù)據(jù)周期的時間段里進(jìn)行傳送，TMDS數(shù)據(jù)通道中是有效視頻像素數(shù)據(jù)；傳輸在音頻數(shù)據(jù)方面，是在數(shù)據(jù)島周期時間，分組數(shù)據(jù)包囊括了音頻數(shù)據(jù)和其輔助數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸；在非數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間段，運(yùn)行在控制周期。控制周期是作為一個過渡期在其他兩個任意類型的運(yùn)行模式之間，如下圖1.1.2-1所示，是上述的周期類型在實際中的配置。圖1.1.2示例：720x480p視頻幀中的TMDS周期視頻數(shù)據(jù)周期內(nèi)傳輸?shù)氖怯行б曨l數(shù)據(jù)，在傳輸有效視頻的時候，使用轉(zhuǎn)換最小化編碼對8bit的R/G/B數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼或者是24位的像素進(jìn)行編碼，使其傳輸過程中電平跳變次數(shù)盡量少。數(shù)據(jù)島周期時間以與最小化編碼方法類似的轉(zhuǎn)換方式應(yīng)用，這種方式叫做錯誤減少編碼(TERC4)，這個編碼方式每信道傳輸4位數(shù)據(jù)，或者一個時鐘周期的時間里傳輸?shù)奈粩?shù)總和為12位。在控制周期的時間里，每個傳輸通道會應(yīng)用到與上述兩個時期不同的方式，稱之為轉(zhuǎn)換最大化編碼，這種編碼的方式實際上是對每個時鐘執(zhí)行單個通道2位或全部通道總和達(dá)6位的編碼，它們分別是、、CTL0、CTL1、CTL2和CTL3。4個CTLX位，它們能起到的作用是一個指示作用，在導(dǎo)言中，這四個位可以表示在這個控制周期即將結(jié)束的時刻，后面緊跟著的周期類型。前文中所提及的三個運(yùn)行模式，除去控制周期，所以，CTLX位所表明的內(nèi)容：CTL0、CTL1、CTL2、CTL3為“1000”，控制周期后是視頻數(shù)據(jù)周期；為“1010”，后跟數(shù)據(jù)島周期。在進(jìn)入視頻數(shù)據(jù)段和數(shù)據(jù)島周期之前，都會配置一個前導(dǎo)保護(hù)帶；數(shù)據(jù)島周期還配置有一個尾保護(hù)帶。這么做的目的，在切換控制周期和數(shù)據(jù)周期的時候，可以過渡平穩(wěn)。表1.1.2-1編碼類型和傳輸數(shù)據(jù)周期數(shù)據(jù)傳輸編碼類型視頻數(shù)據(jù)周期視頻像素視頻數(shù)據(jù)編碼（8bitto10bit）保護(hù)帶固定10位模式數(shù)據(jù)島周期數(shù)據(jù)包--音頻采樣--信息幀HSYNC，VSYNC編碼(4bitto10bit)保護(hù)帶固定10位模式控制周期控制信號--導(dǎo)言--HSYNC，VSYNC控制周期編碼(2bitto10bit)1.2HDMI視頻編碼1.2.1控制周期編碼在控制周期時間內(nèi)，每個數(shù)據(jù)傳輸通道都包含兩個控制數(shù)據(jù)信號，里面的控制信號如表1.2.1-1所示。表1.2.1-1TMDS通道D0D10HSYNCVSYNC1CTL0CTL12CTL2CTL3三個TMDS通道內(nèi)的兩個控制信號分別應(yīng)按照如下形式進(jìn)行編碼：case(D1，D0):0，0:q_out[9:0]=0b1101010100;0，1:q_out[9:0]=0b0010101011;1，0:q_out[9:0]=0b0101010100;1，1:q_out[9:0]=0b1010101011;endcase;1.2.2視頻數(shù)據(jù)編碼這部分主要內(nèi)容是對于視頻信號傳送過程中需要采取的編碼控制算法特點進(jìn)行了詳細(xì)描述。給出了一個示例，以詳細(xì)說明編碼器的類型。其他的類型可能存在并且可能實現(xiàn)，但是在給定相同類型的字符編碼序列的情況下，必須將它們的轉(zhuǎn)換輸出必須與由上述編碼器轉(zhuǎn)換后的輸出（10位）字符編碼序列一致。在處于視頻數(shù)據(jù)周期的時間內(nèi)，執(zhí)行了編碼操作后，會將輸入的8位的像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個DC-Balance的10位字符串。在數(shù)據(jù)有效階段，編碼操作的流程，有兩個主要的環(huán)節(jié)組成：第一個環(huán)節(jié)根據(jù)輸入進(jìn)來的那個8位的像素數(shù)據(jù)，添加表示一個邏輯運(yùn)算的標(biāo)識的第九位，完成一個轉(zhuǎn)換次數(shù)最少的9位的字符串；第二個環(huán)節(jié)緊密承接上一個環(huán)節(jié)，再添加一個第十位代表翻轉(zhuǎn)的標(biāo)識符，即已經(jīng)運(yùn)算完成的TMDS字符串并進(jìn)行輸出的運(yùn)算結(jié)果，管理傳輸?shù)淖址鞯恼w的直流平衡將由它來管理。九位數(shù)的代碼的話，來自編碼器工作流程順序的第一階段的結(jié)果是通過8位的經(jīng)過邏輯判斷運(yùn)算后得到的。在得到轉(zhuǎn)換完成后的8位的結(jié)果，這之后一個擁有表示標(biāo)識功能的第九個特殊位會被插入到整個信息當(dāng)中。是用來說明有兩種描述方法轉(zhuǎn)換，前面的轉(zhuǎn)換方法是具體選擇了這兩個方法中的哪一個。無論是哪一個轉(zhuǎn)換的方法，在執(zhí)行整個操作的流程完成后，輸出信息的LSB同輸入數(shù)據(jù)的LSB是完全相吻合的。當(dāng)初始值被確定，輸出信息的其余7位由前面推導(dǎo)的每個位的順序特定的或特定的()函數(shù)派生。應(yīng)當(dāng)做出一個恰當(dāng)?shù)倪x擇，在上述的兩個邏輯運(yùn)算方法中依據(jù)實際的情況和需要，為了實現(xiàn)在編碼值中可能包含盡可能少的變換。所以，這個第九位的作用可用于表示具體是哪一個函數(shù)或函數(shù)被選擇用于進(jìn)行對應(yīng)的編碼轉(zhuǎn)換來輸出這個9位的數(shù)據(jù)。針對于這個9位數(shù)的字符串，它的解碼操作也只是把或邏輯計算在該代碼相鄰位上進(jìn)行反演，而LSB則不加更改地從解碼器輸入傳遞到解碼器輸出。當(dāng)我們在獲得一個9位數(shù)的階段性數(shù)據(jù)后，將會進(jìn)入到編碼流程下一個環(huán)節(jié)。在第二個環(huán)節(jié)，前面生成的那一個9位的過渡的數(shù)據(jù)，會將這個9位的字符串里面的包含視頻數(shù)據(jù)信息的8位按照一定的規(guī)律進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。進(jìn)行有條件的翻轉(zhuǎn)的目的是，在傳輸過程中減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流達(dá)到一個大體上的直流平衡。之后，第十位的加入，用于表示什么時候進(jìn)行過翻轉(zhuǎn)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中“0”還有“1”在過程中存在的差異會被編碼器獲得，再結(jié)合輸入的那個數(shù)據(jù)中的“0”和“1”的具體的數(shù)值差異，計算出轉(zhuǎn)換到下一個字符的時刻。一種情況是，整個傳輸流中通過的“1”的數(shù)量較大，且輸入的字符又包含比“0”數(shù)量多的“1”，那么整個字符會被翻轉(zhuǎn)后進(jìn)行傳輸。根據(jù)上述的編碼流程的描述，解碼器的解碼流程也可以通過上面編碼完成后的差分傳輸信號的第十位的信息，逆向推導(dǎo)，完成解碼的操作。TMDS編碼算法的流程由圖1.2.2-1所示，并且圖內(nèi)的參數(shù)都在表1.2.2-1有定義。根據(jù)輸入，可以生成一個包含460個數(shù)據(jù)的編碼查找的表，輸入和編碼后數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系可以在這中體現(xiàn)。在視頻數(shù)據(jù)周期，輸出其他類型10位數(shù)據(jù)是不被允許的，在進(jìn)入該時期前，數(shù)據(jù)流視差（cnt）要歸零。表1.2.2-1編碼算法的定義D編碼器輸入數(shù)據(jù)集;D是8位像素數(shù)據(jù)cnt一個寄存器，是被設(shè)計來記錄數(shù)據(jù)流的差異。其中如果數(shù)據(jù)流中的“1”超過了“0”，會以正值的方式將數(shù)量計入該寄存器，反之則會用負(fù)值。Cnt（t-1）這個表達(dá)了上一個輸入數(shù)據(jù)集的差值，同理cnt（t）就應(yīng)該反映出當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)集的差值。q_m中間值q_out這10位是編碼的輸出值此運(yùn)算符返回參數(shù)“x”中的“1”的個數(shù)此運(yùn)算符返回參數(shù)“x”中的“0”的個數(shù)圖1.2.2-1TMDS視頻數(shù)據(jù)編碼算法流程圖由TMDS數(shù)據(jù)通道傳送視頻數(shù)據(jù)的時候，8位的視頻數(shù)據(jù)會經(jīng)過編碼，輸出一個近似直流平衡的經(jīng)過編碼的字符，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流會做到盡量少的跳變次數(shù)。對于視頻數(shù)據(jù)的編碼處理，我們可以將整個操作過程大致分為兩個環(huán)節(jié)：一是從8位輸入生成一個跳變次數(shù)盡量的達(dá)到最小的9位字符，二是將上個環(huán)節(jié)產(chǎn)生9位的字符再加入一個第十位表示是否將其中的8位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)近似的直流平衡。所以，直流平衡是這個8b/10b編碼的特性之一，可以提高系統(tǒng)抗電磁干擾的性能。1.2.3視頻數(shù)據(jù)編碼電路圖1.2.3-1視頻編碼模塊的原理圖輸入的視頻數(shù)據(jù)分別進(jìn)入R/G/B三個不同的顏色通道。從圖中也可以看出，每個顏色通道的處理過程都是一樣的，都是先經(jīng)過dvi_encoder進(jìn)行編碼，然后經(jīng)過serializer_10_to_1模塊進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。這里提及的OBUFDS是差分輸出緩沖器，可以實現(xiàn)信號的差分輸出。支持TMDS電平標(biāo)準(zhǔn)，用于將輸出的編碼后的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為差分信號輸出。圖1.2.3-2OBUFDS原語圖1.2.4功能仿真圖1.2.4-1編碼模塊電路仿真在使用vivado工具完成設(shè)計文件之后，要對其進(jìn)行仿真。Vivado的集成度很高，可以在其中直接進(jìn)行設(shè)計文件的仿真。最后仿真的得到的波形如上圖1.2.4-1所示，解碼將24位的數(shù)據(jù)“6a6a6a”編碼為三個通道中的10位數(shù)據(jù)十六進(jìn)制“273”，即“1010110011”，結(jié)果是符合設(shè)計需求的。1.3HDMI視頻解碼1.3.1視頻數(shù)據(jù)解碼TMDS解碼算法流程由圖1.3.1-1所示。給定輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)歷編碼傳輸?shù)浇邮斩私獯a時，需要生成與上個編碼環(huán)節(jié)算法相對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)流。圖1.3.1-1解碼算法流程圖接收端將從發(fā)送端進(jìn)來的10bit串行差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行單端數(shù)據(jù)，然后把串行的單端數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化成10bit的一個并行數(shù)據(jù)。然后由解碼器將并行數(shù)據(jù)進(jìn)行10bit到8bit轉(zhuǎn)換。解碼器獲得傳入的10位數(shù)據(jù)后，先要區(qū)分是控制信號還是視頻信號?？刂菩盘柕慕獯a與上一節(jié)中編碼相對應(yīng)。按照以下的方法完成解碼：case(d[9:0]):10’b1101010100:{D1，D0}=2’b00;10’b0010101011:{D1，D0}=2’b01;10’b0101010100:{D1，D0}=2’b10;10’b1010101011:{D1，D0}=2’b11;endcase;視頻數(shù)據(jù)則是根據(jù)上述的流程來完成10bit到8bit解碼，并產(chǎn)生行信號、場信號和數(shù)據(jù)有效使能。1.3.2視頻數(shù)據(jù)解碼電路圖1.3.2-1解碼模塊原理圖HDMI數(shù)據(jù)解碼模塊將輸入的串行差分信號轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，再通過字對齊校準(zhǔn)模塊（phasealign）確定延遲值，然后通過數(shù)據(jù)同步模塊（channelbond）同步三組顏色數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過8b/10