HDMI前端设计与实现

摘要：随着高清影音时代的到来，新的高清多媒体接口技术也渐趋成熟。本文研究了高清多媒体接口的编码和解码功能，并采用硬件描述语言实现高清多媒体接口规范定义的编解码功能。首先对高清多媒体接口的整体信道传输过程进行了分析和分解，并阐述了三个数据周期传输时间及其解码方式的不同。在此基础上对编解码功能进行了模块划分，采用分层及模块复用至顶向下的设计方法。最后通过NC—Verilog仿真工具仿真验证代码功能的正确性。

关键词：高清多媒体接口;编码;解码;至顶向下;仿真

0 引言

数字影音技术发展日新月异，多媒体视听领域正在进行着一场革命，随着生活水平的提高，普通影音己不能满足人们的需求，追求高清晰画质，立体感音质，已经成为新一代人追求时尚的一种诠释。

在过去相当长的一段时间，CRT(Cathode Ray Tube)为代表的模拟显示设备主导了整个显示设备市场。随着高清视频格式(720p/1080i/1080p)的确定，液晶电视、等离子电视等大尺寸数字化平板显示设备的发明和普及，传统模拟接口易受电磁干扰、传输速率低、带宽小、传输损耗大等缺点已经不能满足海量数据流传输等需求;同时，影视等行业对版权意识越来越重视，数据传输的加密变得愈发重要，传输更快更安全的全数字化接口代替模拟接口成为必然趋势。于是第一个行业支持的、无压缩的、全数字的音视频接口 —HDMI诞生了。

HDMI的全称是“High Definition Multimedia Interface高清多媒体接口”。2002年4月，来自电子电器行业的7家公司——日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝共同组建了HDMI高清多媒体接口组织HDMI founders(HDMI论坛)，HDMI founders在2002年12月9号正式发布HDMI1.0版标准，标志着HDMI技术正式进入历史舞台。随着HDMI标准本身的发展，1.3a版本和2.0等后续版本也陆续推出，不仅性能更加强大，兼容性也更加出色。

在HDMI标准制定之初，继承了DVI标准中相对成熟且较容易实现的部分技术标准。整个传输原理依然是基于Silicon Image公司的TMDS(Transition Minimized Differential Sienaling)编码技术。

HDMI具有体积小、抗干扰强、兼容性好、智能连接、单线缆同时传输无压缩音视频等优势。因此，它已被广泛地应用到DVD、机顶盒等设备中，HDMI正在成为高清时代普及率最高、用途最广泛的数字接口。

1 HDMI概述

HDMI系统架构由信源端和接收端组成。如图1所示，HDMI提供四个独立的TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)通信通道：三个数据信道和一个时钟信道，这些信道主要用于传递视频、音频和辅助数据。另外，HDMI提供一个VESADDC(Video Electronics Standards Association)(Display Data Channel)信道。DDC是用于配置和在一个单独的信源端和一个单独的接收端交换状态，读取接收端的E-EDID数据结构。CEC(Consumer Electronics Control)是一个可选信道，可选择在用户的各种不同的音视频产品中，为高端用户提供高水平的控制功能。可选择的HDMI以太网和音频返回(HEAC)，在连接的设备中提供以太网兼容的网络数据和一个和TMDS相对方向的音频返回信道。

音频，视频和辅助数据都是在三个TMDS数据信道中相互交错传输。TMDS时钟，即视频像素速率传输时钟，在TMDS时钟信道中传输，它被接收端三个 TMDS信道作为一个频率参考，用于对三个TMDS数据信道的数据复原。在信源端，TMDS编码将每个TMDS数据的8bits数据转换成10bits的 DC-balanced数据，10bits的DC-balanced数据将以每个TMDS时钟周期串行地在差分线对上进行传输。

视频数据像素时钟的TMDS时钟上传递默认值为24位色深，视频数据还兼容30，36，48位像素的数据。更高的色深使用需要相应的更高的TMDS时钟率。视频格式TMDS时钟率低于25M可以运用像素复用发送的策略来进行传输。视频像素支持多种编码格式，可以是 RGB，YCbCr4：4：4，YCbCr4：2：2格式编码。

TMDS信道传输音频和辅助数据中，HDMI的信源端需要采取用包的格式来保证传输。为了保证音频和控制信号的高保真度，音频和辅助数据数据需要BCH纠错码的编码方式，且采取了一种10bits减少错误编码的特殊编码方式。基本的音频传输功能几乎包括所有的普通的立体声音频，在采样频率分别为 32KHz，44.1KHz和48KHz情况下的IEC60958L—PCM音频流。HDMI还可以传输采样频率高达192KHz，采用3到8个音频通道的音频流。HDMI同样可以传输采样频率高达24.576MHz的IEC61937压缩音频。HDMI同样可以传输2—8通道的OneBit音频或者是一种被称为DST的压缩的