HDMI Made Easy: конвертеры HDMI-VGA и VGA-HDMI

1. Введение в приложение HDMI и стандарты видео
2. Краткое введение в приложение и требования к разделу
3. Теория Операции
4. Вопросы защиты контента
5. Пример схемы
6. Заключение
7. Рекомендации

Потребительский рынок внедрил технологию High-Definition Multimedia Interface (HDMI®) в телевизорах, проекторах и других мультимедийных устройствах, благодаря чему HDMI стал всемирно признанным интерфейсом, который вскоре потребуется во всех мультимедийных устройствах. Интерфейсы HDMI, уже популярные в домашних развлечениях, становятся все более распространенными в портативных устройствах и автомобильных информационно-развлекательных системах.

Внедрение стандартизированного мультимедийного интерфейса было обусловлено очень конкурентным потребительским рынком, где время выхода на рынок является решающим фактором. В дополнение к более широкому признанию на рынке, использование стандартного интерфейса значительно улучшает совместимость между проекторами, DVD-плеерами, телевизорами высокой четкости и другим оборудованием, выпускаемым различными производителями.

Однако в некоторых промышленных приложениях переход от аналогового видео к цифровому видео занимает больше времени, чем на потребительском рынке, и многие устройства еще не перешли на новый цифровой подход к отправке интегрированного видео, аудио и данных. Эти устройства по-прежнему используют аналоговую сигнализацию в качестве единственного средства передачи видео, возможно, из-за особых требований конкретного рынка или приложения. Например, некоторые клиенты по-прежнему предпочитают использовать кабели видеографического массива (VGA) для проекторов, в то время как другие используют аудио / видео ресивер (AVR) или мультимедийный блок в качестве концентратора, подключая один кабель HDMI к телевизору вместо партии неэстетичные кабели, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Медиабокс преобразует аналоговый сигнал в HDMI.

Новые пользователи могут рассматривать HDMI как относительно сложный стандарт для реализации, требующий проверенного программного драйвера, проверок совместимости и тестирования на соответствие, чтобы гарантировать правильное поведение одного устройства с различными другими устройствами. Это может показаться немного ошеломляющим, как это часто бывает с новыми технологиями.

Однако передовые кремниевые решения становятся все более доступными для решения проблемы сложности реализации, достижения улучшения как в аналоговой, так и в цифровой областях; они включают блоки с более высокой производительностью для выравнивания слабых дифференциальных сигналов и более сложные алгоритмы для уменьшения издержек программного обеспечения и исправления ошибок в битах.

В этой статье показано, как современные кремниевые решения и грамотно реализованное программное обеспечение могут облегчить реализацию HDMI. Два основных устройства - преобразователи HDMI-VGA («HDMI2VGA») и VGA-HDMI («VGA2HDMI») - предоставляют инженерам, знакомым с видеоприложениями, простой способ перехода между аналоговым видео и цифровым видео.

В то время как HDMI стал де-факто интерфейсом для HD-видео, VGA по-прежнему является самым распространенным интерфейсом на ноутбуке. В этой статье также показано, как соединить эти видео технологии.

Введение в приложение HDMI и стандарты видео

Интерфейсы HDMI используют линии дифференциальной сигнализации с минимизацией переходов (TMDS) для передачи видео, аудио и данных в виде пакетов. В дополнение к этим мультимедийным сигналам интерфейс включает в себя сигналы канала данных дисплея (DDC) для обмена расширенными идентификационными данными дисплея (EDID) и для защиты цифрового контента с высокой пропускной способностью (HDCP).

Кроме того, интерфейсы HDMI могут быть оснащены управлением бытовой электроникой (CEC), обратным аудиоканалом (ARC) и домашним каналом Ethernet (HEC). Поскольку они не являются необходимыми для приложения, описанного здесь, они не обсуждаются в этой статье.

Данные EDID содержат блок данных длиной 128 байт (VESA - Ассоциация стандартов видеооборудования) или длиной 256 байт (CEA-861 - Ассоциация бытовой электроники), который описывает видео и (необязательно) аудио возможности видеоприемника (Rx). EDID считывается источником видео (проигрывателем) из приемника видео по линиям DDC с использованием протокола I2C. Источник видео должен посылать предпочтительный или лучший видео режим, поддерживаемый и перечисленный в EDID видео-приемником. EDID также может содержать информацию о звуковых возможностях приемника видео и список поддерживаемых звуковых режимов и их соответствующих частот.

Оба VGA и HDMI имеют соединение DDC для поддержки связи между источником и приемником. Первые 128 байтов EDID могут быть разделены между VGA и HDMI. Исходя из опыта лаборатории тестирования соответствия HDMI (CT) в Analog Devices, Inc. (ADI), первые 128 байтов EDID более подвержены ошибкам, поскольку некоторые разработчики не знакомы со строгими требованиями спецификации HDMI, и большинство статей посвящено блокам расширения EDID.

Таблица 1 показывает часть первых 128 байтов EDID, которая подвержена ошибкам. На спецификацию CEA-861 можно ссылаться для деталей конструкции блока расширения CEA, который может следовать за первыми 128 байтами EDID.

Таблица 1. Введение в EDID.

Адрес
Б
Описание
Комментарии
00h
8 Заголовок: (00 FF FF FF FF FF FF 00) ч
Обязательный фиксированный заголовок блока
08h
10 Поставщик и идентификация продукта

08h
2 ID имя производителя
Три сжатых символа ASCII, выпущенные Microsoft®
12h
2 Версия и редакция структуры EDID

12h
1 Номер версии: 01 час
Исправлена
13ч
1 Номер редакции: 03h
Исправлена
18h
1 Поддержка функций
Такие функции, как управление питанием и тип цвета. Бит 1 должен быть установлен в 1.
36 ч. 72 байтных блока данных.
36h 18 Предпочтительный режим синхронизации Указывает одну поддерживаемую синхронизацию, которая может создавать изображения на экране наилучшего качества. Для большинства плоских панелей предпочтительным режимом синхронизации является собственная синхронизация панели.
48 ч. 18 Подробное время № 2 или дескриптор дисплея
Указывает подробное время или может использоваться в качестве дескриптора дисплея. В качестве дескриптора дисплея следует использовать два слова: одно в качестве предела диапазона монитора и одно в качестве имени монитора. Подробный блок синхронизации должен предшествовать блоку дескриптора дисплея.
5Ah
18 Подробное время № 3 или дескриптор дисплея
6Ch
18 Подробное время № 4 или дескриптор дисплея
7Eh
1 Количество блоков расширения N
Количество последующих блоков расширения EDID 128 байтов.
7Fh
1 контрольная сумма
1-байтовая сумма всех 128 байтов в этом блоке EDID должна равняться нулю.
80 ...

Блок-карта или расширение CEA

Форматы синхронизации для VGA и HDMI определяются отдельно двумя группами, устанавливающими стандарты, упомянутыми выше: VESA и CEA / EIA. Форматы синхронизации VESA можно найти в стандарте VESA Monitor Timing и Coordinate Video Timings Standard; форматы синхронизации HDMI определены в CEA-861. Формат синхронизации VESA охватывает стандарты, такие как VGA, XGA, SXGA, которые используются в основном для ПК и ноутбуков. CEA-861 описывает стандарты, такие как 480p, 576p, 720p и 1080p, которые используются в ТВ и ED / HD дисплеях. Среди форматов синхронизации только один формат, 640 × 480p @ 60 Гц, является обязательным и общим для стандартов VESA и CEA-861. И ПК, и телевизоры должны поддерживать этот конкретный режим, поэтому он используется в этом примере. Таблица 2 показывает сравнение между широко поддерживаемыми стандартами видео. Подробные данные можно найти в соответствующих спецификациях.

VESA (синхронизация монитора)
CEA-861
640 × 350p при 85 МГц
720 × 576i при 50 Гц
640 × 400p при 85 Гц
720 × 576p при 50/100 Гц
720 × 400p при 85 Гц
640 × 480p при 59,94 / 60 Гц
640 × 480p при 60/72/75/85 Гц
720 × 480i при 59,94 / 60 Гц
800 × 600p при 56/60/72/75/85 Гц
720 × 480p при 59,94 / 60 / 119,88 / 120 Гц
1024 × 768i при 43 Гц
1280 × 720p при 50 / 59,94 / 60/100 / 119,88 / 120 Гц
1024 × 768p при 60/70/75/85 Гц
1920 × 1080i при 50 / 59,94 / 60/100/200 Гц
1152 × 864p при 75 Гц
1920 × 1080p при 59,94 / 60 Гц
1280 × 960p при 60/85 Гц
1440 × 480p при 59,94 / 60 Гц
1280 × 1024p при 60/75/85 Гц
1440 × 576p при 50 Гц
1600 × 1200p при 60/65/70/75/85 Гц
720 (1440) × 240p при 59,94 / 60 Гц
1920 × 1440p при 60/75 Гц
720 (1440) × 288p при 50 Гц

Краткое введение в приложение и требования к разделу

Ключевым элементом преобразователей HDMI2VGA и VGA2HDMI является обеспечение того, чтобы источник видео посылал сигнал, соответствующий надлежащим стандартам видео. Это делается путем предоставления источника видео с соответствующим контентом EDID. После получения соответствующий видео стандарт может быть преобразован в окончательный стандарт HDMI или VGA.

Функциональные блок-схемы на рисунке 2 и рисунке 3 описывают соответствующие процессы преобразования HDMI2VGA и VGA2HDMI. Конвертер HDMI2VGA предполагает, что HDMI Rx содержит внутренний EDID.

Рисунок 2. Конвертер HDMI2VGA с извлечением аудио. Рисунок 3. Конвертер VGA2HDMI.

Теория Операции

VGA2HDMI: источник VGA считывает содержимое EDID из приемника, чтобы получить поддерживаемый список синхронизации, используя канал линий DDC, а затем источник видео начинает отправку видеопотока. Кабель VGA имеет сигналы RGB и отдельные сигналы горизонтальной (HSYNC) и вертикальной (VSYNC) синхронизации. Нижестоящий АЦП VGA синхронизируется с HSYNC для воспроизведения тактовой частоты дискретизации. Входящие сигналы синхронизации синхронизируются с тактовым сигналом VGA-декодера.

Сигнал разрешения данных (DE) указывает активную область видео. VGA ADC не выводит этот сигнал, что является обязательным для кодирования сигнала HDMI. Высоко-логическая часть DE указывает активные пиксели или визуальную часть видеосигнала. Низкий логический уровень на DE указывает период гашения видеосигнала.

Рисунок 4. Горизонтальная генерация DE. Рисунок 5. Вертикальная генерация DE

Сигнал DE имеет решающее значение для создания действительного потока HDMI. Отсутствие сигнала DE может быть компенсировано передатчиком HDMI (Tx), который имеет возможность регенерировать DE. Современные передатчики HDMI могут генерировать сигнал DE из входов HSYNC и VSYNC, используя несколько настроек параметров, таких как задержка HSYNC, задержка VSYNC, активная ширина и активная высота - как показано на Рисунок 4 и Рисунок 5 - обеспечивая совместимость для передачи сигнала HDMI ,

Задержка HSYNC определяет количество пикселей от переднего фронта HSYNC до переднего фронта DE. Задержка VSYNC - это количество импульсов HSYNC между передним фронтом VSYNC и DE. Активная ширина указывает количество активных горизонтальных пикселей, а активная высота - количество строк активного видео. Функция генерации DE также может быть полезна для функций отображения, таких как центрирование активной области видео в середине экрана.

Регулировка положения дисплея обязательна для входов VGA. Первый и последний пиксель оцифрованного аналогового входного сигнала не должен совпадать или быть близким к любым импульсам HSYNC или VSYNC. Период, когда сигнал DE является низким (например, вертикальный или горизонтальный интервал гашения), используется для передачи дополнительных данных HDMI и аудиопакетов и, следовательно, не может быть нарушен. Фаза дискретизации АЦП может вызвать такое смещение. Смещение активной области может быть предложено черной полосой на визуальной области экрана. Для составного видеосигнала (CVBS) это явление можно исправить путем увеличения на 5-10%.

VGA предназначен для отображения всей активной области без исключения какой-либо области. Изображение не сканируется, поэтому настройка положения дисплея важна для преобразования VGA в HDMI. В лучшем случае черная полоса может быть автоматически распознана, и изображение может быть автоматически отрегулировано до середины конечного экрана или отрегулировано вручную в соответствии с информацией о считывании. Если VGA ADC подключен к внутреннему масштабирующему устройству, активное видео может быть правильно выровнено по всей видимой области.

Однако использование масштабирующего устройства для устранения смещения активной области видео увеличивает стоимость проекта и связанные с этим риски. Например, с помощью скейлера и видеомонитора черная область, окружающая небольшой белый прямоугольник внутри активной области, может быть распознана как бесполезная полоса и удалена. Белый ящик станет чистым белым фоном, когда черная область будет удалена. С другой стороны, изображение с наполовину белым и наполовину черным может привести к искажению. Для предотвращения такого рода неправильного обнаружения необходимо интегрировать некоторый механизм предотвращения.

Как только HDMI Tx блокирует и восстанавливает сигнал DE, он начинает посылать видеопоток в приемник HDMI, такой как телевизор. Между тем, встроенные аудиокомпоненты, такие как аудиокодек, также могут отправлять аудиопоток через I2S, S / PDIF или DSD на HDMI Tx. Одним из преимуществ HDMI является то, что он может передавать видео и аудио одновременно.

Когда плата преобразования VGA2HDMI включается и источник и приемник подключены, MCU должен считывать содержимое EDID приемника HDMI через линии HDMI Tx DDC. MCU должен скопировать первые 128 байтов EDID в EEPROM для канала VGA DDC с незначительными изменениями, поскольку канал VGA DDC обычно не поддерживает расширение CEA, используемое для HDMI. В таблице 3 приведен список необходимых изменений.

модификация
причина
Изменить EDID 0x14 [7] с 1 на 0
Обозначает аналоговый вход VGA
Изменить установленное время, стандартное время, предпочтительное время и подробное время
Время, превышающее максимум, поддерживаемый VGA-конвертером и HDMI Tx, должно быть изменено на максимальное время или ниже
Установите 0x7E на 00
Отсутствует блок расширения EDID
Изменить 0x7F
Контрольная сумма должна быть пересчитана на основе вышеуказанных изменений

HDMI2VGA: преобразователь HDMI2VGA должен сначала обеспечить надлежащий контент EDID для источника HDMI до получения желаемого сигнала 640 × 480p - или другого стандарта, обычно поддерживаемого источником видео и дисплеем. HDMI Rx обычно хранит контент EDID внутри, обрабатывает линию обнаружения горячей замены (указывает, что дисплей подключен), а также принимает, декодирует и интерпретирует входящие видео и аудио потоки.

Поскольку поток HDMI объединяет аудио, видео и данные, HDMI Rx также должен позволять считывание вспомогательной информации, такой как цветовое пространство, стандарты видео и режим аудио. Большинство приемников HDMI адаптируются к принимаемому потоку, автоматически преобразуя любое цветовое пространство (YCbCr 4: 4: 4, YCbCr 4: 2: 2, RGB 4: 4: 4) в цветовое пространство RGB 4: 4: 4, необходимое для видео DAC. Автоматическое преобразование цветового пространства (CSC) гарантирует, что правильное цветовое пространство отправляется на внутреннее устройство.

Как только входящий поток HDMI обрабатывается и декодируется в соответствии с требуемым стандартом, он выводится через линии шины пикселей на видеоданные ЦАП и аудиокодеки. Видео ЦАП обычно имеют пиксельную шину RGB и тактовые входы без синхронизирующих сигналов. Сигналы HSYNC и VSYNC могут выводиться через буфер на выход VGA и, наконец, на монитор или другой дисплей.

Аудиопоток HDMI может нести различные стандарты, такие как L-PCM, DSD, DST, DTS, высокоскоростной звук, AC3 и другие сжатые битовые потоки. У большинства приемников HDMI нет проблем с извлечением аудио стандарта, но возможна дальнейшая обработка. В зависимости от внутреннего устройства может быть предпочтительнее использовать простой стандарт, а не сложный, чтобы можно было легко преобразовать в аналоговый выход для динамиков. Спецификации HDMI гарантируют, что все устройства поддерживают как минимум 32 кГц, 44,1 кГц и 48 кГц LPCM.

Таким образом, важно создать EDID, который соответствует как звуковым возможностям преобразователя HDMI2VGA, который извлекает аудио, так и исходным возможностям VGA-дисплея. Это можно сделать с помощью простого алгоритма, который извлекает содержимое EDID с дисплея VGA через линии DDC. Данные для повторного считывания должны быть проанализированы и проверены, чтобы гарантировать, что монитор не допускает более высокие частоты, чем те, которые поддерживаются HDMI Rx или ЦАП видео (см. Таблицу 4). Изображение EDID может быть расширено дополнительным блоком CEA, в котором перечислены аудио возможности, чтобы отразить, что конвертер HDMI2VGA поддерживает аудио только в своем линейном стандарте PCM. Таким образом, подготовленные данные EDID, содержащие все блоки, могут быть переданы в источник HDMI. Источник HDMI должен перечитать EDID из преобразователя после подачи импульса на линию обнаружения горячей замены (часть кабеля HDMI).

Простой микроконтроллер или процессор можно использовать для управления всей цепью, считывая VGA EDID и программируя HDMI Rx и аудио ЦАП / кодек. Управление ЦАП видео обычно не требуется, так как они не имеют контрольных портов, таких как I2C или SPI.

Таблица 4. Список изменений, необходимых для конвертера HDMI2VGA

модификация
причина
Измените 0x14 [7] с 0 на 1
Указывает на цифровой вход. Проверьте стандартную информацию о синхронизации и при необходимости измените ее (байты от 0x26 до 0x35).
Время, превышающее максимальное значение, поддерживаемое преобразователем, и HDMI Rx должны быть изменены на максимальное время или ниже
Проверьте DTD (подробные дескрипторы синхронизации) (байты от 0x36 до 0x47)
Время, превышающее максимальное, поддерживаемое преобразователем, и HDMI Rx должны быть изменены на максимальное время или ниже (например, до 640 × 480p)
Установите 0x7E на 1
Один дополнительный блок должен быть добавлен в конце EDID
Изменить 0x7F
Контрольная сумма должна быть пересчитана из байтов от 0 до 0x7E
Добавить дополнительный блок CEA-861

0x80 до 0xFF, описывающие аудио
Добавьте блок CEA-861, чтобы указать возможности аудиоконвертера

Вопросы защиты контента

Поскольку типовая аналоговая VGA не обеспечивает защиту контента, автономные преобразователи не должны разрешать дешифрование данных, защищенных контентом, которые позволили бы конечному пользователю получить доступ к необработанным цифровым данным. С другой стороны, если схема является неотъемлемой частью более крупного устройства, ее можно использовать при условии, что она не позволяет пользователю получить доступ к незашифрованному видеопотоку.

Пример схемы

В качестве примера платы VGA-HDMI можно использовать AD9983A высокопроизводительный 8-битный интерфейс дисплея, который поддерживает до времени UXGA и входы RGB / YPbPr, а также ADV7513 высокопроизводительный передатчик HDMI с частотой 165 МГц, который поддерживает 24-битный вход TTL, 3D-видео и переменные входные форматы. С помощью этих устройств можно быстро и удобно создать конвертер VGA2HDMI. ADV7513 также имеет встроенный блок генерации DE, поэтому для генерации отсутствующего сигнала DE не требуется внешняя FPGA. ADV7513 также имеет встроенный блок обработки EDID и может автоматически считывать информацию EDID с HDMI Rx или выполнять принудительное чтение вручную.

Точно так же создание конвертера HDMI2VGA не слишком сложно; с помощью ADV7611 приемник HDMI с низким энергопотреблением 165 МГц ADV7125 Тройной 8-битный 330-МГц ЦАП. Rx поставляется со встроенным внутренним EDID, схемой для обработки подтверждения горячего подключения, автоматическим CSC, который может выводить RGB 4: 4: 4, независимо от полученного цветового пространства, и блоком обработки компонентов, который позволяет регулировать яркость и контрастность, а также выравнивание сигнала синхронизации. SSM2604 аудиокодек с низким энергопотреблением позволяет декодировать стереофонический поток I2S и выводить его с произвольной громкостью через ЦАП. Аудиокодек не требует внешнего кристалла, так как источник синхронизации может быть взят из линии ADL7611 MCLK, и для конфигурации требуется только несколько записей.

Простой MCU, такой как ADuC7020 Прецизионный аналоговый микроконтроллер со встроенным генератором может управлять всей системой, включая обработку EDID, улучшение цвета и простой пользовательский интерфейс с кнопками, ползунками и регуляторами.

На рисунках 6 и 7 приведены примеры схем для цифрового оцифровщика (AD9983A) и HDMI Tx (ADV7513), необходимых для преобразователя VGA2HDMI. Схема MCU не входит.

Рисунок 6. Схема AD9983A. Рисунок 7. Схема ADV7513.

Заключение

Компоненты Analog Devices для аудио, видео и микроконтроллеров могут реализовывать высокоинтегрированные конвертеры HDMI2VGA или VGA2HDMI, которые могут питаться от небольшого количества энергии, обеспечиваемого разъемом USB.

Оба конвертера показывают, что приложения, использующие технологию HDMI, легко применять с компонентами ADI. Сложность системы HDMI увеличивается для устройств, которые должны работать в конфигурации ретранслятора HDMI, поскольку для этого требуется обработка протокола HDCP вместе со всем деревом HDMI. Ни один из преобразователей не использует конфигурацию повторителя HDMI.

Такие приложения, как видеоприемники (дисплеи), видеогенераторы (источники) и видеопреобразователи, требуют относительно небольшого программного стека и, следовательно, могут быть реализованы быстрым и простым способом. Для получения более подробной информации и схем, обратитесь к ADI EngineerZone Интернет страницы.

Мы приглашаем вас прокомментировать Преобразование HDMI в VGA в Сообщество Analog Dialogue на EngineerZone ,

Рекомендации

Профиль DTV для несжатых высокоскоростных цифровых интерфейсов (CEA-861-E).

Стандарты синхронизации монитора (DMT), координированного видеоизображения (CVT) и расширенные расширенные идентификационные данные дисплея (E-EDID) доступны по адресу VESA ,

Похожие

Комментарии