HDMI接口在H.264高清视频编码系统中的应用

苏财贵，叶宇煌，苏凯雄

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350002)

近年来，随着H.264和AVS等先进视频压缩编码标准的不断推广应用，高清度视频正在快速进入到人们的日常生活中，数字电视机顶盒、数码产品和音视频编解码系统等一系列视频设备正面临着从标清到高清的全面升级换代。复合视频信号(CVBS)、S端子、分量信号和DVI等早期采用的音视频接口，由于存在传输速率低、信号容易损失、接线太多和不支持数字内容等问题，正逐渐被新一代数字音视频接口所替代。

HDMI(高清晰度多媒体接口)是由飞利浦、索尼和Silicon Image等7家公司联合制定的专用于传输数字视频/音频的新标准。它通过一根连接线，即可同时传输未经压缩的高清视频信号和数字伴音信号，并可支持数字内容保护(HDCP)功能和 RGB 4∶4∶4、YCbCr 4∶4∶4、YCbCr 4∶2∶2等视频格式[1]。HDMI 1.3v规范是当前大多数HDMI芯片采用的设计版本，支持高达340 MHz的像素时钟和10.2 Gbit/s的数据传输速率[2]。因此，HDMI接口在高清数字视频领域具有广泛的应用前景。本文将结合HDMI专用接收端芯片，分析HDMI的工作原理和技术特性，并给出其在H.264高清视频实时编码系统中的应用方案。

1 HDMI技术特性

1.1 HDMI规范

完整的HDMI系统包括发送器、中继器和接收器等3部分，而通常的应用系统没有中继部分。HDMI采用最小差分变换信号(TMDS)传输数据，其原理是通过特殊算法将通道上的8 bit数据变换成10 bit的直流平衡编码信号，以消弱传输电缆中的交叉电磁干扰(EMI)和提高长距离传输时的抖动误差容限。HDMI的传输结构如图1所示，它包含3个通道的数据TDMS链路和1个通道的时钟TMDS链路，每个数据通道在每个时钟周期内传输10 bit数据。

图1 HDMI传输结构图

HDMI发送器根据信号类型的不同可分为视频信号、数据岛和控制信号3种传输周期。在视频信号周期内传送24 bit视频信号，每通道8 bit串行数据经DC平衡后变成10 bit。对于低于25 MHz的视频格式(例如，NTSC 480i)，HDMI采用视频像素复制的方式，即每个像素传输两次，以保证接收端播放的流畅性;在数据岛周期内，HDMI将音频数据和辅助数据合成一个12 bit的数据包，每个通道4 bit。在TMDS传输前为了提高可靠性，分别使用BCH和TERC4两种编码方法，将4 bit的数据岛变换成10 bit数据;在控制信号周期内，HDMI传输包括VSYNC、HSYNC和下周期指示等6 bit的控制信号，传送前同样使用特殊的编码算法将每通道2 bit的数据变换成10 bit。

HDMI的另一个特点是带宽利用率高，主要原因是数据岛和控制数据的传输安排在视频数据传输的消隐期，故在不增加视频数据传输带宽的条件下节省了传输通道[3]。

CEC(消费电子控制)在HDMI系统中是可选的，能够用来控制用户可能使用的多种视听设备，例如单键播放、遥控或自动设置等。DDC(数据显示通道)使得HDMI发送端可以读取接收端的EDID(拓展显示识别数据)，从而实现两者之间的配置以及状态信息的交换。EDID是由视频标准组织VESA为优化PC显示格式而专门设计的数据规范，包含了制造厂商、产品名称、最大场/行频和可支持分辨力等视频接收设备的基本参数，它被存储在专用的E2PROM中，是实现HDMI接口即插即用功能的配置数据。只有当发送端识别并正确配置后，TMDS传输链路才可能被激活。

1.2 HDCP 技术规范

为了有效保护视频内容版权拥有者的合法权益，大多数HDMI设备都嵌入了HDCP(高带宽数字内容保护)模块。HDCP的本质是设备授权认证和数字信号的加解密过程。HDCP协议需要经过3步认证过程:第一步是设备合法性认证，它通过内容提供者和使用者之间交换密码选择向量后计算并验证完成，确保收发双方建立可信的物理连接;第二步是中继认证，如果发送端和接收端直接连接时，此步认证不进行;第三步是视频数据的加解密过程，此过程必须在设备认证工作完成后才开始进行。HDCP系统传输结构如图2所示。在HDMI发送端，HDCP加密机为每个视频像素随机产生24 bit的伪随机码，与原始24 bit视频数据按位异或后进入TMDS编码模块。在HDMI接收端，TMDS解码后的24 bit数据与HDCP解码机产生的24 bit随机码再次按位异或后输出原始的视频数据[4－5]。

图2 HDCP系统结构图

2 HDMI专用接收芯片在H.264编码器的应用

2.1 H.264 编码器的系统构成

H.264高清视频实时编码器的的总体结构如图3所示，主要由HDMI视音频接收接口、H.264高清实时编码模块、主控模块(MCU)和TS流输出接口等部分组成。HDMI接口负责高清视频信号的采集、色彩空间转换和上下采样等工作。H.264编码器采用超大规模专用实时编码芯片，主要负责对分辨力为1920×1080p、帧频为60的全高清视频和伴音信号进行实时压缩编码[6]。MCU主要用于控制整个系统的工作过程，包括完成HDMI芯片的初始化和编码芯片的功能配置等。ASI接口将编码芯片输出的并行TS数据流转换成高速串行输出。

图3 H.264高清视频编码系统结构框图

2.2 HDMI专用接收芯片特性

HDMI接口采用专用芯片HDMI1300，该芯片具有灵活的电源管理、高达225 MHz的TMDS工作频率、提供最高安全级别的HDCP预编程技术、支持像素每个分量高达12 bit色深的视频信号和更高比特率音质等功能特性。其内部功能模块如图4所示，主要包括TMDS解码模块、HDCP解密模块、音视频处理模块和I2C从机模块等。

图4 HDMI1300内部结构框图

该芯片支持双链路的TMDS输入端口。TMDS信号可以同时到达，但同一时刻只能一个端口的内部电路被激活。通过热检测功能检测有信号输入的具体端口号，控制软件可以通过检测相关的寄存器并激活对应的TMDS解码模块和DDC通道。HDCP解密模块能够对TMDS模块解码后输出的音视频数据进行异或解密，整个解密过程的控制是发送端通过DDC通道发送一系列的读写数据来实现的。芯片的密钥存储在专用的串行存储器EEPROM中，这些密钥被编程后将不能被读出来，保证了HDCP密钥的最高安全性。I2C从机模块有DDC通道和本机I2C通道两种类型。DDC通道用于HDCP机制的鉴定;本机I2C则用于对芯片中功能寄存器的配置和状态读取。视频处理模块将 RGB 4∶4∶4、YcbCr 4∶4∶4 或者 YcbCr 4∶2∶2的视频输入信号经过色彩空间转换或者上/下采样后输出符合编码器要求的视频格式。音频处理模块支持8通道高达24 bit精度的数字音频信号，并且提供标准的I2S和S/PIF输出接口。

2.3 接口电路设计

HDMI接口的的电路连接关系如图5所示。MCU采用S3C2440作为HDMI1300的控制模块，它通过I2C总线向HDMI1300的功能寄存器写入或者读取数据来实现其功能配置或者获取状态信息。当有中断产生时，寄存器中相应位被置1，INT引脚输出低电平信号向S3C2440请求中断处理。在HDMI1300中，当输入视频信号稳定后，SCDT输出高电平信号。S3C2440可以通过检测SCDT管脚电平的高低性来判断HDMI1300接收的视频信号是否有效、稳定。实时编码器与HDMI1300的连接电路主要用于音频部分和视频部分的数据传输。在实时编码器中，要求输入视频格式为8 bit色深的YCbCr 4∶2∶2，即仅有16只视频信号输入引脚，而HDMI1300支持高达12 bit色深的RGB 4∶4∶4 和YCbCr 4∶4∶4 视频输出格式，共有36 只用于视频信号输出的引脚。因此，必须通过配置HDMI1300寄存器从中选择所需要的16只引脚作为视频信号的传输线。

图5 HDMI接口电路连接图

在其他接口电路设计中，电源系统是保证芯片和系统正常工作的重要因素之一。HDMI1300所需提供的电压有模数3.3 V和1.8 V两对，而且要求输入电压的误差不能超过5%，否则将导致正常的音视频信号受到严重干扰。本系统采用5 V的输入电源，经电源转换芯片变换后得到3.3 V和1.8 V电压对。在DDC接口设计方面，采用了型号为24LCS22A的EEPROM存储EDID信息，其接口的高电平为3.3 V，而DDC通道的高电平为5 V。因此，为了保证DDC通道正常工作和顺利通过HDMI的兼容性测试，采用了CALMIRCO公司为HDMI接收端专门设计的CM2021作为两者之间的电平转换芯片。CM2021还具有8 kV的ESD保护能力，故还可简化ESD保护电路的设计。视频数据和视频时钟线是HDMI接收端最重要的输入信号，HDMI1300的TMDS信号时钟最高可支持到225 MHz，数据传输速度非常快。为了保证HDMI接口芯片能够正确采样到视频信号，必须将每对TMDS差分信号线设计得基本等长，并且尽可能短。

2.4 控制软件设计

HDMI接口控制软件的设计流程如图6所示，主要包括芯片初始化配置、端口选择、视频处理和音频处理等过程。

图6 HDMI接口控制软件流程图

HDMI1300硬件复位后直接进入低功耗工作模式，芯片中除了与时钟相关的几个功能模块外，其他的都被停止。因此，复位后必须先通过软件置位系统控制寄存器的PD#位，才能使芯片内部各功能模块进入正常的工作状态。初始时需要配置的内容主要有全局变量、中断寄存器和音视频功能寄存器。全局变量用于记录芯片工作状态、系统工作模式、视频同步信号和音频数据等状态信息;中断寄存器用于监控像素时钟丢失、视频同步信号丢失、AVI数据改变、音频数据变化、CTS值丢失和HDMI线缆连接中断等重要中断源;音视频功能寄存器用于禁止音视频信号输出等。

初始化工作完成后，MCU发出热检测使能信号，芯片进入等待HDMI信号的工作状态。当有效的HDMI线缆接入时，软件通过检测相关寄存器识别有信号输入的TMDS通道口并使能相应的DDC通道。HDMI发送端在DDC通道使能后通过读取和解析EDID，选择一种能够被支持的音视频信号进行传输。随后软件进入等待HDCP认证步骤，这个过程大概需要100 ms。HDCP认证通过后，HDMI1300中相关的寄存器被置位，HDCP解密模块开始对TMDS的视频数据解码。如果接收到的视频信号是稳定并且是被支持的，软件开始通过AVI中的视频辅助信息包识别输入视频的格式和计算视频同步信息，并配置与色彩空间转换、上/下采样和信号输出相关的寄存器。当HDMI1300收到稳定的音频信号后，软件通过AVI中的音频辅助信息包计算音频采样率Fs和音频时钟MCLK，配置输出I2S/SPDIF音源、音频FiFo映射图和音频输出通道等。视音频模块配置完成后，启动相关的输出模块，输出符合要求的音视频信号到编码器模块进行压缩编码处理。

3 结束语

HDMI具有数据传输速率高、支持HDCP技术和单一电缆同时传输音视频信号等优异性能，是下一代高清数字视频设备必不可少的接口。目前专用的HDMI接口芯片主要是基于HDMI 1.3v规范进行设计，具有速度快、功耗低、可靠性高和安全性高等特点。本文根据HDMI接口的功能要求，结合H.264高清实时编码器系统，通过详细探讨HDMI接口硬件电路和控制软件的设计方法，给出了一种适合于H.264高清视频实时压缩编码系统中的HDMI接口设计方案。

[1]HDMI Specification Version 1.3[S].2006.

[2]沈璐，郑善贤.用于数字电视的HDMI1.3接收芯片点评[J].电视技术，2007，31(10):41－43.

[3]林志贤，陈兆芳，郭太良.HDMI视频接口技术在彩色FED中的应用[J].液晶与显示，2008，23(2):241－245.

[4]Digital Content Protection LLC，High－bandwidth digital content protection system revision 1.2 June[S].2006.

[5]魏涛.数字视频接口标准与高带宽数字内容保护规范[J].电视技术，2005，29(5):31－34.

[6]郑明魁，苏凯雄，杨秀芝.一种高清数字电视H.264编码系统的设计[J].电视技术，2011，35(18):27－29.