HDMI（高清晰度多媒體接口）是由日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜和東芝7家公司成立的HDMI組織制定的專用數(shù)字視頻/音頻傳輸標準。HDMI是針對下一代多媒體影音設備所開發(fā)的傳輸接口，適用于數(shù)字家電的數(shù)字電視、DVD播放機、DVD錄放機、PVR、機頂盒及其他數(shù)字視聽產(chǎn)品。其最大特色是該接口可以在一根傳輸電纜內傳送無壓縮的音頻信號及高分辨率視頻信號。隨著帶HDMI接口的終端產(chǎn)品的增加，在酒吧和賣場等一些公共場合需要類似以前AV格式的音視頻分配器產(chǎn)品。本文中詳細介紹了如何利用ANX9011和ANX9030來設計一進四出的HDMI分配器。

HDMI接口及系統(tǒng)概述

目前消費者正受到各種AV連接數(shù)過于龐大的困擾。HDMI接口可以用單一的連線取代眾多的影音連線，簡潔又方便。目前HDMI接口已經(jīng)有成為數(shù)字影音產(chǎn)品的必配接口之一的趨勢。

HDMI接口主要有三個通信通道，接口示意圖如圖1所示。TMDS通道：負責所有音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸。輔助數(shù)據(jù)，如AVI InfoFrame、Audio InfoFrame等也是通過TMDS通道。DDC通道：HDMI源端，通過這個通道來讀取接收端（Sink）的E-EDID數(shù)據(jù)結構，進而得知接收端內含的機能與特性。CEC通道：這是一個可選項（Option），它提供更高層次的使用方式讓消費者使用，例如自動設定的細節(jié)、單鍵播放或是遙控相關的事。

圖1  HDMI接口示意圖

在某些情況下，HDMI的源端會使用到AVI InfoFrame與Audio InfoFrame。AVI InfoFrame所包含的信息是為了實現(xiàn)與達成顯示模式自動化（Display Mode Automation）而規(guī)劃的一種方法或機制，如比色法、顯示比例、像數(shù)重復因數(shù)等。Audio InfoFrame信息包含通道數(shù)、代碼類型、采樣尺寸、采樣頻率等信息。

E-EDID是增強型擴充顯示器識別數(shù)據(jù)(Enhanced Extended Display Identification Data Standard)的簡稱。源裝置使用DDC(Display Data Channel)來讀取終端接收顯示裝置的E-EDID，以確認終端顯示裝置的設定與功能。

HDCP數(shù)字內容保護則是英特爾開發(fā)的為HDMI提供高帶寬數(shù)字內容保護的解碼技術。配備了HDCP解碼技術的HDMI就不會受到信號加密的限制，可以接受全部格式的高清信號。

HDMI分配器系統(tǒng)結構及芯片特點

HDMI分配器系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2  HDMI分配器系統(tǒng)框圖

HDMI分配器工作原理如下：當HDMI輸入端口接收到HDMI的視頻輸入信號后，轉換為內嵌行場同步的Y/Cb/Cr信號，送到HDMI的發(fā)送芯片。HDMI的發(fā)送芯片把Y/Cb/Cr信號轉換為HDMI發(fā)送出去。這時四個HDMI端口同時有信號輸出，同時帶有信號的復制和增強功能。單片機通過I2C總線控制各個芯片的初始化以及狀態(tài)機的變化，完成EDID的讀取和HDCP的校驗等工作。

HDMI的收發(fā)IC目前有很多。在本方案中選擇ANALOGIX公司的ANX90xx系列IC是因為該產(chǎn)品基于Wide Eye信號恢復技術，從而能夠提供高性能的傳輸或接收能力。該系列芯片可以支持遠大于HDMI標準定義的15m的HDMI線纜高速信號傳輸。其實際的支持距離已經(jīng)超過了50m。超強的驅動傳輸能力允許客戶使用廉價的線纜（如UTP等）來進行高速多媒體信號的傳輸，同時還保證了極低的誤碼率。ANX90xx系列芯片具有很強的音視頻處理能力。該系列芯片能以最高165Mpix/s的速率傳輸高達24位信息數(shù)據(jù)，使整個處理頻寬接近4Gb/s。它支持RGB與多種模式YCbCr之間的轉換，支持HDTV（最高支持1080p）和PC（最高支持1600×1200@85Hz）應用，還支持8通道24位高精度數(shù)字音頻輸出，提供I2S和S/PDIF標準輸出接口。它不僅能夠滿足目前最先進的應用，還具備一定的擴展能力。

ANX9011是帶Wide Eye恢復功能的單端口HDMI接收IC，支持鏈路速率達1.65Gb/s，支持HDMI1.2、HDCP 1.1和DVI1.0標準。由于具有Wide Eye功能，能夠支持長電纜和低誤碼率。

ANX9030是帶HDCP、兼容HDMI1.2的發(fā)送IC?？芍С窒駭?shù)速率達165Mpix/s。對720P和1080i模式，其功耗僅為300mW。

設計注意事項

HDMI的接口IC有四種電源：AVDD33、DVDD33、AVDD18和DVDD18。＋3.3V電源用于IO口的供電，＋1.8V用于內核和邏輯的供電。兩個+3.3V的電源能作為一組，兩個   ＋1.8V的電源能作為另一組。上電時基本的上電順序為：先上兩個＋3.3V的電源，然后上兩個＋1.8V的電源。上電時序如圖3所示。上電時序如果反相會引起芯片進入未知狀態(tài)。最差能接受的情況為＋3.3V和＋1.8V同時供電。

圖3  ANX9011和ANX9030上電時序圖

在一些惡劣的條件下，在電源上升完成前，由于電源問題，電源線上有一個大的噪聲，如圖4所示。如果復位腳沒有拉到地或者沒有驅動到低，噪聲將耦合到復位腳。這將使芯片進入未知狀態(tài)或者可能損壞一些芯片內部可編程的電路。因此，復位腳必須在電源穩(wěn)定后為低且保持100ms。

圖4  復位時序

正常的RC電路可能不太滿足這個要求，推薦使用一些低成本的上電復位IC。

IC的每一個電源引腳都應該有一個0.1μF的去耦電容，且PCB布板的時候要盡量的靠近IC的電源引腳。

HDMI接口在使用中經(jīng)常會熱插拔，因此需要ESD保護。使用ESD二極管來保護電路不被損壞，但是它們也給保護線路帶來一些電容。4對TMDS線運行在很高的速率上，因此這4對線有阻抗控制的要求，規(guī)定阻抗為100Ω，誤差為±15％。在這四對線上加了保護二極管后，差分阻抗會有一些偏移。如果沒有阻抗補償，可能會超出誤差范圍。不過，SEMTECH公司最新推出的Rclamp0524 ESD保護二極管等產(chǎn)品不需要在PCB LAYOUT的時候加阻抗補償。

ANX9011提供I2C從接口和MCU通信，設備的I2C地址由復位引腳的上升沿采樣DEVAD輸入腳的電平?jīng)Q定。當DEVAD為高時，I2C地址為0X62/0X6A，當DEVAD為低時，I2C地址為0X60/0X68，TEST_EN腳必須接地。ANX9030的I2C地址由41引腳DEV_ADDR_SEL在復位的上升沿時的電平?jīng)Q定。若為高I2C地址為0X76/0X7E，當為低時I2C地址為0X72/0X7A。24引腳R_BIAS需用680Ω的電阻上拉，21引腳RSV_L用4.7kΩ的電阻接地。

在PCB LAYOUT時請注意差分阻抗為100Ω，單端的時鐘線阻抗為50Ω。差分對的兩對線之間的長度差值應該在10密耳以內，不同的差分對之間的長度差值應該在250密耳以內。推薦使用4層或4層以上的PCB板。這樣系統(tǒng)可以運行在一個穩(wěn)定的環(huán)境。

系統(tǒng)測試標準和方法

由于HDMI生產(chǎn)廠家有許多，為了保證消費者所買回去的HDMI產(chǎn)品能與其他的HDMI產(chǎn)品配合工作，需要進行兼容性測試（CTS）。各授權測試中心（ATC）也相應的建立起來，按照CTS規(guī)范進行測試。

HDMI CTS要求四種類型的設備進行測試：源設備（如DVD、STB）、接收設備（如LCD_TV）、線纜和中繼設備。本方案適用于中繼設備的測試標準。在中繼設備測試中也應該同時滿足源設備和接收設備的測試標準。

本產(chǎn)品在1080P狀態(tài)下的測試眼圖如圖5所示。

圖5  源端1080P狀態(tài)下測試眼圖

在HDMI測試中，HDCP測試也應引起大家的注意。幾乎所有具有HDMI特性的系統(tǒng)也都具有HDCP特性。在具體使用中，當出現(xiàn)互操作的測試問題時，往往不是與HDMI相關，而是與HDCP有關。

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

本方案中選用STC公司的STC89LE516RD+，其工作頻率為0～80MHz，內部FLASH的儲存空間為63Kb，RAM的空間為1280字節(jié)。使用KEIL C51編程，系統(tǒng)軟件可以分為兩個部分，一個是ANX9011的初始化的處理和ANX9011的狀態(tài)機的變化，另一個是ANX9030的初始化的處理和ANX9030的狀態(tài)機的變化。主循環(huán)程序如下。

void main(void){
Init_mcu();
Init_9011();
Init_9030();
while(1){
ANX9011_IntProcess ();
ANX9011_TimerProcess ();
ANX9030_Interrupt_Process();
ANX9030_Timer_Process ();
}
}

1 ANX9011的初始化

在ANX9011的復位電路的上升沿，DEVAD_CLK48B引腳的狀態(tài)決定ANX9011的I2C地址。假定此引腳為低，I2C地址為0X60和0X68被選擇。

首先確認ANX9011存在且能正常工作，代碼如下。

c1 = 0;
while (1){
HDMIRX_reset_pin = 0;
delay_ms(10);
HDMIRX_reset_pin = 1;
delay_ms_(10);
c = i2c_read_P0_reg(0x02, &c1);
if ((c == 0) && (c1 == 0x21)) {
c = i2c_read_P0_reg(0x03, &c1);
if (c == 0) && (c1 == 0x90))
break;
}
}

如ANX9011存在，且能正常工作，開始初始化。

2 ANX9030的初始化

在ANX9030的復位電路的上升沿，DEV_ADDR_SEL引腳的狀態(tài)決定ANX9030的I2C地址。假定此引腳為低，I2C地址為0x72和0x7A被選擇。

首先確認ANX9030存在且能正常工作，代碼如下：

while (1) {
ANX9030_Resetn_Pin = 0;
delay_ms(2);
ANX9030_Resetn_Pin = 1;
delay_ms(2);
c = ANX9030_i2c_read_p0_reg(ANX9030_DEV_IDL_REG, &c1);
if ((c == 0) && (c1 == 0x30)) {
c = ANX9030_i2c_read_p0_reg(ANX9030_DEV_IDH_REG, &c1);
if((c == 0) && (c1 == 0x90))
break;
} 
}

ANX9030在上電復位后，除了像素時鐘檢測（CKDT）和熱插拔檢測（HPDT）功能外，ANX9030的大部分功能處于待機狀態(tài)。軟件需要正確的配置其他寄存器。

總結

目前市場上需要的HDMI分配器都需要帶信號復制和增強功能。據(jù)筆者所知，在市場上出售的HDMI分配器中，較少采用HDMI信號直接分兩路的方案。一般都采用HDMI的接收器加上幾個HDMI的發(fā)送器來完成。隨著HDMI市場的成熟，此類產(chǎn)品的需求量會逐漸增加。本文詳細說明HDMI分配器的系統(tǒng)結構、芯片特點、設計注意事項和HDMI分配器的測試方法及系統(tǒng)軟件設計思路，可作為廣大音視頻工程師的參考資料。