HDMI、SDI转换器详细设计

HDMI、SDI转换器详细设计
摘要
SDI接口是数字串行接口(serial digital inteace)的首字母缩写。

串行接口是把数据字的各个比特以及相应的数据通过单一通道顺序传送的接口。

由于串行数字信号的数据率很高，在传送前必须经过处理。

HD-SDI是由支持普通标清节目格式的SDI接口发展而来,它主要支持1080i,720p分辨率的一般高清分辨率数字节目的传输,在此发展基础上还有支持全高清即1080p分辨率视频传输的3G-SDI。

相比于一般的视频传输接口,HD-SDI虽然也具有支持格式偏少和支持色空间偏小的一些缺点,由于全程为串行传输,具有极其良好的抗干扰性,特别适合于数字节目的长距离传输。

HD-SDI的上下游设备连接采用广播式的传输方式,不设置握手对话信号,下游设备完全受源端主导。

HD-SDI侧重长距离传输,HDMI更侧重普遍适用以及节目播放。

设计开发两者的相互转换不单是设计开发两者的区别和联系,更可以在侧重传输性的高清接口和侧重播放性的高清接口之间建立起一种联系,具有更大的社会意义。

HDMI为正式商标高清晰度多媒体接口（英语：High Definition Multimedia Interface，简称HDMI）是一种全数字化图像和声音传送接口，可以传送无压缩的音频信号及视频信号。

HDMI可用于机顶盒、DVD播放机、个人电脑、电视游乐器、综合扩大机、数字音响与电视机。

HDMI可以同时传送音频和影音信号，由于音频和视频信号采用同一条电缆，大大简化了系统的安装。

HDMI也成为了家用高质量消费电子产品中代表性接口。

本设计主要目的是高清数字SDI、HDMI转换器的软硬件设计做详细描述,作为SDI、HDM转换器产品开发的依据。

关键词:HD-SDI,HDMI,高清数字信号,视频接口转换
目录
HDMI、SDI转换器详细设计 (1)
第一章概述 (4)
1.1 项目背景及意义 (4)
1.2 产品设计内容 (5)
1.2.1产品预期主要功能特点 (5)
1.2.2项目设计开发基础 (6)
1.2.3 HD-SDI的优势 (6)
1.3设计方案 (7)
第二章EDID,HDCP以及的辅助数据的处理 (9)
2.1 EDID部分的设计开发 (9)
2.1.1 EDID简介 (9)
2.1.2 EDID数据结构介绍 (10)
2.1.3 EDID分析 (15)
2.2 辅助数据部分的设计开发 (16)
2.2.1 辅助视频信息的设计开发 (16)
2.2.2 辅助音频信息的设计开发 (19)
2.3 HDCP部分的设计开发 (20)
2.3.1 HDCP背景说明 (20)
2.3.2 HDCP在HDMI接收端和发送端的处理方法 (21)
第三章HDMI到HD-SDI转换系统的主控软件结构 (24)
3.1 MCU的配置 (24)
3.1.1 MCU的初始化 (24)
3.1.2 MCU对于通信接口的配置 (25)
3.2 HDMI接收芯片的SIL9135的驱动控制 (27)
3.2.1 SIL9135的初始化 (27)
3.2.2 SIL9135的视频接收 (27)
3.2.3 SIL9135的视频配置 (29)
3.2.4 SIL9135的音频配置 (30)
3.3 HD-SDI发送芯片GS2972的初始化和配置 (32)
3.4 HDMI到HD-SDI转换系统主控软件异常工作的检查排除 (33)
第四章HD-SDI到HDMI转换系统的主控软件结构 (34)
4.1 GS2971的初始化和配置 (34)
4.2 SIL9134的驱动控制 (35)
4.2.1 SIL9134的初始化 (35)
4.2.2 SIL9134对下游设备的识别 (36)
4.2.3 SIL9134对视频的配置 (37)
4.2.4 SIL9134对音频的配置 (39)
4.3 HD-SDI到HDMI转换系统的主控软件异常检测和排除 (41)
第五章硬件设计 (42)
5.1 芯片选型 (42)
5.2. 实际转换器中所采用的设计方案 (44)
5.4 转换器硬件原理图 (44)
5.4.1. 设计中使用的硬件开发环境 (44)
5.4.2 电源系统设计 (45)
5.4.3. 系统复位设计 (50)
5.4.4 HDMI接口设计 (52)
5.4.5. ESD部分设计 (54)
5.4.6. HOTPLUG部分设计 (55)
5.4.7. TMDS差分线处理 (56)
5.4.8. SDI接口设计 (58)
第六章硬件PCB图设计 (58)
6.1. 高速PCB设计中的常见问题及解决方案 (58)
6.1.1. 集总系统与分布系统 (59)
6.1.2. 信号上升时间问题 (59)
6.1.3. 地弹问题 (61)
6.1.4. 反射与振铃现象 (62)
6.1.5. 印刷电路板中的镜像平面 (64)
6.1.6. 串扰问题 (65)
6.1.7. 滤波电容的布局问题 (66)
6.2. HDMI接口相关器件的布局布线 (67)
6.3. SDI接口相关器件的布局布线 (68)
6.4. EIA-CEA-861格式并行信号的布线 (70)
第一章概述
1.1 项目背景及意义
数字视频在这个时代的发展十分迅速,日新月异,随着大屏幕电视和投影仪的普及,以DVD为主要标准的视频分辨率已经逐渐难以满足人们的需要,针对于此,高清数字视频的制作标准和传输标准也在逐步发展完善。

根据高清视频标准,只有视频每一帧行数达到720P 或1080i的视频信号才可以称之为高清数字视频。

高清数字视频标准要求视频每个像素色深达到24位,即RGB三原色每个至少要达到8bit量化精度。

高像素以及高量化精度使得高清数字视频的传输成为不可回避的问题。

针对高清视频,诞生了许多适合传输的接口标准,如传输模拟信号的VGA接口,色差分量接口,传输数字信号的DVI接口,HDMI接口,Displayport 接口,SDI接口。

接口的多样化使得单独的一个监视屏幕很难拥有所有的视频接口来兼容不同的信号源,由此,高清视频的接口转换便成为了一个需要解决的问题。

在广播电视节目的录制过程中,高清视频主要以SDI接口从摄像机进行传输,SDI接口十分适合视频节目的传输,但普通的监视设备一般很少备有这样的高清SDI接口,如果使用这样的专用监视设备,不仅成本高昂,还要根据需要不断的进行更换,费时费力,更不可能达到一台监视器在各种情况下监测的效果,为此,根据实际情况,设计实现一个小巧轻便的SDI视频接口转换器不仅具有一定的设计开发意义,更具有很强的社会实用意义。

目前数字高清视频发展环境下,以DVI接口,以及由它发展而来的HDMI接口这一系列的数字视频接口成为了普通监视器兼容的主要接口。

例如,现代电脑的显卡通常会设计DVI接口输出,大屏幕液晶显示器,投影仪都会兼容DVI接口,而做为DVI升级版本的HDMI接口更是成为了大屏幕液晶电视的必备接口,HDMI作为极少数在传输视频的同时还兼容高比特率多声道音频信号的标准,己经广泛使用在一般消费电子市场,笔记本电脑,高清游戏机,高清蓝光播放器,高清硬盘播放器均使用了HDMI接口作为自己产品的主要对外输出接口,以现在的发展来看,HDMI将作为未来消费性数字视频产品的最主要的接口标准。

而且,HDMI标准完全向下兼容DVI标准。

也就是说,二者除了接口的物理外形有所差异之外,兼容了HDMI标准的设备只需要换一个物理接口便可直接做成支持DVI接口的设备。

HDMI接口标准在具有广一泛的接口通用性的同时,也具备了一个和SDI接口标准相似的优点,那就是,在完全支持行数为1080p的HD标准数字视频的同时,也支持多达8声道,高比特率音频信号的传输。

高清数字视频节目的声音信号也是通过SDI接口进行传输,因此,高清数字视频节目通过支持HDMI 标准的监视器进行同步监视的时候,既可以监视图像,也同时可以监视节目中的声音在实际应用设备的表现,可以达到一举两得的效果。

同时,HDMI作为一个短距离效果良好的多媒体传输接口,具有十分好的传输效果以及实用性,已成为未来发展的主流,未来很多拍摄系统将支持实时的HDMI接口系统给对外传输,方便监视,而SDI信号因为在传输高清视频节目过程所需要的开销较大,成本较高,一般的监视系统对其支持度并不好,所以一些高质量的低成本拍摄慢慢就会放弃支持HD-SDI,转用HDMI接口对外传输,这样的话,HDMI接口转接成HD-SDI接口的设计在未来也将成为一个必需的发展趋势。

我们以现阶段的社会实际需求来设计开发设计高清节目的HD-SDI接口到HDMI 接口的转换,从设计视频节目转换系统的整体性背景下考虑,我们不但设计HD-SDI到HDMI 的转换,也必须设计HDMI到HD-SDI的转换,这样也方便于未来的数字视频处理方面的设计开发工作和实际设计工作。

比起传统的高清数字节目的HD-SDI接口到DVI接口之间的转换,HD-SDI接口和HDMI接
口的相互转换系统优点更多,首先,HDMI接口支持高达1080p分辨率的全高清数字节目,而DVI接口只能支持到1080i的标准高清信号。

在HD-SDI的发展过程中,已经出现了支持全高清IO80p分辨率的3G-SDI接口,这样的信号速度在普通的HD-SDI接口转换到DVI接口的视频转换系统中是不能接受并达到无损转换的,而我们要需要设计的HD-SDI和HDMI接口则需要满足这种解析度视频的无损实时转换。

其次,HDMI接口支持高达8声道720KHz采样的高清音频传输,而DVI根本不支持音频信号的传输,这一点决定了DVI接口只能是一个监视设备上的使用的接口,而不能成为真正意义上的播放数字视频节目设备接口,在HD-SDI标准和3G-SDI标准中,要求传输数字节目的高清SDI传输接口支持到8声道的高清数字音频信号。

在HD-SDI和DVI信号的过程中,音频信号的传输将被舍弃,而HD-SDI和HDMI接口的转换系统则可以完美的实现两者在音频信号的转换。

再次,DVI接口仅数字视频信号以RGB的形式进行传输,而HD-SDI接口要求传输的数字节目是YCrCb4:2:2形式的,在接口转换的时候,必须对数字视频格式进行一次转换,不但对实时性有一定影响,对数字视频的无损性保障也下降了。

而HDMI接口支持YCrCb传输,在接口转换过程中不必对数字视频信号进行转换。

综上,HDMI是DVI接口的发展,HDMI可以完全兼容并支持DVI设备,两者在设计上的差异仅仅在于硬件方面的接口外型,在设计HD-SDI和HDMI相互转换系统时,完全可以将兼容DVI接口的设计考虑进去,在实际生产使用的使用,仅仅需要更换一下硬件PCB中的接头,而不需要去考虑方案的更换,软件部分的重新编写。

以上众多的优点充分说明了在当前发展的前提下,设计HD-SDI和HDMI接口双向转换系统的意义远大于设计开发DVI接口的转换。

1.2 产品设计内容
1.2.1产品预期主要功能特点
1. 支持HD-SDI 和3G-SDI
2. 支持全高清1080P@60Hz
3. 分辨率自动识别
4. 一路SDI环回输出
5. 音频和图像同步输出
6. 安装简单方便
规格参数：
1. 型号：待定
2. 视频输入信号：高清数字分量串行接口(HD-SDI和3G-SDI)信号
3. 视频输出信号：一路HD-SDI输出(环回输出)，一路HDMI信号输出(1080P@60H z)
4. 输入音频信号：SDI内嵌
5. 最大工作电流：500mA
6. 电源适配器规格：交流输入(50HZ, 60HZ) 100V-240V;输出: DC 12V/1
7. 工作温度：(-15 to +55℃)
8. 工作湿度：5 to 90%RH (无冷凝)
9. 以定型产品尺寸为准
10. 重量：以实际重量为准
连接与操作：
1. 将带SDI接口输出的信号源连接到此设备的SDI接口输入端。

2. 通过一根HDMI线，把转换器输出口与终端显示设备连接。

3. 把DC 5V/1A的电源与转换器连接起来。

1.2.2项目设计开发基础
本次项目设计开发的基础在于高清数字视频的基础知识,以及两个高清数字节目传输接口的相关规范。

高清数字视频与一般标准清晰度数字视频的最大差别就在于两者之间的单位时间传输的数据量差距巨大,以至于高清数字视频不可能用从前简单的AV线来进行传输,为了满足高清数字视频的合适传输,各种各样的高清数字接口便应运诞生。

高清数字接口的诞生和发展必然导致各种接口标准的规范的不统一,接口转换的问题也就由此引出。

HD-SDI作为标准SDI接口的发展,具备标准SDI接口简单,易于长距离传输的优点,但其较高的造价,HD-SDI规范对传输信号要求的过于严格也导致了它在普通的社会消费电子行业中并没有普及开来,而HDMI高清多媒体接口作为新兴的发展方向,具有高数据量,多种兼容视频格式,多种音频兼容格式的优点,已经成为家庭消费电子行业产品中必备的接口,也正在取代传统的DVI接口和VGA接口成为视频工业中监测设备的主要接口,具有广泛的社会应用和未来发展前景,但是它因为接口中并行线路过多,数据传输的同步机制相对复杂,无法满足长距离传输的要求,而且传输距离越长,所需的线路材料成本就越高,所以在长距离传输的功能需求上,HDMI无法代替现有的传统HD-SDI接口。

本次项目设计开发实现的基础就是要严格按照两种视频接口规范中约束的设计需求和特点,设计开发出同时能完整的实现两种接口所有功能特点的接口转换器。

1.2.3 HD-SDI的优势
在数字视频中，为了便于数字信号的远距离传输，将并行数据转换成串行数据，经电缆驱动器通过电缆传输给接收端。

SDI就是这种串行数据接口的简称。

高清标准HD-SDI对应速率是1.485Gb/s。

在安防行业中使用的HD-SDI摄像机的主流分辨率为720P(1280x720) /1080P(1920x1080)。

从结构上看数字摄像机其信号结构最简单，虽然数字摄像机不用编码，但仍需要进行SDI调制及加扰等处理，所以也需要SDI调制芯片，再加上目前规模较小，所以数字摄像机目前价格较高。

画质好
由于是无压缩传输数字信号，视频不失真，图像完整性高，清晰度高，色彩还原度好。

由于能提供更多的细节，所以可以作为智能分析的高清视频源，为提高智能分析的准确度提供了保障。

无延时，不丢帧
准确地说是延时少，相对于网络监控系统，HD-SDI可控制在40ms以内。

而网络监控系统一般在标称延时控制在500ms以内，而实际在经过各种不同的网络环境及处理瓶颈，往往延时会更大一些，且也会出现丢帧及马赛克现象。

而HD-SDI不存在丢帧、马赛克现象，延时小在实际应用中可实现更方便快速准确的画面操控。

项目实施可平滑过渡
网络监控系统在项目实施及后期维护中需要投入更多的技术培训，另外前端摄像机需要
与工作平台做对接开发，消耗大量人力。

HD-SDI接口与传统摄像机无异可直接开工，平滑过渡。

HD-SDI面临的问题
首先是传输距离短：HD-SDI传输的是高频的调制信号，高频信号对线材屏蔽要求很高，所以使用同轴电缆传输理论上可以到100米，但是前提是线材质量要好，接头焊接良好。

如使用不好的线材或旧系统延用下来的线材，因为接头氧化及线材老化问题实际传输距离也不能达到100米，有的只能到30-50米左右。

也有部分厂家针对HD-SDI传输在做技术改进，争取达到200～300米，但是这样也会存在兼容性；相关配套设备不全(规模小)，全套解决方案少，大型系统构建时成本高：高清只有在包含了前端、传输、浏览、显示、平台、存储等整体解决方案时才有意义，然而目前配套的设备规模小，全套HD-SDI成本昂贵，且各厂商的产品因未趋于成熟而质量良莠不齐；无压缩面临的存储问题：HD-SDI标准在模数转换后的数据量为1.48Gbps，正常存储将带来惊人的存储容量及存储成本，因此在后端存储还是需要进行压缩编码。

目前嵌入式 HD-SDI DVR 由于芯片编码能力的限制(目前只能做到单芯片单路1080P编码能力)，所以现在的HD-SDI DVR设备和HD-SDI 编码设备一般都在4路以下，而且价格比模拟类的产品要贵不少；扩展性不好：要完全实现HD-SDI高清、无延时的现场效果，前端到后端的连接必须是物理连接，就是说线缆(同轴线/光纤)必须连接到当地。

而网络监控系统的连接是属于逻辑连接，只需要考虑前端接入，后端显示控制可利用网络在任何区域实现，不需连接专线。

1.3设计方案
项目设计开发的内容主要分为两部分,第一部分是关于HD-SDI接口和HDMI接口的接收和发送规范,第二部分是整个双向转换系统的设计和实现。

第一部分设计开发接口规范的内容:HD-SDI接口的规范设计开发内容主要为HD-SDI支持的视频传输格式,包括物理层面上信息的传输表达形式,数据的行场同步提取方式,音频及辅助信息的传输方式以及如何提取,如何添加,这些设计开发的方式主要是通过设计HD-SDI的接口监视设备来完成,首先应该设计出完整的HD-SDI数据接收器,使之能够接受高清视频源发送的HD-SDI信号并可以完整无损的播放。

然后需要设计一个HD-SDI的高清视音频源设备,设计开发发送HD-SDI信号的必备的软硬件实现条件,发送满足规范的HD-SDI高清数字视频信号,如能保证接收到的高清视音频信号清晰无误,则可认为HD-SDI的接收发送设计都正常可实现。

而HDMI接口需要设计开发的东西比较HD-SDI接口相对复杂,HDMI除了接受和发送数据相对并行之外,还要考虑加入EDID,HDCP等方面的准备,由于HDMI输入单对单的传输信号,因此其中涉及到关于握手信号HOTPHIG信号,信号源及下游端的对话信息EDID信息,信号源与下游端的验证信息HDCP码字等。

HDMI接口规范的设计实现的设计开发方式略同HD-SDI,首先设计合乎规范的HDMI下游设备,设计下游设备时尤其要考虑以上几个附加信息,因为HDMI发送端具有验证上述附加信息己决定是否发送的权力,只有做好了这几个方面的工作,才能设计出合乎HDMI标准的接收设备,在任何时候都能通过HDMI源的检测,接收到HDMI源的发送信息。

在设计好HDMI接收设备后,可以在此之上设计HDMIrepeter,即HDMI的中继设备,在HDMI接收设备的基础上加上HnMx发送端,需要注意的是为了合乎规范检查,HDMI的发送端设计必须考虑EDID等信息,以便能及时发送合适的HDMI视音频信号。

第二双向接口转换系统的设计设计开发内容:根据前期规划分析:可以将前期设计研发的HDMIrePeter做为整个需要设计的系统的原型,只是需要在中继器中间加上HD-SDI接口的输入和输出。

还需要设计开发接口转换的方案策略,目前基本上制订了一套以专用芯片为核心的方案,具体的设计过程还需要进一步详细的分析
设计开发,在双向接口转换系统的设计中,需要将HD-SDI和HDMI两种不同的接口功能特点及需求组合起来,在软件设计方面要进行其中的兼容性设计和设计开发,针对HDMI接口部分所需要的EDID信息,HDCP验证码字及视音频辅助信息部分,软件设计要给予足够的支持。

在转换过程中,为了保证整个系统的完整性和实际应用中的配套性,转换过程中HDMI不分涉及到的EDID,辅助信息需要以合适的方式加入到HD-SDI的数据流中,如何为这些辅助信息编码,以合适的方式加入到HD-SDI的数据流中也是在整个系统设计过程中需要考虑设计开发的一部分。

当前的主流高清数字节目格式为1080i,也就是HD-SDI规范制订的标准高清格式,但HDMI可以支持到最多1080p的全高清视频格式,HD-SDI的下一阶段发展过程,3G-SDI,也支持1080p的全高清格式,设计自适应的,既满足HD-SDI,又满足3G-SDI标准的全高清视频转换器,不单纯是为了满足HDMI接口的规范标准,也有对未来应用的改进意义。

在自适应分辨率转换的设计开发内容上,也需要投入一定的设计开发精力和设计开发成本。

对于视频转换设计方案,基本上有两种转换方法,一种是采用可编程逻辑芯片,如DSP,FPGA等芯片来接收HD-SDI信号,解串后按照HDMI1.3版本的标准将其封装为HDMI信号,这样做的优势在于芯片用量小,硬件设计过程中均为常用芯片,制作PCB印刷板过程相对简单容易,调试过程中出现的问题基本可以软件调试解决,查错改错思路非常清晰。

另一种解决方案为使用支持HD-SDI和HDMI标准的专用芯片对HD-SDI信号进行解串以及封装HDMI信号,这种方案的优势在于专用芯片处理速度快,一般不需要考虑处理速度的兼容性,相应的软件设计只负责整体系统的控制,而不需要负责具体的解串封装这类具体的功能实现工作。

结合实际情况进行具体分析,HD-SDI接口标准传输的是高速率的串行信号,传输一般HDTV标准1080i信号时速度可达到1.485Gbps,而传输FullHD信号,即1080p规格的信号时,速度更是达到了近3Gbps。

其视频信号的同步采用EAV,SAV数据的隐藏同步信号,没有外部同步识别,在如此高的信号速率下提取出同步信号和视频数据信号是比较困难的。

根据HDMI标准,HDMI 接口传输的信号规格为3对差分信号线并行传输,另有一对差分线传输数字视频的像素时钟。

如此巨大的传输规格差异和高速率信号使得我们在设计的过程中放弃使用可编程逻辑芯片的方案。

使用专用接口处理芯片也有一些需要克服的缺陷,最重要的就是调试过程中硬件部分和软件部分的协作调试。

专用芯片对于PCB设计各自都有要求,软件可控制部分相对较小,有时候出现问题说不清楚硬件设计使芯片工作不正常还是软件控制不分有失误,对此,需要两方面的工作都要谨小慎微,经常对改动和设计进行说明备案,出现问题从两方面入手进行协作解决。

芯片选型工作涉及到芯片功能利用率,硬件系统开发难度,系统开发成本,系统功能实现效果等多项工作,由于处在功能实现的初始方案设计阶段,本设计开发选择芯片首先考虑了芯片的功能支持,HDMI驱动芯片选择SiliconImage公司的SIL9134和SIL9135这两款芯片。

由于SiliconImage是HDMI规格标准的最早主要制订者以及HDMI产品设计方案的最早生产者,它出产的HDMI系列芯片虽然在价格上和开发难度上比起其他公司的芯片有些高,但在实际应用质量上应该最具保证。

在HD-SDI接收和发送芯片选择上,我们选择了GS系列的GS2971和GS2972,该系列的芯片在实验室早期实验中曾经有过实际应用,这个芯片具有功能强大,应用简便的特点,特别适合于小型系统的设计开发。

由于该系统的主控芯片只负责对整个系统工作状态进行控制,不需求工作速率,出于开发简便且尽量控制成本的考虑选择了C8051单片机。

这款单片机的内部时钟相当精确稳定,而且带有相对大容量的片载Flash,这在硬件设计上也减轻了许多负担。

实际设计中采用的具体的方案如下图:
图1-1 HDMI转换成HD-SDI方案设计图
图1-2 HD-SDI转换成HDMI方案设计图
第二章EDID,HDCP以及的辅助数据的处理2.1 EDID部分的设计开发
2.1.1 EDID简介
EDID(Extended Display Identification DATA，即扩展显示识别数据), 最初是为PC 显示器设置的优化显示格式而设计的规范，存储在显示器中专用的1Kb的EEROM存储器中(即EDID数据结构是128Bytes)，数字电视HDMI接口，遵从并且扩展了此规范。

同PC主机和显示器通过DDC数据线访问存储器中数据，以确定显示器的显示属性(如分辨率、纵横比等)信息一样，在数字电视上，也沿用HDMI接口的DDC数据线访问EDID存储器，以确定数字电视的相关显示属性，关键是128Byte是PC显示器的标准，已不能满足数字电视视频标准的要求，因此需要对数据结构进行扩展，由于EDID标准并没有相应的规范，按照EIA/CEA-861-B标准规范对EDID数据进行编程。

(VESA已经有相关的规范出台, 新的标准也是配合了EIA/CEA-861-B标准规范而已, 且需付费才能获取)
HDMI接口在数字电视中的EDID数据结构，与PC显示器的最大区别是编程数据可以是128Byte的倍数，它不仅规定数字电视显示的格式，也规定数字视频信号和数字音频信号，基本的128Byte以外的数据都是附加数据，在基本数据的第127个字节定义EDID的附加数据块数量。

在EDID数据编程中，根据数字电视的显示属性要求，有两个关键环节必须注意：。