北京航天自動控制研究所 謝振芳

HDMI信號轉(zhuǎn)SDI信號設(shè)計

北京航天自動控制研究所 謝振芳

本文提出了一種HDMI信號轉(zhuǎn)SDI信號的設(shè)計，該設(shè)計使用GV7611和GS2972芯片實現(xiàn)HDMI信號到HD-SDI信號的轉(zhuǎn)換，接口支持高達1080p分辨率的全高清數(shù)字節(jié)目，HDMI接口支持高達8聲道720KHz采樣的高清音頻傳輸，本設(shè)計HDMI信號和SDI信號的轉(zhuǎn)換可以完美的實現(xiàn)音頻信號在HD-SDI信號中的嵌入。

hdmi；sdi；高清sdi；hdmi轉(zhuǎn)sdi

1 引言

目前數(shù)字高清視頻發(fā)展環(huán)境下,以DVI信號接口、以及由它發(fā)展而來的HDMI信號接口這一系列的數(shù)字視頻信號接口成為了普通監(jiān)視器、液晶電視兼容的主要信號接口。HDMI信號作為極少數(shù)在傳輸視頻的同時還兼容高比特率多聲道音頻信號的標準,己經(jīng)廣泛使用在一般消費電子市場,但是，由于HDMI信號傳輸距離較短（一般在5-30米左右），而HD-SDI有著較長的傳輸距離（可達150米），各種高端圖像設(shè)備都具有HD-SDI接口，HD-SDI接口具有布線方便的特點，但往往在施工過程種很多設(shè)備只有HDMI接口，給系統(tǒng)信號的連接、融合造成一定的困難，此文提供一種HDMI信號轉(zhuǎn)SDI信號設(shè)計。由于sdi是非壓縮傳輸數(shù)字信號，視頻不失真，圖像完整性高，清晰度高，色彩還原度好。并能提供更多的細節(jié)，所以可以作高清視頻源無損轉(zhuǎn)換和傳輸提供了保障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計使用支持HD-SDI和HDMI標準的專用芯片對HDMI信號進行封裝,其優(yōu)勢在于專用芯片處理速度快,一般不需要考慮處理速度的兼容性,相應(yīng)的軟件設(shè)計只負責整體系統(tǒng)的控制,而不需要負責具體的封裝功能的實現(xiàn)工作。根據(jù)HDMI標準,HDMI接口傳輸?shù)男盘栆?guī)格為3對差分信號線并行傳輸,另有一對差分線傳輸數(shù)字視頻的時鐘。HDMI、SDI轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of HDMI to SDI system

本設(shè)計MCU采用宏晶STC12LE5A60S2芯片，該單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S ，即25萬次/秒)。原理圖如圖2所示。

圖2 MCU控制原理圖Fig.2 the control principle diagram of MCU

本設(shè)計的HDMI接收芯片采用美國AD公司的低功率165 MHz HDMI接收器ADV7611，ADV7611是高質(zhì)量的單個輸入HDMI接收器。它包含一個HDMI-capable接收機支持所有的HDMI 1.4版本規(guī)范中定義的3 d電視、支持8位UXGA 60赫茲格式。ADV7611還有音頻輸出端口，音頻數(shù)據(jù)從HDMI流中提取。ADV7611設(shè)有一個先進的靜音控制器,防止無關(guān)聲音在音頻輸出噪聲?？赏ㄟ^軟件對寄存器設(shè)置選擇靜音模式。ADV7611原理框圖如圖3所示。

圖3 HDMI 輸入電路框圖Fig.3 the block diagram of HDMI input circuit

本設(shè)計的SDI發(fā)送器采用Gennum公司3G/HD/SD-SDI 并串轉(zhuǎn)換芯片GS2972,支持SMPTE ST 424,SMPTE ST 292,SMPTE 259 - c或DVB-ASI串行數(shù)字信號輸出，該芯片用戶可選擇的四種基本模式: SMPTE模式,DVB-ASI模式中,數(shù)據(jù)模式,或待機模式。在SMPTE模式下,GS2972按照所有SMPTE特性處理。兩個SMPTE ST 425 A和B級水平格式支持可選的轉(zhuǎn)換從水平B級1080 p 50/60 4:2:2 10位。在DVB-ASI模式下,設(shè)備將執(zhí)行8 b / 10 b編碼之前的傳播。在數(shù)據(jù)模式中,所有SMPTE和DVB-ASI處理是禁用的。該設(shè)備可以作為一個簡單的平行串行轉(zhuǎn)換器。GS2872原理框圖如圖4所示。

HDMI信號轉(zhuǎn)SDI信號的設(shè)計外部由12V適配器提供能量，內(nèi)部采用兩片美信半導(dǎo)體MAX15041電源管理芯片分別輸出5V和3.3V電壓，1.2V電壓由一片TLV1117LV12產(chǎn)生。電源部分原理圖如圖5所示。

HDMI信號轉(zhuǎn)SDI信號的設(shè)計板層結(jié)構(gòu)為四層，分別是頂層、GND層、電源層和底層，布線時重點注意GV7611和GS2972相連接的并行數(shù)據(jù)線，SDI輸出接口的BNC連接器盡可能使與器件連接的走線短，走線間距設(shè)置為6mil即可，布局布線如圖6所示。

圖4 SDI輸出原理框圖Fig.4 the principle diagram of SDI input

圖5 電源部分原理圖Fig.5 the schematic diagram of power supply

圖6 PCB布局布線圖Fig.6 layout of the wiring diagram

3 HDMI、SDI轉(zhuǎn)換器工作原理

如圖1所示，HDMI高清圖像信號通過輸入接口送至低功耗165MHz的HDM接收器芯片ADV7611進行串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為20bit位寬的并行數(shù)據(jù)輸出EAI-861視頻信號和IIS音頻信號，ADV7611是一款高質(zhì)量、單輸入HDMI接收器，內(nèi)置HDMI兼容型接收器，支持HDMI 1.4a規(guī)定的所有強制性3D電視格式，和最高UXGA 60 Hz、8位的分辨率。它集成一個CEC控制器，支持CDC特性。ADV7611具有一個音頻輸出端口，用于輸出從HDMI流提取的音頻數(shù)據(jù)。HDMI接收器具有高級靜音控制器，可消除音頻輸出中的外來聲頻噪聲。

經(jīng)過ADV7611處理后的數(shù)字信號送至GS2972 SDI發(fā)射器芯片,GS2972其功能是將輸入的EIA-CEA-861格式視頻信號，IIS格式音頻信號轉(zhuǎn)化為一路SDI信號輸出，輸出信號規(guī)格為SMPTE425，SMPTE424，SMPTE292M，其控制方式為GSPI接口控制，電平控制，供電I/O電壓3.3V，內(nèi)核電壓1.2V，該芯片是低電平復(fù)位。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

HD-SDI輸出驅(qū)動芯片GS2972的初始化在HDMI接收并成功配置了合適的視頻和音頻輸出之后才開始的,由于GS2972功能需求相對簡單,在初始化過程中僅需要配置相應(yīng)的需要的工作電平即可。視頻方面的配置因為在HDMI接收部分已經(jīng)處理成HD-SDI所需要的視頻輸入,所以不需要進行過多更改和處理,使用初始化控制電平中給出的配置即可。音頻方面,需要按照之前HDMI接收芯片接收到的音頻格式和采樣率比特率等參數(shù)進行合適的配置輸出。MCU對GS2972負有硬件重啟的任務(wù),在HDMI接收并配置完合適的輸出之后,MCU開始對GS2972硬件重啟,配置合適的初始化電平。之后,MCU需要通過GSPI通信接口對GS2972進行音頻方面配置,配置的結(jié)果需要依照HDMI接口中輸入的音頻狀態(tài)。

HDMI接收芯片ADV7611的初始化在HDMI部分正式工作之前完成,MCU對ADV7611負有硬件重啟任務(wù),因此在MCU初始化的時候?qū)⒃摽刂齐娖骄€設(shè)置為推挽模式,保證輸出效果。在ADV7611初始化一開始就需要進行硬件RESET操作],然后才是配置各個功能部分的寄存器到待用狀態(tài)。為了方便整個控制程序的設(shè)計,在ADV7611芯片初始化的過程中,對控制程序需要的全局變量也應(yīng)該進行合理的初始化。圖7、圖8、圖9分別是IIC時序、像素端口和控制SDR輸出時序和IIS時序.MCU軟件流程圖如圖10所示。

圖7 IIC時序Fig.7 IIC sequence

圖8 像素端口和控制SDR輸出時序Fig.8 output sequence of pixel port and SDR

圖9 IIS時序Fig.9 IIS sequence

圖10 MCU軟件流程圖Fig.10 flow chart of MCU software

MCU STC12LE5A60S2源程序：

#include "pincfg.h"

#include ＜stdio.h＞

#include "STC_NEW_8051.h"

#include "uart.h"

#include "GS2972.h"

#include "GSPI_2972.h"

#include "ADV7611.h"

#include "CFG_IIC.H"

//全局參數(shù)設(shè)置

// Main program

bit bwait;

unsigned char state;

unsigned char bdata flag;

unsigned char Video_Standard;

unsigned char clk_rate;

unsigned int Reg_temp;

sbit b_menu = flag ^ 0; ///////////////////////////////////////////

//基于定時器的等待函數(shù)

unsigned char data waitcnt;

unsigned char data runcnt;

#pragma disable

void setdelaycnt(unsigned char nwait)

{

waitcnt = nwait;

bwait = 1;

return;

}

void wait(unsigned char nwait)

{

setdelaycnt(nwait);

while(bwait);

return;

}

//定時器0初始化

void timer0_init(void)

{

TMOD = (TMOD & 0xF1) | 0x01;

TH0 = ( 65536 - 46080 )/256;

TL0 = ( 65536 - 46080 )%256;

ET0 = 1;//時鐘中斷0使能

TR0 = 1;//時鐘中斷開始計數(shù)

return;

}

//定時器函數(shù)

//定時器中斷

void timer0(void) interrupt 1 using 1

{

TH0 = ( 65536 - 46080 )/256;//定時25毫秒

TL0 = ( 65536 - 46080 )%256;//定時25毫秒

//延時-25ms

if(waitcnt ＞ 0)

waitcnt--;

else bwait = 0;

//延時1S控制LED1閃爍

if(runcnt ＜ 40) runcnt++;

else

{

runcnt = 0;

MCU_LED1 = ～MCU_LED1;//板上led

MCU_LED3 = ～MCU_LED3;//機箱led

}

}

//系統(tǒng)復(fù)位

void sys_rst(void)

{

RESETn_7611 = 0;

RESETn_2972 = 0;

wait(40);

RESETn_7611 = 1;

RESETn_2972 = 1;

wait(40);//復(fù)位之后等待1S

}

//系統(tǒng)初始化

void init_other(void)

{

//GS2972_init();

ADV7611_init();

}

//中斷初始化

void init_mcu(void)

{

timer0_init();

Serial_Init_Port0();

EA = 1;

}

void main(void)

{

b_menu = 0;

state = 0;

init_mcu(); //初始化單片機內(nèi)部寄存器

flag = 0x00;

clk_rate = 0x00;

Reg_temp = 0x0000;

MCU_LED2 = 0;//板上LED MCU_LED4 = 0;//機箱LED ANC_BLANKn = 1;//the Luma and Chroma data pass through the device unaltered.

DETECT_TRS = 1;//從并行數(shù)據(jù)流中提取同步信號,不使用外部的同步信號.

TIM861_2972 = 0;//GS2972接收H,V,F信號

BIT10n_20_2972 = 1;//數(shù)據(jù)寬度為20

RATE_SEL0_2972 = 0;//

RATE_SEL1_2972 = 0;//

sys_rst();

init_other();

MCU_LED2 = 1;

MCU_LED4 = 1;

while(1)

{

MCU_LED2 = ～LOCK_2972;//GS2972 LOCK則LED亮

MCU_LED4 = ～LOCK_2972;

//讀取ADV7611的0x68主地址下的0x51寄存器(TMDS信號中的時鐘信號的頻率值),

//判斷其值的區(qū)間范圍即可知道輸入的DVI格式

clk_rate = E_read_CFG(0x68,0x51);

if((clk_rate ＞= 30) && (clk_rate ＜= 50))//時鐘頻率=74.25MHz,HD信號輸入

{

RATE_SEL0_2972 = 0;

RATE_SEL1_2972 = 0;

}

else

{

if(clk_rate ＞= 60) //時鐘頻率=148.5MHz,3G信號輸入

{

RATE_SEL0_2972 = 0;

RATE_SEL1_2972 = 1;

}

else //其他時鐘頻率,默認SD信號輸入

{

RATE_SEL0_2972 = 1;

RATE_SEL1_2972 = 0;

}

}

}

}

5 結(jié)論

HDMI信號轉(zhuǎn)SDI信號的設(shè)計可將高清HDMI信號轉(zhuǎn)換成廣播級SDI信號，可以將標準的帶音頻的高清或者標清HDMI數(shù)字信號轉(zhuǎn)為廣播級質(zhì)量的高清或標清SDI信號，為HDMI發(fā)送設(shè)備與SDI接收設(shè)備之間提供了信號接口的轉(zhuǎn)換，也可為現(xiàn)有的HDMI輸出設(shè)備增加SDI輸出功能。SDI輸出接口采用先進的3G SDI技術(shù)，可輸出3G SDI信號，同時可將聲音嵌入到SDI信號中保持良好的音質(zhì)?？墒褂?到12V的直流電源適配器供電,方便了電源適配器的選擇?？蓮V泛用于使用SDI信號的各級電視臺、播出機房、和非編制作領(lǐng)域，也廣泛用于各種使用HDMI接口的光端傳輸領(lǐng)域。

[1]董素玲,王真.HDMI到HD-SDI接口轉(zhuǎn)換在高清視頻系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].徐州建筑職業(yè)技術(shù)學院學報,2011(2).

[2]趙字紅,樂雄志,曾雷.HDMI車站終端顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù),2013(3).

[3]張勇.SDI-HDMI的技術(shù)實現(xiàn)[J].有線電視技術(shù),2008(6).

[4]薛永林.數(shù)字視頻接口的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].電視技術(shù),2008(11).

A design of converting HDMI signals to SDI signals

Xie Zhen-fang
（Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854 china）

；A design of converting HDMI signals to SDI signals is proposed.GV7611 and GS2972 chips are used to realize conversion from HDMI signals to hd-sdi signal，interface supports up to full HD 1080 p resolution program，HDMI interface supports up to 8 channel 720 KHZ sampling of HD audio transmission.In the design HDMI signal to SDI signal conversion can embed audio signals into the hd-sdi signals.

；hdmi；sdi；hd sdi；hdmi to sdi