北京航天自動(dòng)控制研究所 謝振芳

HDMI信號(hào)轉(zhuǎn)SDI信號(hào)設(shè)計(jì)

北京航天自動(dòng)控制研究所 謝振芳

本文提出了一種HDMI信號(hào)轉(zhuǎn)SDI信號(hào)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用GV7611和GS2972芯片實(shí)現(xiàn)HDMI信號(hào)到HD-SDI信號(hào)的轉(zhuǎn)換，接口支持高達(dá)1080p分辨率的全高清數(shù)字節(jié)目，HDMI接口支持高達(dá)8聲道720KHz采樣的高清音頻傳輸，本設(shè)計(jì)HDMI信號(hào)和SDI信號(hào)的轉(zhuǎn)換可以完美的實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)在HD-SDI信號(hào)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(hào)接口、以及由它發(fā)展而來(lái)的HDMI信號(hào)接口這一系列的數(shù)字視頻信號(hào)接口成為了普通監(jiān)視器、液晶電視兼容的主要信號(hào)接口。HDMI信號(hào)作為極少數(shù)在傳輸視頻的同時(shí)還兼容高比特率多聲道音頻信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn),己經(jīng)廣泛使用在一般消費(fèi)電子市場(chǎng),但是，由于HDMI信號(hào)傳輸距離較短（一般在5-30米左右），而HD-SDI有著較長(zhǎng)的傳輸距離（可達(dá)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(diǎn)，但往往在施工過(guò)程種很多設(shè)備只有HDMI接口，給系統(tǒng)信號(hào)的連接、融合造成一定的困難，此文提供一種HDMI信號(hào)轉(zhuǎn)SDI信號(hào)設(shè)計(jì)。由于sdi是非壓縮傳輸數(shù)字信號(hào)，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(xì)節(jié)，所以可以作高清視頻源無(wú)損轉(zhuǎn)換和傳輸提供了保障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用支持HD-SDI和HDMI標(biāo)準(zhǔn)的專用芯片對(duì)HDMI信號(hào)進(jìn)行封裝,其優(yōu)勢(shì)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(jì)只負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)的控制,而不需要負(fù)責(zé)具體的封裝功能的實(shí)現(xiàn)工作。根據(jù)HDMI標(biāo)準(zhǔn),HDMI接口傳輸?shù)男盘?hào)規(guī)格為3對(duì)差分信號(hào)線并行傳輸,另有一對(duì)差分線傳輸數(shù)字視頻的時(shí)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(jì)MCU采用宏晶STC12LE5A60S2芯片，該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，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(wàn)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(jì)的HDMI接收芯片采用美國(guó)AD公司的低功率165 MHz HDMI接收器ADV7611，ADV7611是高質(zhì)量的單個(gè)輸入HDMI接收器。它包含一個(gè)HDMI-capable接收機(jī)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(gè)先進(jìn)的靜音控制器,防止無(wú)關(guān)聲音在音頻輸出噪聲?？赏ㄟ^(guò)軟件對(duì)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(jì)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(hào)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(jī)模式。在SMPTE模式下,GS2972按照所有SMPTE特性處理。兩個(gè)SMPTE ST 425 A和B級(jí)水平格式支持可選的轉(zhuǎn)換從水平B級(jí)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(gè)簡(jiǎn)單的平行串行轉(zhuǎn)換器。GS2872原理框圖如圖4所示。

HDMI信號(hào)轉(zhuǎn)SDI信號(hào)的設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)SDI信號(hào)的設(shè)計(jì)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(shí)重點(diǎn)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(hào)通過(guò)輸入接口送至低功耗165MHz的HDM接收器芯片ADV7611進(jìn)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(hào)和IIS音頻信號(hào)，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(qiáng)制性3D電視格式，和最高UXGA 60 Hz、8位的分辨率。它集成一個(gè)CEC控制器，支持CDC特性。ADV7611具有一個(gè)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(jí)靜音控制器，可消除音頻輸出中的外來(lái)聲頻噪聲。

經(jīng)過(guò)ADV7611處理后的數(shù)字信號(hào)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(hào)，IIS格式音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為一路SDI信號(hào)輸出，輸出信號(hào)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(jì)

HD-SDI輸出驅(qū)動(dòng)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(kāi)始的,由于GS2972功能需求相對(duì)簡(jiǎn)單,在初始化過(guò)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?yàn)樵贖DMI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(jìn)行過(guò)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(jìn)行合適的配置輸出。MCU對(duì)GS2972負(fù)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(kāi)始對(duì)GS2972硬件重啟,配置合適的初始化電平。之后,MCU需要通過(guò)GSPI通信接口對(duì)GS2972進(jìn)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(duì)ADV7611負(fù)有硬件重啟任務(wù),因此在MCU初始化的時(shí)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(kāi)始就需要進(jìn)行硬件RESET操作],然后才是配置各個(gè)功能部分的寄存器到待用狀態(tài)。為了方便整個(gè)控制程序的設(shè)計(jì),在ADV7611芯片初始化的過(guò)程中,對(duì)控制程序需要的全局變量也應(yīng)該進(jìn)行合理的初始化。圖7、圖8、圖9分別是IIC時(shí)序、像素端口和控制SDR輸出時(shí)序和IIS時(shí)序.MCU軟件流程圖如圖10所示。

圖7 IIC時(shí)序Fig.7 IIC sequence

圖8 像素端口和控制SDR輸出時(shí)序Fig.8 output sequence of pixel port and SDR

圖9 IIS時(shí)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(shí)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(shí)器0初始化

void timer0_init(void)

{

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

TH0 = ( 65536 - 46080 )/256;

TL0 = ( 65536 - 46080 )%256;

ET0 = 1;//時(shí)鐘中斷0使能

TR0 = 1;//時(shí)鐘中斷開(kāi)始計(jì)數(shù)

return;

}

//定時(shí)器函數(shù)

//定時(shí)器中斷

void timer0(void) interrupt 1 using 1

{

TH0 = ( 65536 - 46080 )/256;//定時(shí)25毫秒

TL0 = ( 65536 - 46080 )%256;//定時(shí)25毫秒

//延時(shí)-25ms

if(waitcnt ＞ 0)

waitcnt--;

else bwait = 0;

//延時(shí)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(jī)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(jī)內(nèi)部寄存器

flag = 0x00;

clk_rate = 0x00;

Reg_temp = 0x0000;

MCU_LED2 = 0;//板上LED MCU_LED4 = 0;//機(jī)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(hào),不使用外部的同步信號(hào).

TIM861_2972 = 0;//GS2972接收H,V,F信號(hào)

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(hào)中的時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘頻率=74.25MHz,HD信號(hào)輸入

{

RATE_SEL0_2972 = 0;

RATE_SEL1_2972 = 0;

}

else

{

if(clk_rate ＞= 60) //時(shí)鐘頻率=148.5MHz,3G信號(hào)輸入

{

RATE_SEL0_2972 = 0;

RATE_SEL1_2972 = 1;

}

else //其他時(shí)鐘頻率,默認(rèn)SD信號(hào)輸入

{

RATE_SEL0_2972 = 1;

RATE_SEL1_2972 = 0;

}

}

}

}

5 結(jié)論

HDMI信號(hào)轉(zhuǎn)SDI信號(hào)的設(shè)計(jì)可將高清HDMI信號(hào)轉(zhuǎn)換成廣播級(jí)SDI信號(hào)，可以將標(biāo)準(zhǔn)的帶音頻的高清或者標(biāo)清HDMI數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為廣播級(jí)質(zhì)量的高清或標(biāo)清SDI信號(hào)，為HDMI發(fā)送設(shè)備與SDI接收設(shè)備之間提供了信號(hào)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(jìn)的3G SDI技術(shù)，可輸出3G SDI信號(hào)，同時(shí)可將聲音嵌入到SDI信號(hào)中保持良好的音質(zhì)。可使用5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(hào)的各級(jí)電視臺(tái)、播出機(jī)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(xué)院學(xué)報(bào),2011(2).

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

[3]張勇.SDI-HDMI的技術(shù)實(shí)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