Принципы работы адаптеров HDMI-VGA и VGA-HDMI

Например, некоторые клиенты по-прежнему предпочитают использовать кабели видеографического массива (VGA) для проекторов, в то время как другие используют аудио / видео ресивер (AVR) или медиа-бокс в качестве концентратора, подключая один кабель HDMI к телевизору вместо пакета неэстетичных кабелей, как показано на рисунке 1.




Рисунок 1. Медиа-бокс преобразует аналоговый сигнал в HDMI.


Новички могут рассматривать HDMI как относительно сложный для реализации стандарт, требующий проверенного программного драйвера, проверок совместимости и тестирования на соответствие, чтобы гарантировать надлежащее поведение одного устройства с различными другими устройствами. Это может показаться немного ошеломляющим - как это часто бывает с новыми технологиями. Однако передовые кремниевые решения становятся все более доступными для решения проблемы сложности реализации, достигая улучшения как в аналоговой, так и в цифровой областях; они включают в себя блоки с более высокой производительностью для выравнивания слабых дифференциальных сигналов и более сложные алгоритмы для сокращения служебных данных программного обеспечения и исправления битовых ошибок. В этой статье показано, как современные кремниевые решения и грамотно реализованное программное обеспечение могут облегчить реализацию HDMI. Два основных устройства - преобразователи HDMI-в-VGA («HDMI2VGA») и VGA-в-HDMI («VGA2HDMI») - предоставляют инженерам, знакомым с видеоприложениями, простой способ перехода между аналоговым видео и цифровым видео. Хотя HDMI фактически стал интерфейсом для HD-видео, VGA по-прежнему остается наиболее распространенным интерфейсом для портативных компьютеров. В этой статье также показано, как соединить эти видеотехнологии.


Введение в приложения HDMI и стандарты видео
Интерфейсы HDMI используют линии дифференциальной сигнализации с минимальным переходом (TMDS) для передачи видео, аудио и данных в форме пакетов. В дополнение к этим мультимедийным сигналам интерфейс включает в себя сигналы канала данных дисплея (DDC) для обмена расширенными идентификационными данными дисплея (EDID) и для защиты широкополосного цифрового контента (HDCP). Кроме того, интерфейсы HDMI могут быть оснащены системой управления бытовой электроникой (CEC), каналом возврата звука (ARC) и домашним каналом Ethernet (HEC). Поскольку они не являются существенными для описываемого здесь приложения, они не обсуждаются в этой статье. Данные EDID содержат блок данных длиной 128 байт (VESA - Ассоциация стандартов видеооборудования) или 256 байтов (CEA-861 - Ассоциация бытовой электроники), который описывает возможности видео и (необязательно) звука видеоприемника (Rx). EDID считывается источником видео (проигрывателем) из приемника видео по линиям DDC с использованием протокола I2C. Источник видео должен передавать предпочтительный или лучший видео режим, поддерживаемый и указанный в EDID приемником видео. EDID может также содержать информацию о звуковых возможностях приемника видео и список поддерживаемых режимов звука и их соответствующих частот. И VGA, и HDMI имеют соединение DDC для поддержки связи между источником и приемником. Первые 128 байтов EDID могут использоваться совместно VGA и HDMI. По опыту лаборатории тестирования соответствия HDMI (CT) компании Analog Devices, Inc. (ADI), первые 128 байтов EDID более подвержены ошибкам, поскольку некоторые разработчики не знакомы со строгими требованиями спецификации HDMI и большинство статей посвящено блокам расширения EDID. Для получения подробной информации о конструкции блока расширения CEA, который может следовать за первыми 128 байтами EDID, можно обратиться к спецификации CEA-861.

Форматы синхронизации для VGA и HDMI определяются отдельно двумя группами стандартных настроек, упомянутыми выше: VESA и CEA / EIA. Форматы синхронизации VESA можно найти в стандарте VESA Monitor Timing and Coordinate Video Timings Standard; форматы синхронизации HDMI определены в CEA-861. Формат синхронизации VESA охватывает такие стандарты, как VGA, XGA, SXGA, которые используются в основном для ПК и ноутбуков. CEA-861 описывает стандарты, такие как 480p, 576p, 720p и 1080p, которые используются в телевизорах и дисплеях ED / HD. Среди форматов синхронизации только один формат, 640 × 480p при 60 Гц, является обязательным и общим для стандартов VESA и CEA-861. И ПК, и телевизоры должны поддерживать этот конкретный режим, поэтому он используется в этом примере. В таблице 1 показано сравнение широко поддерживаемых видеостандартов. Подробные данные можно найти в соответствующих спецификациях.
VESA
CEA-861
640 × 350p @ 85 МГц
720 × 576i @ 50 Гц
640 × 400p @ 85 Гц
720 × 576p @ 50/100 Гц
720 × 400p @ 85 Гц
640 × 480p @ 59.94/60 Гц
640 × 480p @ 60/72/75/85 Гц
720 × 480i @ 59.94/60 Гц
800 × 600p @ 56/60/72/75/85 Гц
720 × 480p @ 59.94/60/119.88/120 Гц
1024 × 768i @ 43 Гц
1280 × 720p @ 50/59.94/60/100/119.88/120 Гц
1024 × 768p @ 60/70/75/85 Гц
1920 × 1080i @ 50/59.94/60/100/200 Гц
1152 × 864p @ 75 Гц
1920 × 1080p @ 59.94/60 Гц
1280 × 960p @ 60/85 Гц
1440 × 480p @ 59.94/60 Гц
1280 × 1024p @ 60/75/85 Гц
1440 × 576p @ 50 Гц
1600 × 1200p @ 60/65/70/75/85 Гц
720(1440) × 240p @ 59.94/60 Гц
1920 × 1440p @ 60/75 Гц
720(1440) × 288p @ 50 Гц




Краткое введение в приложение и требования к разделу
Ключевым элементом преобразователей HDMI2VGA и VGA2HDMI является обеспечение того, чтобы источник видео передавал сигнал, соответствующий надлежащим стандартам видео. Это достигается путем предоставления источнику видео соответствующего содержимого EDID. После получения соответствующий видеостандарт может быть преобразован в окончательный стандарт HDMI или VGA. На функциональных блок-схемах на рисунках 2 и 3 показаны соответствующие процессы преобразования HDMI2VGA и VGA2HDMI. Конвертер HDMI2VGA предполагает, что HDMI Rx содержит внутренний EDID.



Рисунок 2. Конвертер HDMI2VGA с извлечением звука.



Рисунок 3. Конвертер VGA2HDMI.

Теория Операции
VGA2HDMI: источник VGA считывает содержимое EDID из приемника, чтобы получить поддерживаемый список синхронизации, используя канал линий DDC, а затем источник видео начинает посылать видеопоток. Кабель VGA передает сигналы RGB и отдельные сигналы синхронизации по горизонтали (HSYNC) и вертикали (VSYNC). Нисходящий АЦП VGA синхронизируется с HSYNC для воспроизведения тактовой частоты дискретизации. Входящие синхросигналы выравниваются с часами декодером VGA.

Сигнал разрешения данных (DE) указывает активную область видео. АЦП VGA не выводит этот сигнал, что является обязательным для кодирования сигнала HDMI. Высокий логический уровень DE указывает на активные пиксели или визуальную часть видеосигнала. Низкий логический уровень на DE указывает период гашения видеосигнала.



Рисунок 4. Горизонтальная генерация ДЭ.


Рисунок 5. Вертикальная генерация DE

Сигнал DE имеет решающее значение для создания действительного потока HDMI. Отсутствие сигнала DE может быть компенсировано передатчиком HDMI (Tx), который может восстанавливать DE. Современные передатчики HDMI могут генерировать сигнал DE с входов HSYNC и VSYNC, используя несколько настроек параметров, таких как задержка HSYNC, задержка VSYNC, активная ширина и активная высота, как показано на рисунках 4 и 5, обеспечивая совместимость для передачи сигнала HDMI. .

Задержка HSYNC определяет количество пикселей от переднего края HSYNC до переднего края DE. Задержка VSYNC - это количество импульсов HSYNC между передним фронтом VSYNC и DE. Активная ширина указывает количество активных горизонтальных пикселей, а активная высота - это количество строк активного видео. Функция генерации DE также может быть полезна для таких функций отображения, как центрирование активной области видео по центру экрана.

Регулировка положения дисплея обязательна для входов VGA. Первый и последний пиксели оцифрованного аналогового входного сигнала не должны совпадать или быть близкими к любым импульсам HSYNC или VSYNC. Период, когда сигнал DE низкий (например, интервал гашения по вертикали или горизонтали), используется для передачи дополнительных данных HDMI и аудиопакетов и, следовательно, не может быть нарушен. Фаза выборки АЦП может вызвать такое рассогласование. О несовпадении активной области можно судить по черной полосе в видимой области экрана. Для композитного сигнала видеовещания (CVBS) это явление можно исправить путем пересканирования на 5–10%.

VGA предназначен для отображения всей активной области без удаления какой-либо области. Изображение не выходит за пределы экрана, поэтому настройка положения дисплея важна для преобразования VGA в HDMI. В лучшем случае черная полоса может быть автоматически распознана, и изображение может быть автоматически настроено на середину последнего экрана или вручную в соответствии с информацией считывания. Если VGA ADC подключен к внутреннему скейлеру, активное видео может быть правильно выровнено по всей видимой области.


Однако использование масштабатора для исправления смещения активной области видео увеличивает стоимость конструкции и связанные с этим риски. Например, с помощью скейлера и видео-шаблона черная область, окружающая небольшой белый прямоугольник внутри активной области, может быть распознана как бесполезная полоса и удалена. Белый квадрат станет чисто белым фоном, когда черная область будет удалена. С другой стороны, изображение с наполовину белым и наполовину черным приведет к искажению. Должен быть интегрирован какой-то механизм предотвращения, чтобы предотвратить такое неправильное обнаружение. Как только HDMI Tx блокирует и регенерирует сигнал DE, он начинает отправку видеопотока в приемник HDMI, такой как телевизор. Между тем, встроенные аудиокомпоненты, такие как аудиокодек, также могут отправлять аудиопоток по I2S, S / PDIF или DSD на HDMI Tx. Одним из преимуществ HDMI является то, что он может отправлять видео и аудио одновременно. Когда плата преобразования VGA2HDMI включается и источник и приемник подключены, MCU должен считывать содержимое EDID приемника HDMI через линии HDMI Tx DDC. MCU должен скопировать первые 128 байтов EDID в EEPROM для канала VGA DDC с небольшими изменениями, поскольку канал VGA DDC обычно не поддерживает расширение CEA, используемое для HDMI. 

HDMI2VGA: преобразователь HDMI2VGA должен сначала предоставить надлежащее содержимое EDID источнику HDMI до приема желаемого сигнала 640 × 480p или другого стандарта, обычно поддерживаемого источником видео и дисплеем. HDMI Rx обычно хранит содержимое EDID внутри, обрабатывает строку обнаружения горячего подключения (указывающую, что дисплей подключен), а также принимает, декодирует и интерпретирует входящие видео- и аудиопотоки.

Поскольку поток HDMI объединяет аудио, видео и данные, HDMI Rx также должен обеспечивать возможность считывания вспомогательной информации, такой как цветовое пространство, стандарты видео и режим звука. Большинство приемников HDMI адаптируются к принимаемому потоку, автоматически преобразуя любое цветовое пространство (YCbCr 4: 4: 4, YCbCr 4: 2: 2, RGB 4: 4: 4) в цветовое пространство RGB 4: 4: 4, необходимое для видео. ЦАП. Автоматическое преобразование цветового пространства (CSC) гарантирует, что правильное цветовое пространство отправляется на внутреннее устройство.

Как только входящий поток HDMI обрабатывается и декодируется до требуемого стандарта, он выводится через линии шины пикселей на видео ЦАП и аудиокодеки. Видео ЦАП обычно имеют пиксельную шину RGB и тактовые входы без сигналов синхронизации. Сигналы HSYNC и VSYNC могут выводиться через буфер на выход VGA и, наконец, на монитор или другой дисплей.

Аудиопоток HDMI может нести различные стандарты, такие как L-PCM, DSD, DST, DTS, аудио с высокой скоростью передачи данных, AC3 и другие сжатые потоки битов. Большинство приемников HDMI не имеют проблем с извлечением какого-либо стандарта звука, но с дальнейшей обработкой могут. В зависимости от внутреннего устройства может быть предпочтительнее использовать простой стандарт, а не сложный, чтобы обеспечить простое преобразование в аналоговый выход для динамиков. Спецификации HDMI гарантируют, что все устройства поддерживают LPCM не менее 32 кГц, 44,1 кГц и 48 кГц.

Таким образом, важно создать EDID, который соответствует как звуковым возможностям преобразователя HDMI2VGA, который извлекает звук, так и исходным возможностям VGA-дисплея. Это можно сделать с помощью простого алгоритма, который извлекает содержимое EDID с дисплея VGA через линии DDC. Считанные данные должны быть проанализированы и проверены, чтобы убедиться, что монитор не допускает более высоких частот, чем те, которые поддерживаются HDMI Rx или видео ЦАП. Изображение EDID может быть расширено дополнительным блоком CEA, в котором перечислены звуковые возможности, чтобы отразить, что преобразователь HDMI2VGA поддерживает звук только в своем стандарте линейной PCM. Таким образом, подготовленные данные EDID, содержащие все блоки, могут быть предоставлены источнику HDMI. Источник HDMI должен повторно считывать EDID с преобразователя после импульса линии обнаружения горячего подключения (часть кабеля HDMI).

Для управления всей схемой можно использовать простой микроконтроллер или ЦП, считывая VGA EDID и программируя HDMI Rx и аудио ЦАП / кодек. Управление видео ЦАП обычно не требуется, поскольку они не имеют портов управления, таких как I2C или SPI.


Рекомендации по защите контента Поскольку типичный аналоговый VGA не обеспечивает защиту контента, автономные преобразователи не должны позволять дешифровать данные, защищенные контентом, что позволило бы конечному пользователю получить доступ к необработанным цифровым данным. С другой стороны, если схема является составной частью большего устройства, ее можно использовать до тех пор, пока она не позволяет пользователю получить доступ к незашифрованному видеопотоку. Пример схемы Пример платы VGA-to-HDMI может использовать высокопроизводительный 8-битный интерфейс дисплея AD9983A, который поддерживает синхронизацию до UXGA и входы RGB / YPbPr, а также высокопроизводительный передатчик HDMI 165 МГц ADV7513, который поддерживает 24-битный интерфейс. битовый TTL-вход, 3D-видео и переменные входные форматы. С помощью этих устройств можно быстро и удобно создать преобразователь VGA2HDMI. ADV7513 также имеет встроенный блок генерации DE, поэтому для генерации недостающего сигнала DE не требуется внешняя FPGA. ADV7513 также имеет встроенный блок обработки EDID и может автоматически считывать информацию EDID с HDMI Rx или принудительно считывать обратно вручную. Точно так же создание преобразователя HDMI2VGA не слишком сложно; высокоинтегрированный видеотракт может быть построен с помощью маломощного приемника HDMI ADV7611 с частотой 165 МГц и тройного 8-битного видео ЦАП ADV7125 с полосой пропускания 330 МГц. Rx поставляется со встроенным внутренним EDID, схемой для обработки подтверждения горячей замены, автоматическим CSC, который может выводить RGB 4: 4: 4, независимо от полученного цветового пространства, и блоком обработки компонентов, который позволяет регулировать яркость и контраст, а также перестройку сигнала синхронизации. Аудиокодек SSM2604 с низким энергопотреблением позволяет декодировать стерео поток I2S и выводить его с произвольной громкостью через ЦАП. Аудиокодек не требует внешнего кристалла, так как источник тактовой частоты можно взять из линии MCLK ADV7611, и для настройки требуется всего несколько операций записи.


Простой микроконтроллер, такой как прецизионный аналоговый микроконтроллер ADuC7020 со встроенным генератором, может управлять всей системой, включая обработку EDID, улучшение цвета и простой пользовательский интерфейс с кнопками, ползунками и ручками. На рисунках 6 и 7 показаны примеры схем цифрового преобразователя видео (AD9983A) и HDMI Tx (ADV7513), необходимых для преобразователя VGA2HDMI. Схема MCU в комплект не входит.


Рисунок 6. Схема AD9983A.


Рисунок 7. Схема ADV7513.

Заключение
Компоненты аудио, видео и микроконтроллера компании Analog Devices могут реализовывать высокоинтегрированные преобразователи HDMI2VGA или VGA2HDMI, которые могут получать питание с небольшим количеством энергии, обеспечиваемой разъемом USB.

Оба преобразователя показывают, что приложения, использующие технологию HDMI, легко применять с компонентами ADI. Сложность системы HDMI увеличивается для устройств, которые должны работать в конфигурации повторителя HDMI, поскольку для этого требуется обработка протокола HDCP вместе со всем деревом HDMI. Ни один из преобразователей не использует конфигурацию повторителя HDMI.

Такие приложения, как видеоприемники (дисплеи), видеогенераторы (источники) и видеопреобразователи, требуют относительно небольшого программного стека и, следовательно, могут быть реализованы быстро и легко.