引言

數(shù)字電視概念已逐步深入人心，現(xiàn)有的大多數(shù)數(shù)字電視接收機(jī)只能通過(guò)分量接口接收滿足數(shù)字視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，這實(shí)際上仍然是一種模擬信號(hào)接口，只是視頻信號(hào)符合數(shù)字電視視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)(如ITU-R601、CEA/CEA-861-A/B等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)字視頻抽樣、量化、編碼規(guī)范，滿足數(shù)字電視的行頻、場(chǎng)/幀頻、同步、清晰度等要求)，所以此類電視如果要在系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)字處理，則需在視頻信號(hào)處理前增加A/D轉(zhuǎn)換、Scale、De-interlace等功能電路，這會(huì)使信號(hào)質(zhì)量有一定程度的降低，研究表明此類接口的清晰度很難真正達(dá)到高清數(shù)字電視的顯示標(biāo)準(zhǔn)(水平清晰度大于720線)。

數(shù)字視頻接口接收的是經(jīng)過(guò)一定處理(壓縮或不壓縮)的數(shù)字信號(hào)，不論從信號(hào)質(zhì)量還是后處理考慮，都有利于提高整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的性能。DVI(Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口)是目前廣泛應(yīng)用的一種數(shù)字視頻接口，起初主要應(yīng)用于PC行業(yè)。DVI支持單像素RGB的24bit數(shù)據(jù)，傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮，單連接的傳輸速率可達(dá)4.9Gbps，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率是1.78Gbps的1080i數(shù)字高清晰電視可達(dá)到較好的保真度，特別是在LCD、DLP等顯示設(shè)備中，不需要任何D/A轉(zhuǎn)換和處理，減少了信號(hào)損失，可以應(yīng)用到數(shù)字電視、平板電視等產(chǎn)品當(dāng)中。

DVI概述及工作原理

DVI是由DDWG(Digital Display working Group，數(shù)字顯示工作組)發(fā)明的一種高速傳輸數(shù)字信號(hào)的技術(shù)，有DVI-D和DVI-I兩種不同的接口形式。DVI-D只有數(shù)字接口，DVI-I有數(shù)字和模擬接口，目前應(yīng)用主要以DVI-D為主。

DVI是基于TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，轉(zhuǎn)換最小差分信號(hào))技術(shù)來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)，TMDS運(yùn)用先進(jìn)的編碼算法把8bit數(shù)據(jù)(R、G、B中的每路基色信號(hào))通過(guò)最小轉(zhuǎn)換編碼為10bit數(shù)據(jù)(包含行場(chǎng)同步信息、時(shí)鐘信息、數(shù)據(jù)DE、糾錯(cuò)等)，經(jīng)過(guò)DC平衡后，采用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，它和LVDS、TTL相比有較好的電磁兼容性能，可以用低成本的專用電纜實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高質(zhì)量的數(shù)字信號(hào)傳輸。TMDS技術(shù)的連接傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TMDS連接傳輸結(jié)構(gòu)

DVI數(shù)字信號(hào)傳輸有單連接(Single Link)和雙連接(Dual Link)兩種方式，對(duì)于單連接，僅用圖1所示的1/2、   9/10、17/18腳傳輸，它的傳輸速率可達(dá)4.9Gbps，雙連接可達(dá)9.9Gbps。

DVI接口在數(shù)字電視中的應(yīng)用

● 基本方案論證分析

數(shù)字電視機(jī)為達(dá)到高清晰度顯示要求，掃描一般采用
圖2 DVI接口原理框圖

由原理圖看，數(shù)字電視增加DVI接口比較簡(jiǎn)單，從硬件電路考慮，一是在接口處增加DVI解碼部分，二是在后端提供一個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果電視原有方案中具有A/D轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的后級(jí)數(shù)據(jù)處理通道，那么DVI接口解碼輸出的數(shù)據(jù)可以與它共用，因?yàn)樵跀?shù)字信號(hào)格式一定的情況下，其碼率、行頻、場(chǎng)頻、時(shí)鐘是一致的。

在實(shí)際研究開(kāi)發(fā)中，需要特別注意DVI解碼輸出數(shù)據(jù)信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)信號(hào)的隔離和避免前端通道相互干擾。由于兩組通道的共用，相當(dāng)于延長(zhǎng)了數(shù)字輸出引腳的信號(hào)線長(zhǎng)度，因此對(duì)于長(zhǎng)距離的數(shù)字信號(hào)印制線，有必要在其特征阻抗處將其中斷，以避免數(shù)字信號(hào)的過(guò)沖、欠沖和振鈴，通常情況下在數(shù)據(jù)線上串聯(lián)幾十歐姆的電阻。同時(shí)對(duì)于輸出驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，需要最大限度地減小數(shù)字輸出引腳的容性載荷，但是在信號(hào)布線階段，一般不能精確計(jì)算容性負(fù)載，為方便系統(tǒng)調(diào)試，應(yīng)考慮在數(shù)據(jù)信號(hào)線、行場(chǎng)同步信號(hào)線、時(shí)鐘信號(hào)線到地并聯(lián)電容，根據(jù)PCB材料、信號(hào)長(zhǎng)度不同，電容值一般在幾十pF即可，這樣就可達(dá)到通道負(fù)載平衡、數(shù)據(jù)上升沿、下降沿和相位的一致，減少數(shù)字噪聲干擾和抖動(dòng)。

數(shù)字電視DVI接口性能測(cè)試時(shí)，誤碼率指標(biāo)應(yīng)達(dá)到10-9，即10億bit允許出現(xiàn)一個(gè)誤碼，因此在性能測(cè)試時(shí)必須保證一定的測(cè)試時(shí)間

圖3 DVI接口系統(tǒng)工作流程

對(duì)于DVI接口在數(shù)字電視、平板電視上的應(yīng)用研究，更為關(guān)鍵的是EDID(Extended Display Identification DATA，即擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù))編程，HDCP(High-bandwidth Digital Content Protection)功能的實(shí)現(xiàn)。這些對(duì)于數(shù)字電視來(lái)說(shuō)都是全新應(yīng)用，只有EDID和HDCP在數(shù)字電視上實(shí)現(xiàn)后，DVI接口才是真正的數(shù)字電視接口。

● 數(shù)字電視DVI接口的EDID開(kāi)發(fā)

EDID是為PC顯示器設(shè)置的優(yōu)化顯示格式數(shù)據(jù)規(guī)范，存儲(chǔ)在顯示器中專用的1Kb的EEROM存儲(chǔ)器中(即EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是128Byte)，DVI接口應(yīng)用在數(shù)字電視上時(shí)，同樣應(yīng)該遵從此規(guī)范。

PC主機(jī)和顯示器通過(guò)DDC數(shù)據(jù)線訪問(wèn)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)，以確定顯示器的顯示屬性(如分辨率、縱橫比等)信息，在數(shù)字電視上，也應(yīng)該用DVI接口的DDC數(shù)據(jù)線訪問(wèn)EDID存儲(chǔ)器，以確定數(shù)字電視的相關(guān)顯示屬性，關(guān)鍵是128Byte是PC顯示器的標(biāo)準(zhǔn)，已不能滿足數(shù)字電視視頻標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，由于EDID標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范，研究中按照EIA/CEA-861-B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)EDID數(shù)據(jù)進(jìn)行編程。

圖4 PC的EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

DVI接口在數(shù)字電視中的EDID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與PC顯示器的最大區(qū)別是編程數(shù)據(jù)可以是128Byte的倍數(shù)，它不僅規(guī)定數(shù)字電視顯示的PC格式，也規(guī)定數(shù)字視頻信號(hào)和數(shù)字音頻信號(hào)，基本的128Byte以外的數(shù)據(jù)都是附加數(shù)據(jù)，在基本數(shù)據(jù)的第127個(gè)字節(jié)定義EDID的附加數(shù)據(jù)塊數(shù)量。在EDID數(shù)據(jù)編程中，根據(jù)數(shù)字電視的顯示屬性要求，有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)必須注意：第一，如果數(shù)字電視的顯示是固定格式，則在首選Timing Mode字節(jié)中必須選擇相應(yīng)的定義；第二，數(shù)字電視的標(biāo)準(zhǔn)顯示屬性應(yīng)在第一段詳細(xì)Timing Mode字節(jié)中完成數(shù)據(jù)編程。

研究開(kāi)發(fā)中，注意到DDC2B只能適用于DVI 1.0標(biāo)準(zhǔn)的EDID讀取，因?yàn)樗荒茏x取附加的128字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于應(yīng)用DVI接口到數(shù)字電視中，因?yàn)橛蠧EA的數(shù)據(jù)在附加數(shù)據(jù)塊里，信號(hào)源必須滿足E-DDC標(biāo)準(zhǔn)，才能讀取EDID數(shù)據(jù)。

● 數(shù)字電視中DVI接口的HDCP研究

HDCP(High-bandwidth Digital Content protection)系統(tǒng)是DVI接口中，在發(fā)送設(shè)備(即主機(jī))和接收設(shè)備間保護(hù)數(shù)字信號(hào)正常合法傳輸，防止非法接收的一種加密系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中最多允許7層視頻轉(zhuǎn)發(fā)器和128臺(tái)設(shè)備共享同一主DVI接口輸出的數(shù)字信號(hào)，HDCP系統(tǒng)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 HDCP系統(tǒng)連接拓樸結(jié)構(gòu)圖

HDCP主要有三個(gè)組成部分：第一部分是鑒定協(xié)議，確認(rèn)接收者的合法性。發(fā)送方與接收方進(jìn)行信息交換，接收方將KEY傳給發(fā)送方，發(fā)送方驗(yàn)證并用此產(chǎn)生公共密鑰，通過(guò)公共密鑰作為均衡KEY混入授權(quán)證實(shí)序列中，用于加密內(nèi)容的解密，授權(quán)確認(rèn)完成；HDCP密鑰一般有專門(mén)的EEPROM存儲(chǔ)，目前多數(shù)整機(jī)產(chǎn)品可通過(guò)處理芯片內(nèi)部EEPROM中預(yù)編程得到HDCP密鑰，通過(guò)這種方式密鑰保護(hù)可達(dá)到HDCP規(guī)范要求的高級(jí)別，出于保密原因，密鑰不能從IC里讀出。第二，一旦確認(rèn)，發(fā)送方將加密內(nèi)容以雙方都知道的解密方式傳給接收方；第三，當(dāng)非授權(quán)設(shè)備接收時(shí)，通過(guò)發(fā)送方的檢測(cè)，將中斷內(nèi)容傳送。

HDCP具體工作過(guò)程：首先由主機(jī)發(fā)送密鑰選擇導(dǎo)引序列(AKSV)和64bit偽隨機(jī)序列(An)到接收方，接收方回傳密鑰選擇導(dǎo)引序列(BKSV)和轉(zhuǎn)發(fā)器位(REPEAT-bit)(如是轉(zhuǎn)發(fā)器用以表示身份)，發(fā)送方確認(rèn)BKSV是否已被廢除和是否包含20個(gè)1和20個(gè)0；如果雙方的設(shè)備密鑰和KSV有效，則計(jì)算產(chǎn)生一個(gè)56bit的公共密鑰Km和Km`，然后可產(chǎn)生KS、KS`(傳輸密鑰)、M0、MO`(64bit后續(xù)驗(yàn)證用追加初始序列)、RO、R0`(16bit指示驗(yàn)證成功，它必須在AKSV發(fā)送后100ms內(nèi)傳回發(fā)送方；驗(yàn)證成功后R01和R0相等；每128幀修正一次，每2s回傳一次)。因此當(dāng)DVI接口中斷傳輸2s以上，或是非授權(quán)設(shè)備接收時(shí)，主機(jī)將停止傳輸內(nèi)容，以達(dá)到保護(hù)傳輸內(nèi)容的目的。HDCP鑒定處理過(guò)程如圖6所示。

圖6 HDCP鑒定處理過(guò)程圖

HDCP功能對(duì)于數(shù)字電視有一定局限性。對(duì)于設(shè)計(jì)完善的功能電路，如果A/D轉(zhuǎn)換器、TMDS解碼處理器不工作時(shí)，一般都具備Power Down功能，一方面降低系統(tǒng)功耗，另一方面減少高速信號(hào)的數(shù)字干擾。但由于DVI接口的HDCP功能在連接初期識(shí)別正常后，每2秒鐘要進(jìn)行一次相互認(rèn)證，以確保連接的始終是合格授權(quán)接收設(shè)備，這時(shí)TMDS解碼處理器就必須一直處于Power On狀態(tài)，此時(shí)將引起上面提到的兩點(diǎn)性能的惡化。如何處理這種矛盾，需要兼顧系統(tǒng)性能和接口標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性。另外，從接收設(shè)備實(shí)際使用的角度看，HDCP的上述認(rèn)證系統(tǒng)有一定的缺陷，使用中從DVI接口模式切換到其他接口模式，TMDS解碼處理器被Power Down，HDCP識(shí)別將終止，中斷信號(hào)傳輸，意味著本次連接結(jié)束，然后顯示設(shè)備重新切換進(jìn)入DVI接口模式，此時(shí)需要HDCP重新識(shí)別，則要求發(fā)送設(shè)備也要重新啟動(dòng)，增加了使用的復(fù)雜性。

在應(yīng)用研究中，針對(duì)HDCP在數(shù)字電視中的適應(yīng)性問(wèn)題，提出了兩種方案。

修改HDCP規(guī)范。一種方法是：取消2秒鐘一次的識(shí)別，即初次識(shí)別正常即可，為防止將數(shù)字信號(hào)輸出連接到其他非法設(shè)備上，此時(shí)可通過(guò)檢測(cè)HPD(熱插拔檢測(cè))判斷是否為授權(quán)設(shè)備，一旦檢測(cè)到HPD為低電平，認(rèn)為此時(shí)物理連接中斷，可馬上終止信號(hào)輸出。第二種是：接收器在Power Down時(shí)，向發(fā)送設(shè)備隨機(jī)傳送一組要求暫時(shí)終止傳輸?shù)奶厥饩幋a，當(dāng)接收器重新Power On時(shí)，再傳一次此特殊編碼，發(fā)送設(shè)備驗(yàn)證后即可重新開(kāi)始傳輸數(shù)字信號(hào)。以上作為以后修改規(guī)范時(shí)的建議提出。

芯片設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在芯片內(nèi)部將HDCP處理系統(tǒng)和TMDS解碼處理系統(tǒng)合理處理，解碼器Power Down時(shí)，HDCP也能正常工作。
DVI應(yīng)用于數(shù)字電視是提高電視清晰度的方法之一，只要方案設(shè)計(jì)合理，EDID和HDCP按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行開(kāi)發(fā)擴(kuò)展，那么DVI接口和數(shù)字電視的結(jié)合是可行和有效的。