LVDS/DVI/HDMI Interface

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數位視訊訊號

以SXGA為例，其時序如下： 

    垂直：

        水平：

        圖中DSPTMG為使能訊號，VSYNC為場同步訊號，HSYNC為行同步訊號。在行場的消隱期（T1與T7），DSPTMG為低電平，在此期間無有效視頻資料。

        注意一個重要參數：對於這個時序的SXGA點頻是108MHz

1066×1688×60=107.964480MHz

 

1 Open LVDS Display Interface（OpenLDI） 

        LVDS，即Low Voltage Differential Signaling，是一種低壓差分訊號技術介面，每一條通道輸出的都是一對差分訊號。它為克服以TTL電平方式傳輸寬頻高碼率資料時功耗大、EMI電磁幹擾大等缺點而研製的一種數位視訊訊號傳輸方式。LVDS是利用電壓差(典型值為350 mV)進行編碼資訊。

1．LVDS的電路組成

        LVDS發送器將驅動板主控晶片輸出的並行RGB資料訊號和控制訊號轉換成低電壓串列LVDS訊號，然後通過驅動板與液晶面板之間的柔性電纜（排線）將訊號傳送到液晶面板側的LVDS接收器，LVDS接收器再將串列訊號轉換為TTL電平的並行訊號，送往液晶屏時序控制與行列驅動電路。

圖1.1  LVDS介面電路的組成

2．採用LVDS規範傳輸資料的時序圖

圖1.2 18位單像素傳輸、非直流平衡模式

圖1.3 24位單像素傳輸、非直流平衡模式

        由圖1.2可以看出，非直流平衡模式18位單像素傳輸共用了4個通道（1個時鐘訊號、3個資料訊號），在一個刻度內傳送了21bit，資料訊號包括3×6位的RGB訊號、使能訊號DE、行場訊號。其中使能訊號DE很重要，實際上使能訊號為低電平時就是行場的消隱期，有些接收端可不接收行場控制訊號只接受使能訊號即可，也正是因此；1.3圖，非直流平衡24位單像素傳輸共用了5個通道，其中RES為預留位。

        LDI突破了TTL瓶頸，頻寬得到了提升。但隨著1080p的視頻訊號成為主流，8位顏色要求大約3Gbps的頻寬，這大大超過了4通道LVDS介面能力。所以LVDS有了雙像素傳輸模式。

圖1.4 24位雙像素傳輸、非直流平衡模式

        由圖1.4可以看出，非直流平衡模式24位雙像素傳輸共用了10個通道（2個時鐘訊號、8個資料訊號），在一個刻度內傳送了56bit，資料訊號包括6×8位的RGB訊號（兩個像素）、使能訊號DE、控制訊號CNTLF和CNTLE、行場控制訊號以及兩個預留位RES。與圖1.3相比，點頻降低了一半，也就是位寬是原來的2倍。IC對較寬資料位元處理時具有更大的採樣餘量，以及更大的電壓和溫度容限。此外，訊號頻率低，雜訊頻率也低，功耗也小。

        另外LVDS也可以工作在直流平衡模式，直流平衡位的目的是最大限度地減少訊號線的短期和長期的直流偏置。DCBAL是直流平衡位。

圖1.5 24位雙像素傳輸、直流平衡模式 

 

圖1.6直流平衡模式下24位雙像素傳輸的資料格式

 

2 DVI(Digital Video Interface)介面

1．DVI簡介

        DVI即數位視訊介面，是一種高速傳輸數字訊號的技術，DVI視頻傳輸避免了類比視頻訊號傳輸過程中發送端（一般為顯卡）的數模轉換和接收端（一般為LCD顯示器）的模數轉換過程，同時也避免了類比訊號傳輸過程中的雜訊幹擾的問題，因此映像無損失。

        DVI介面在傳輸數字訊號時又分為單鏈路(Single Link)和雙鏈路(Dual Link)兩種方式。根據DVI標準，一條TMDS通道可以達到165MHz的工作頻率和10-bit介面，也就是可以提供1.65Gbps的頻寬，即每秒可傳送1.65億點像素。

        單鏈路DVI介面的傳輸速率只有雙鏈路的一半，最大的解析度和重新整理率只能支援到1920x1200,60hz。至於雙鏈路的DVI介面，支援到2560x1600，60Hz模式，也可以支援1920x1080，120Hz的模式。液晶顯示器要達到3D效果必須擁有120Hz的重新整理率，所以3D方案中，使用DVI的話，必須要使用雙串連的DVI介面的DVI線。總的來說，如果是1920x1200內的解析度，單雙串連兩者輸出的畫質是一樣的。

        對於單鏈路的DVI介面，共有4個通道，通道0-2對應RGB三個分量，行場同步訊號及一些可選的控制訊號分別分配在在這三個通道上，第4個通道為時鐘通道。DVI的核心技術是TMDS（Transition Minimization Differential Signal）技術，這裡以8bit的R分量的傳輸為例簡單做一個簡單說明：並行的8bit的R分量傳輸時需要轉化為串列資料，為了可靠傳輸，不能簡單地進行了並轉串，而是以TMDS編碼演算法進行並轉串，TMDS演算法使轉換後的串列訊號的變換最小（Transition Minimization）以及串列碼流直流分量的平衡（DC Balancing）。串列訊號是以差分形式傳輸的（Differential Signal）。在接收端，通過TMDS接收器可以解碼出R、G、B、Hs、Vs、PixelClock等訊號。

 

圖2.3 單鏈路DVI介面

2. TMDS協議

圖2.4 TMDS串連結構

        資料流中包含了像素和控制資料。DE有效期間，成為像素資料有效期間，就是說這段時間發送的是有效像素資料。DE無效期間，成為發送空間隙期間，這段時間發送的資料不包括有效像素資料，僅僅是控制訊號。

        發送端有3個一模一樣的編碼器，每個編碼器的輸入是2個控制訊號和8bit的像素資料。依照DE的狀態，編碼器將按照兩個控制訊號的狀態或8bit像素資料產生10bit的TMDS字元。每個解碼器輸出是一個連續的串列TMDS字元流。

        TMDS資料通道傳送的是一個連續的10bit TMDS字元流，在空期間，傳送4個有顯著特徵的字元，它們直接對應編碼器的2個控制訊號的4個可能的狀態。在資料有效期間，10bit的字元包含8bit的像素資料，編碼的字元提供近似的DC平衡，並最少化資料流的跳變次數，對有效像素資料的編碼處理可以認為有兩個階段：第一個階段是依據輸入的8bit像素資料產生跳變最少的9bit代碼字；第二階段是產生一個10bit的代碼字，表示是否對輸入代碼進行反轉。最終的TMDS字元，將維持發送字元總體的DC平衡。

3. 單/雙鏈路TMDS

圖2.5 單鏈路TMDS通道映射

圖2.6 雙鏈路TMDS通道映射

        無論是單鏈路還是雙鏈路TMDS都是先將輸入訊號在發送端編碼器編碼，然後把並行資料轉換為串列資料，由資料通道發送至接收端恢複為並行資料，最後進行解碼。

單鏈路TMDS發送器由三個相同的編碼器組成，2.5，2個控制訊號和8bit像素資料對應到每個編碼器，除了行同步HS和場同步VS外，其它控制訊號的作用並沒有定義，在發送器的輸入端，控制訊號CTL1、CLT2、CTL3必須保持邏輯低電平，推薦CTL0也保持邏輯低電平。

        雙鏈路發送器增加了三個資料通道，2.6，雙鏈路配置在第一個鏈路上發送每行的奇像素，在第二個鏈路上發送每行的偶像素，每一行的第一個像素是奇數像素，即為像素1。

 

 

3 HDMI 介面(High Definition Multimedia Interface)

        HDMI即高清晰度多媒體介面，源於DVI介面，同樣以TMDS訊號傳輸技術為核心，這也就是為何HDMI介面和DVI介面能夠通過轉接頭相互轉換的原因。HDMI是一種數字化視頻/音頻介面技術，是適合影像傳輸的專用型數字化介面，其可同時傳送音頻和影音訊號，最高資料轉送速度為5Gbps。同時無需在訊號傳送前進行數/模或者模/數轉換。HDMI可搭配寬頻數字內容保護（HDCP）（DVI也支援該協議），以防止具有著作權的影音內容遭到未經授權的複製。HDMI所具備的額外空間可應用在日後升級的音視頻格式中。而因為一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻訊號需求少於4Gbps，因此HDMI還有很大庾量。這允許它可以用一個電纜分別串連DVD播放器，接收器。

圖3.1  HDCP是一種雙向內容保護機制

 

1 HDMI原理

        一般情況下，HDMI串連由一對訊號源和接受器組成，有時候一個系統中也可以包含多個HDMI輸入或者輸出裝置。每個HDMI訊號輸入介面都可以依據標準接收連接器的資訊，同樣訊號輸出介面也會攜帶所有的訊號資訊。HDMI資料線和接收器包括三個不同的TMDS資料資訊通道和一個時鐘通道，這些通道可使用視訊、音頻資料和附加資訊，視頻、音頻資料和附加資訊通過三個通道傳送到接收器上，而視頻的像素時鐘則通過TMDS時鐘通道傳送，接收器接受這個頻率參數之後，再還原另外三個資料資訊通道傳遞過來的資訊。

        HDMI輸入的源編碼格式包括視頻像素資料、控制資料和資料包。其中資料包中包含有音頻資料和輔助資訊資料，同時HDMI為了獲得聲音資料和控制資料的高可靠性，資料包中還包括一個BCH錯誤校正碼。HDMI的資料資訊的處理可以有多種不同的方式，但最終都是在每一個TMDS通道中包含2位的控制資料、8位的視頻資料和4位的資料包。HDMI的資料轉送過程可以分成三個部分：視頻資料轉送期、資料包傳輸期和控制資料轉送期。

圖3.2 HDMI資料轉送

 

圖3.3 HDMI對資料的編碼

        視頻資料轉送期，HDMI資料線上傳送視頻像素訊號，視頻訊號經過編碼，產生3路（即3個TMDS資料資訊通道，每路8位RGB）共24位的視頻資料流，輸入到HDMI發射器中。24位像素的視頻訊號通過TMDS通道傳輸，將每通道8位的訊號編碼轉換為10位，在每個10位像素刻度傳送一個最小化的訊號序列，視頻訊號被調製為TMDS資料訊號傳送出去，最後到接受器中接收。

        資料包傳輸期，TMDS通道上將出現音頻資料和輔助資料，這些資料每4位被一組，構成一個上面提到的4位元據包，資料包和視頻資料一樣，被調製為10位一組的的TMDS訊號後發出。視頻資料轉送期和資料包傳輸期均開始於一個Guard Band保護頻帶，Guard Band由2個特殊的字元組成，這樣設計的目的在於在明確限定控制資料轉送期之後的跳轉是視頻資料轉送期。

        控制資料轉送期，在上面任意兩個資料轉送周期之間，每一個TMDS通道包含2位的控制資料，這一共6位的控制資料分別為HSYNC（行同步）、VSYNC（場同步）、CTL0、CTL1、CTL2和CTL3。每個TMDS通道包含2位的控制資料，採用從2位到10位的的編碼方法，在每個控制周期最後的階段，CTL0、CTL1、CTL2和CTL3組成的檔案頭，說明下一個周期是視頻資料轉送期還是資料包傳輸期。

圖3.4  CTL0、CTL1、CTL2和CTL3組成的檔案頭

        資料包和控制資料的傳輸是在視頻資料轉送的消隱期，這意味著在傳輸音頻資料和其他輔助資料的時候，並不會佔據視頻資料轉送的頻寬，並且也不要一個單獨的通道來傳輸音頻資料和其他輔助資料。這也就是為什麼相比DVI，HDMI可以同時傳輸視頻訊號和音頻訊號的原因。