DVI接口在数字电视中的应用研究

引言

    数字电视概念已逐步深入人心，现有的大多数数字电视接收机只能通过分量接口接收满足数字视频信号标准的模拟信号，这实际上仍然是一种模拟信号接口，只是视频信号符合数字电视视频信号标准(如ITU-R601、CEA/CEA-861-A/B等标准规定的数字视频抽样、量化、编码规范，满足数字电视的行频、场/帧频、同步、清晰度等要求)，所以此类电视如果要在系统中进行数字处理，则需在视频信号处理前增加A/D转换、Scale、De- interlace等功能电路，这会使信号质量有一定程度的降低，研究表明此类接口的清晰度很难真正达到高清数字电视的显示标准(水平清晰度大于720 线)。

    数字视频接口接收的是经过一定处理(压缩或不压缩)的数字信号，不论从信号质量还是后处理考虑，都有利于提高整个接收机系统的性能。DVI (Digital Visual Interface，数字视频接口)是目前广泛应用的一种数字视频接口，起初主要应用于PC行业。DVI支持单像素RGB的24bit数据，传输的数字信号没有经过压缩，单连接的传输速率可达4.9Gbps，对数据传输速率是1.78Gbps的1080i数字高清晰电视可达到较好的保真度，特别是在 LCD、DLP等显示设备中，不需要任何D/A转换和处理，减少了信号损失，可以应用到数字电视、平板电视等产品当中。

DVI概述及工作原理

    DVI是由DDWG(Digital Display working Group，数字显示工作组)发明的一种高速传输数字信号的技术，有DVI-D和DVI-I两种不同的接口形式。DVI-D只有数字接口，DVI-I有数字和模拟接口，目前应用主要以DVI-D为主。

    DVI是基于TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，转换最小差分信号)技术来传输数字信号，TMDS运用先进的编码算法把8bit数据(R、G、B中的每路基色信号)通过最小转换编码为10bit数据(包含行场同步信息、时钟信息、数据DE、纠错等)，经过DC平衡后，采用差分信号传输数据，它和LVDS、TTL相比有较好的电磁兼容性能，可以用低成本的专用电缆实现长距离、高质量的数字信号传输。TMDS技术的连接传输结构如图1所示。 
           
图1 TMDS连接传输结构

    DVI数字信号传输有单连接(Single Link)和双连接(Dual Link)两种方式，对于单连接，仅用图1所示的1/2、 9/10、17/18脚传输，它的传输速率可达4.9Gbps，双连接可达9.9Gbps。

DVI接口在数字电视中的应用

● 基本方案论证分析

    数字电视机为达到高清晰度显示要求，扫描一般采用1080i@60Hz格式(即隔行扫描，行频33.75kHz，场频60Hz，像素频率74.25MHz)，实际应用中为减少行频变换，所有的输入视频格式(如480P、576P、720P等)通过格式变换(Scale和De-interlace等)都统一转换为1080i@60Hz格式输出，即多频归一。本文讨论的DVI接口以上述数字电视标准为基础考虑应用，基本原理框图如图2所示。 
                                                  
图2 DVI接口原理框图

    由原理图看，数字电视增加DVI接口比较简单，从硬件电路考虑，一是在接口处增加DVI解码部分，二是在后端提供一个数据通道，如果电视原有方案中具有A/D转换和相应的后级数据处理通道，那么DVI接口解码输出的数据可以与它共用，因为在数字信号格式一定的情况下，其码率、行频、场频、时钟是一致的。

    在实际研究开发中，需要特别注意DVI解码输出数据信号、A/D转换输出数据信号的隔离和避免前端通道相互干扰。由于两组通道的共用，相当于延长了数字输出引脚的信号线长度，因此对于长距离的数字信号印制线，有必要在其特征阻抗处将其中断，以避免数字信号的过冲、欠冲和振铃，通常情况下在数据线上串联几十欧姆的电阻。同时对于输出驱动来说，需要最大限度地减小数字输出引脚的容性载荷，但是在信号布线阶段，一般不能精确计算容性负载，为方便系统调试，应考虑在数据信号线、行场同步信号线、时钟信号线到地并联电容，根据PCB材料、信号长度不同，电容值一般在几十pF即可，这样就可达到通道负载平衡、数据上升沿、下降沿和相位的一致，减少数字噪声干扰和抖动。

    数字电视DVI接口性能测试时，误码率指标应达到10-9，即10亿bit允许出现一个误码，因此在性能测试时必须保证一定的测试时间，如VGA@60Hz，25MHz时钟频率，测试时间应大于40s，那么1080i@60Hz、74.25MHz像素频率，测试时间应大于14s，同时可通过主观观察图像1分钟以上，无明显的像素噪声以判断接口性能的优劣。

    DVI接口中有+5V电压，热插拔检测(HPD)电压要求从此电压获取，HPD有效电平应大于2.4V，因此接收设备的HPD串联电阻一般应小于 10kΩ。应用中接收设备也可使用此电压，用于系统供电，但负载电流不应大于50mA，最好小于10mA，以保证HPD电平需要。为保证接口的正常启动，EDID存储器供电最好也由发送端+5V产生。

    为保证硬件电路设计的可行，还必须有软件的支撑。优化的软件流程是保证DVI接口系统正常工作的关键，DVI接口工作流程如图3所示。 

  
图3 DVI接口系统工作流程

    对于DVI接口在数字电视、平板电视上的应用研究，更为关键的是EDID(Extended Display Identification DATA，即扩展显示识别数据)编程，HDCP(High-bandwidth Digital Content Protection)功能的实现。这些对于数字电视来说都是全新应用，只有EDID和HDCP在数字电视上实现后，DVI接口才是真正的数字电视接口。[page]

● 数字电视DVI接口的EDID开发

    EDID是为PC显示器设置的优化显示格式数据规范，存储在显示器中专用的1Kb的EEROM存储器中(即EDID数据结构是128Byte)，DVI接口应用在数字电视上时，同样应该遵从此规范。

    PC主机和显示器通过DDC数据线访问存储器中数据，以确定显示器的显示属性(如分辨率、纵横比等)信息，在数字电视上，也应该用DVI接口的 DDC数据线访问EDID存储器，以确定数字电视的相关显示属性，关键是128Byte是PC显示器的标准，已不能满足数字电视视频标准的要求，因此需要对数据结构进行扩展，由于EDID标准并没有相应的规范，研究中按照EIA/CEA-861-B标准规范对EDID数据进行编程。 
   
图4 PC的EDID数据结构示意图

    DVI接口在数字电视中的EDID数据结构，与PC显示器的最大区别是编程数据可以是128Byte的倍数，它不仅规定数字电视显示的PC格式，也规定数字视频信号和数字音频信号，基本的128Byte以外的数据都是附加数据，在基本数据的第127个字节定义EDID的附加数据块数量。在EDID数据编程中，根据数字电视的显示属性要求，有两个关键环节必须注意：第一，如果数字电视的显示是固定格式，则在首选Timing Mode字节中必须选择相应的定义；第二，数字电视的标准显示属性应在第一段详细Timing Mode字节中完成数据编程。

    研究开发中，注意到DDC2B只能适用于DVI 1.0标准的EDID读取，因为它不能读取附加的128字节的数据。因此，对于应用DVI接口到数字电视中，因为有CEA的数据在附加数据块里，信号源必须满足E-DDC标准，才能读取EDID数据。

● 数字电视中DVI接口的HDCP研究

    HDCP(High-bandwidth Digital Content protection)系统是DVI接口中，在发送设备(即主机)和接收设备间保护数字信号正常合法传输，防止非法接收的一种加密系统，在这一系统中最多允许7层视频转发器和128台设备共享同一主DVI接口输出的数字信号，HDCP系统连接的拓扑结构如图5所示。 

                                   
图5 HDCP系统连接拓朴结构图

    HDCP主要有三个组成部分：第一部分是鉴定协议，确认接收者的合法性。发送方与接收方进行信息交换，接收方将KEY传给发送方，发送方验证并用此产生公共密钥，通过公共密钥作为均衡KEY混入授权证实序列中，用于加密内容的解密，授权确认完成；HDCP密钥一般有专门的EEPROM存储，目前多数整机产品可通过处理芯片内部EEPROM中预编程得到HDCP密钥，通过这种方式密钥保护可达到HDCP规范要求的高级别，出于保密原因，密钥不能从IC 里读出。第二，一旦确认，发送方将加密内容以双方都知道的解密方式传给接收方；第三，当非授权设备接收时，通过发送方的检测，将中断内容传送。

    HDCP具体工作过程：首先由主机发送密钥选择导引序列(AKSV)和64bit伪随机序列(An)到接收方，接收方回传密钥选择导引序列 (BKSV)和转发器位(REPEAT-bit)(如是转发器用以表示身份)，发送方确认BKSV是否已被废除和是否包含20个1和20个0；如果双方的设备密钥和KSV有效，则计算产生一个56bit的公共密钥Km和Km`，然后可产生KS、KS`(传输密钥)、M0、MO`(64bit后续验证用追加初始序列)、RO、R0`(16bit指示验证成功，它必须在AKSV发送后100ms内传回发送方；验证成功后R01和R0相等；每128帧修正一次，每2s回传一次)。因此当DVI接口中断传输2s以上，或是非授权设备接收时，主机将停止传输内容，以达到保护传输内容的目的。HDCP鉴定处理过程如图 6所示。 
                                       

图6 HDCP鉴定处理过程图

    HDCP功能对于数字电视有一定局限性。对于设计完善的功能电路，如果A/D转换器、TMDS解码处理器不工作时，一般都具备Power Down功能，一方面降低系统功耗，另一方面减少高速信号的数字干扰。但由于DVI接口的HDCP功能在连接初期识别正常后，每2秒钟要进行一次相互认证，以确保连接的始终是合格授权接收设备，这时TMDS解码处理器就必须一直处于Power On状态，此时将引起上面提到的两点性能的恶化。如何处理这种矛盾，需要兼顾系统性能和接口标准的适应性。另外，从接收设备实际使用的角度看，HDCP的上述认证系统有一定的缺陷，使用中从DVI接口模式切换到其他接口模式，TMDS解码处理器被Power Down，HDCP识别将终止，中断信号传输，意味着本次连接结束，然后显示设备重新切换进入DVI接口模式，此时需要HDCP重新识别，则要求发送设备也要重新启动，增加了使用的复杂性。

    在应用研究中，针对HDCP在数字电视中的适应性问题，提出了两种方案。

    修改HDCP规范。一种方法是：取消2秒钟一次的识别，即初次识别正常即可，为防止将数字信号输出连接到其他非法设备上，此时可通过检测HPD (热插拔检测)判断是否为授权设备，一旦检测到HPD为低电平，认为此时物理连接中断，可马上终止信号输出。第二种是：接收器在Power Down时，向发送设备随机传送一组要求暂时终止传输的特殊编码，当接收器重新Power On时，再传一次此特殊编码，发送设备验证后即可重新开始传输数字信号。以上作为以后修改规范时的建议提出。

    芯片设计时，考虑在芯片内部将HDCP处理系统和TMDS解码处理系统合理处理，解码器Power Down时，HDCP也能正常工作。
    DVI应用于数字电视是提高电视清晰度的方法之一，只要方案设计合理，EDID和HDCP按照相应标准规范进行开发扩展，那么DVI接口和数字电视的结合是可行和有效的。