HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒體接口)是一種全數(shù)字化視頻和音頻傳輸接口，可以傳輸未壓縮的音頻及視頻信號(hào)。HDMI向下兼容DVI(數(shù)字視頻接口，只能用來(lái)傳輸視頻，而不能同時(shí)傳輸音頻)。DVI 和HDMI 接口協(xié)議在物理層均使用TMDS 標(biāo)準(zhǔn)傳輸數(shù)據(jù)。

雖然本文案例是直接通過(guò)FPGA控制ADV7513芯片實(shí)現(xiàn)HDMI音視頻輸出，不需要用RTL去實(shí)現(xiàn)TMDS算法，但是TMDS是HDMI技術(shù)的基礎(chǔ)，了解TMDS算法和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序有助于用戶更好的理解和控制ADV7513器件。

1 了解TMDS

TMDS(Transition Minimized Differential Signaling最小化傳輸差分信號(hào)) 是由Silicon Image公司開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，目的是減少信號(hào)跳變(從而降低電磁干擾)，實(shí)現(xiàn)直流平衡，以及抗干擾傳輸。

TMDS傳輸系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：發(fā)送端(Source)和接收端(Sink)。HDMI的數(shù)據(jù)傳輸擁有三個(gè)TMDS通道，每個(gè)通道的傳輸信號(hào)如下：

HDMI通過(guò)時(shí)分復(fù)用技術(shù)，在視頻信號(hào)的消隱期內(nèi)將音頻和輔助數(shù)據(jù)打包插入，與視頻數(shù)據(jù)一起通過(guò)TMDS通道傳輸。HDMI的某一幀的數(shù)據(jù)傳輸參考圖如下：

可見(jiàn)HDMI的數(shù)據(jù)傳輸分三個(gè)傳輸階段(控制期、數(shù)據(jù)島期、視頻數(shù)據(jù)期)，每個(gè)階段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)如下：

視頻數(shù)據(jù)期(Video Data Period)：這是最主要的階段，用于傳輸有效的像素?cái)?shù)據(jù)。TMDS通道2傳輸B(藍(lán)色)分量數(shù)據(jù)，TMDS通道1傳輸G(綠色)分量數(shù)據(jù)，TMDS通道0傳輸R(紅色)分量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)島期(Data Island Period)：發(fā)生在行消隱期(HBlank)和場(chǎng)消隱期(VBlank)內(nèi)，但避開(kāi)最開(kāi)始的控制期。用于傳輸音頻數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，還包括HSYNC行同步和VSYNC場(chǎng)同步信號(hào)。

控制期(Control Period)：發(fā)生在行消隱期(HBlank) 和場(chǎng)消隱期(VBlank) 的開(kāi)始部分。傳輸2位的同步控制信號(hào)(HSYNC行同步和VSYNC場(chǎng)同步)和前導(dǎo)碼(Preamble)。

總結(jié)HDMI的TMDS數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程： TMDS發(fā)送端收到控制器(FPGA)傳來(lái)的視頻/音頻/控制數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和并/串轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)分別分配到獨(dú)立的傳輸通道發(fā)送出去。接收端(顯示器)接收來(lái)自發(fā)送端的串行信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行解碼和串/并轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送到顯示器的控制端。與此同時(shí)也接收時(shí)鐘信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)同步。

下面通過(guò)對(duì)比單端傳輸和差分傳輸?shù)牟煌瑏?lái)幫助讀者理解TMDS為何采用差分方式傳輸信號(hào)。

單端傳輸：用一根信號(hào)線對(duì)GND的電壓值來(lái)表示邏輯"0"和"1";

差分傳輸：用兩根信號(hào)線來(lái)傳輸一路信號(hào)，兩根信號(hào)線上傳輸?shù)男盘?hào)幅值相等，相位差為180°(極性相反)，用它們的差值來(lái)表示邏輯"0"和"1"。

差分傳輸有利于消除共模干擾(差分傳輸?shù)膬筛€通常布在一起，當(dāng)其中一方受干擾時(shí)，另一方也受到同樣的干擾。這樣，在采樣時(shí)能夠相互抵消，從而減小干擾，增強(qiáng)抗干擾能力)。

2 HDMI 接口定義

HDMI自問(wèn)世以來(lái)，為了適應(yīng)不同設(shè)備的需求，發(fā)展出了幾種物理接口類(lèi)型。同時(shí)，所有類(lèi)型的HDMI接口都基于相同的核心信號(hào)定義(TMDS通道等19個(gè)引腳)，只是物理尺寸和針腳排列不同，最常見(jiàn)的是Type A(標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口)引腳排列和定義如下：

注：

1. 每個(gè)TMDS數(shù)據(jù)對(duì)(正、負(fù))和時(shí)鐘對(duì)都有自己的專(zhuān)用屏蔽線(Pin 2, 5, 8, 11)，這對(duì)于保證高速信號(hào)傳輸?shù)耐暾院蜏p少干擾至關(guān)重要。

2. EDID (Extended Display Identification Data 即擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù)): 源設(shè)備通過(guò)DDC通道(Pin 15-SCL, Pin 16-SDA)讀取顯示器/電視的分辨率、刷新率、音頻支持等信息，從而正確地設(shè)置視頻輸出參數(shù)。

3. HDCP(High-bandwidth Digital Content Protection，即高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)協(xié)議)：HDCP是一種由Intel開(kāi)發(fā)的數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)，主要用于保護(hù)數(shù)字音頻和視頻內(nèi)容在傳輸過(guò)程中的安全，防止未經(jīng)許可的復(fù)制或非法錄制。HDCP的工作原理是通過(guò)加密傳輸信號(hào)，確保只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的接收設(shè)備才能解密并顯示內(nèi)容。在HDCP協(xié)議中，EDID扮演著關(guān)鍵角色。源設(shè)備會(huì)檢查接收設(shè)備的EDID以確認(rèn)其是否支持HDCP，如果發(fā)現(xiàn)不兼容或無(wú)效的EDID，源設(shè)備將不會(huì)發(fā)送加密內(nèi)容，從而保護(hù)了內(nèi)容的版權(quán)。

3 DE10-Nano的HDMI電路

DE10-Nano 的 HDMI 局部特細(xì)圖：

開(kāi)發(fā)板通過(guò)Analog Devices的ADV7513為用戶提供高性能HDMI發(fā)射器，其支持HDMI v1.4功能(包括支持3D視頻，支持分辨率最高達(dá)1080p和UXGA，像素時(shí)鐘高達(dá)165MHz等)。ADV7513通過(guò)串行I2C總線接口進(jìn)行控制，該接口連接到Cyclone V SoC FPGA上的引腳。電路原理圖如下所示。

有關(guān)ADV7513 HDMI TX的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)制造商網(wǎng)站或在DE10-Nano 資料壓縮包(System CD)的DatasheetHDMI文件夾中查看。

ADV7513 與FPGA之間的引腳連接如下：

下表列出了HDMI接口引腳分配和信號(hào)名稱(chēng)：