HDMI、SDI转换器详细设计
摘要
SDI接⼝是数字串⾏接⼝(serial digital inteace)的⾸字母缩写。串⾏接⼝是把数据字的各个⽐特以及相应的数据通过单⼀通道顺序传送的接⼝。由于串⾏数字信号的数据率很⾼，在传送前必须经过处理。 HD-SDI是由⽀持普通标清节⽬格式的SDI接⼝发展⽽来，它主要⽀持1080i,720p分辨率的⼀般⾼清分辨率数字节⽬的传输，在此发展基础上还有⽀持全⾼清即1080p分辨率视频传输的3G-SDI。相⽐于⼀般的视频传输接⼝,HD-SDI虽然也具有⽀持格式偏少和⽀持⾊空间偏⼩的⼀些缺点，由于全程为串⾏传输，具有极其良好的抗⼲扰性，特别适合于数字节⽬的长距离传输。HD-SDI的上下游设备连接采⽤⼴播式的传输⽅式，不设置握⼿对话信号，下游设备完全受源端主导。 HD-SDI侧重长距离传输,HDMI更侧重普遍适⽤以及节⽬播放。设计开发两者的相互转换不单是设计开发两者的区别和联系，更可以在侧重传输性的⾼清接⼝和侧重播放性的⾼清接⼝之间建⽴起⼀种联系，具有更⼤的社会意义。 HDMI为正式商标⾼清晰度多媒体接⼝（英语：High Definition Multimedia Interface，简称HDMI）是⼀
种全数字化图像和声⾳传送接⼝，可以传送⽆压缩的⾳频信号及视频信号。HDMI可⽤于机顶盒、DVD播放机、个⼈电脑、电视游乐器、综合扩⼤机、数字⾳响与电视机。HDMI可以同时传送⾳频和影⾳信号，由于⾳频和视频信号采⽤同⼀条电缆，⼤⼤简化了系统的安装。HDMI也成为了家⽤⾼质量消费电⼦产品中代表性接⼝。 本设计主要⽬的是⾼清数字SDI、HDMI转换器的软硬件设计做详细描述，作为SDI、HDM转换器产品开发的依据。
关键词:HD-SDI,HDMI,⾼清数字信号，视频接⼝转换
⽬录
HDMI、SDI转换器详细设计 (1)
第⼀章概述 (4)
1.1 项⽬背景及意义 (4)
1.2 产品设计内容 (5)
1.2.1产品预期主要功能特点 (5)
1.2.2项⽬设计开发基础 (6)
1.2.3 HD-SDI的优势 (6)
1.3设计⽅案 (7)
第⼆章EDID,HDCP以及的辅助数据的处理 (9)
2.1 EDID部分的设计开发 (9)
2.1.1 EDID简介 (9)
2.1.2 EDID数据结构介绍 (10)
2.1.3 EDID分析 (15)
2.2 辅助数据部分的设计开发 (16)
2.2.1 辅助视频信息的设计开发 (16)
2.2.2 辅助⾳频信息的设计开发 (19)
2.3 HDCP部分的设计开发 (20)
2.3.1 HDCP背景说明 (20)
2.3.2 HDCP在HDMI接收端和发送端的处理⽅法 (21)
第三章HDMI到HD-SDI转换系统的主控软件结构 (24)
3.1 MCU的配置 (24)
3.1.1 MCU的初始化 (24)
3.1.2 MCU对于通信接⼝的配置 (25)
3.2 HDMI接收芯⽚的SIL9135的驱动控制 (27)
3.2.1 SIL9135的初始化 (27)
3.2.2 SIL9135的视频接收 (27)
3.2.3 SIL9135的视频配置 (29)
3.2.4 SIL9135的⾳频配置 (30)
3.3 HD-SDI发送芯⽚GS2972的初始化和配置 (32)
3.4 HDMI到HD-SDI转换系统主控软件异常⼯作的检查排除 (33)第四章HD-SDI到HDMI转换系统的主控软件结构 (34)
4.1 GS2971的初始化和配置 (34)
4.2 SIL9134的驱动控制 (35)
4.2.1 SIL9134的初始化 (35)
4.2.2 SIL9134对下游设备的识别 (36)
4.2.3 SIL9134对视频的配置 (37)
4.2.4 SIL9134对⾳频的配置 (39)
4.3 HD-SDI到HDMI转换系统的主控软件异常检测和排除 (41)第五章硬件设计 (42)
5.1 芯⽚选型 (42)
5.2. 实际转换器中所采⽤的设计⽅案 (44)
5.4 转换器硬件原理图 (44)
5.4.1. 设计中使⽤的硬件开发环境 (44)
5.4.2 电源系统设计 (45)
5.4.3. 系统复位设计 (50)
5.4.4 HDMI接⼝设计 (52)
5.4.5. ESD部分设计 (54)
5.4.
6. HOTPLUG部分设计 (55)
5.4.7. TMDS差分线处理 (56)
5.4.8. SDI接⼝设计 (58)
第六章硬件PCB图设计 (58)
6.1. ⾼速PCB设计中的常见问题及解决⽅案 (58)
6.1.1. 集总系统与分布系统 (59)
6.1.2. 信号上升时间问题 (59)
6.1.3. 地弹问题 (61)
6.1.4. 反射与振铃现象 (62)
6.1.5. 印刷电路板中的镜像平⾯ (64)
6.1.6. 串扰问题 (65)
6.1.
7. 滤波电容的布局问题 (66)
6.2. HDMI接⼝相关器件的布局布线 (67)
6.3. SDI接⼝相关器件的布局布线 (68)
6.4. EIA-CEA-861格式并⾏信号的布线 (70)
第⼀章概述
1.1 项⽬背景及意义
数字视频在这个时代的发展⼗分迅速,⽇新⽉异，随着⼤屏幕电视和投影仪的普及，以DVD为主要标准的视频分辨率已经逐渐难以满⾜⼈们的需要，针对于此,⾼清数字视频的制作标准和传输标准也在逐步发展完善。根据⾼清视频标准，只有视频每⼀帧⾏数达到720P 或1080i的视频信号才可以称之为⾼清数字视频。⾼清数字视频标准要求视频每个像素⾊深达到24位，即RGB三原⾊每个⾄少要达到8bit量化精度。⾼像素以及⾼量化精度使得⾼清数字视频的传输成为不可回避的问题。针对⾼清视频，诞⽣了许多适合传输的接⼝标准，如传输模拟信号的VGA接⼝,⾊差分量接⼝，传输数字信号的DVI接⼝,HDMI接⼝,Displayport 接⼝,SDI接⼝。接⼝的多样化使得单独的⼀个监视屏幕很难拥有所有的视频接⼝来兼容不同的信号源，由此,⾼清视频的接⼝转换便成为了⼀个需要解决的问题。在⼴播电视节⽬的录制过程中,⾼清视频主要以SDI接⼝从摄像机进⾏传输,SDI接⼝⼗分适合视频节⽬的传输，但普通的监视设备⼀般很少备有这样的⾼清SDI接⼝，如果使⽤这样的专⽤监视设备，不仅成本⾼昂，还要根据需要不断的进⾏更换，费时费⼒，更不可能达到⼀台监视器在各种情况下监测的效果，为此，根据
实际情况，设计实现⼀个⼩巧轻便的SDI视频接⼝转换器不仅具有⼀定的设计开发意义，更具有很强的社会实⽤意义。
⽬前数字⾼清视频发展环境下，以DVI接⼝，以及由它发展⽽来的HDMI接⼝这⼀系列的数字视频接⼝成为了普通监视器兼容的主要接⼝。例如，现代电脑的显卡通常会设计DVI接⼝输出,⼤屏幕液晶显⽰器，投影仪都会兼容DVI接⼝,⽽做为DVI升级版本的HDMI接⼝更是成为了⼤屏幕液晶电视的必备接⼝,HDMI作为极少数在传输视频的同时还兼容⾼⽐特率多声道⾳频信号的标准,⼰经⼴泛使⽤在⼀般消费电⼦市场，笔记本电脑,⾼清游戏机,⾼清蓝光播放器,⾼清硬盘播放器均使⽤了HDMI接⼝作为⾃⼰产品的主要对外输出接⼝，以现在的发展来看,HDMI将作为未来消费性数字视频产品的最主要的接⼝标准。⽽且,HDMI标准完全向下兼容DVI标准。也就是说,⼆者除了接⼝的物理外形有所差异之外，兼容了HDMI标准的设备只需要换⼀个物理接⼝便可直接做成⽀持DVI接⼝的设备。HDMI接⼝标准在具有⼴⼀泛的接⼝通⽤性的同时，也具备了⼀个和SDI接⼝标准相似的优点，那就是，在完全⽀持⾏数为1080p的HD标准数字视频的同时，也⽀持多达8声道,⾼⽐特率⾳频信号的传输。⾼清数字视频节⽬的声⾳信号也是通过SDI接⼝进⾏传输，因此,⾼清数字视频节⽬通过⽀持HDMI 标准的监视器进⾏同步监视的时候，既可以监视图像，也同时可以监视节⽬中的声⾳在实际应⽤设备的表现，可以达到⼀举两得的效果。
同时,HDMI作为⼀个短距离效果良好的多媒体传输接⼝，具有⼗分好的传输效果以及实⽤性，已成为
未来发展的主流，未来很多拍摄系统将⽀持实时的HDMI接⼝系统给对外传输,⽅便监视,⽽SDI信号因为在传输⾼清视频节⽬过程所需要的开销较⼤，成本较⾼,⼀般的监视系统对其⽀持度并不好，所以⼀些⾼质量的低成本拍摄慢慢就会放弃⽀持HD-SDI，转⽤HDMI接⼝对外传输，这样的话,HDMI接⼝转接成HD-SDI接⼝的设计在未来也将成为⼀个必需的发展趋势。我们以现阶段的社会实际需求来设计开发设计⾼清节⽬的HD-SDI接⼝到HDMI 接⼝的转换，从设计视频节⽬转换系统的整体性背景下考虑，我们不但设计HD-SDI到HDMI 的转换，也必须设计HDMI到HD-SDI的转换，这样也⽅便于未来的数字视频处理⽅⾯的设计开发⼯作和实际设计⼯作。
⽐起传统的⾼清数字节⽬的HD-SDI接⼝到DVI接⼝之间的转换,HD-SDI接⼝和HDMI接
⼝的相互转换系统优点更多,⾸先,HDMI接⼝⽀持⾼达1080p分辨率的全⾼清数字节⽬,⽽DVI接⼝只能⽀持到1080i的标准⾼清信号。在HD-SDI的发展过程中，已经出现了⽀持全⾼清IO80p分辨率的3G-SDI接⼝，这样的信号速度在普通的HD-SDI接⼝转换到DVI接⼝的视频转换系统中是不能接受并达到⽆损转换的,⽽我们要需要设计的HD-SDI和HDMI接⼝则需要满⾜这种解析度视频的⽆损实时转换。其次,HDMI接⼝⽀持⾼达8声道720KHz采样的⾼清⾳频传输,⽽DVI根本不⽀持⾳频信号的传输，这⼀点决定了DVI接⼝只能是⼀个监视设备上的使⽤的接⼝,⽽不能成为真正意义上的播放数字视频节⽬设备接⼝，在HD-SDI标准和3G-SDI标准中，要求传输数字节⽬的⾼清SDI传输接⼝⽀持到8声道的⾼清数字⾳频信号。
在HD-SDI和DVI信号的过程中,⾳频信号的传输将被舍弃,⽽HD-SDI和HDMI接⼝的转换系统则可以完美的实现两者在⾳频信号的转换。再次,DVI接⼝仅数字视频信号以RGB的形式进⾏传输,⽽HD-SDI接⼝要求传输的数字节⽬是YCrCb4:2:2形式的，在接⼝转换的时候，必须对数字视频格式进⾏⼀次转换，不但对实时性有⼀定影响，对数字视频的⽆损性保障也下降了。⽽HDMI接⼝⽀持YCrCb传输，在接⼝转换过程中不必对数字视频信号进⾏转换。综上,HDMI是DVI接⼝的发展,HDMI可以完全兼容并⽀持DVI设备，两者在设计上的差异仅仅在于硬件⽅⾯的接⼝外型，在设计HD-SDI和HDMI相互转换系统时，完全可以将兼容DVI接⼝的设计考虑进去，在实际⽣产使⽤的使⽤，仅仅需要更换⼀下硬件PCB中的接头,⽽不需要去考虑⽅案的更换，软件部分的重新编写。以上众多的优点充分说明了在当前发展的前提下，设计HD-SDI和HDMI接⼝双向转换系统的意义远⼤于设计开发DVI接⼝的转换。
1.2 产品设计内容
1.2.1产品预期主要功能特点
1. ⽀持HD-SDI 和3G-SDI
2. ⽀持全⾼清1080P@60Hz
3. 分辨率⾃动识别
4. ⼀路SDI环回输出
5. ⾳频和图像同步输出
6. 安装简单⽅便
规格参数：
1. 型号：待定
2. 视频输⼊信号：⾼清数字分量串⾏接⼝(HD-SDI和3G-SDI)信号
3. 视频输出信号：⼀路HD-SDI输出(环回输出)，⼀路HDMI信号输出(1080P@60H z)
4. 输⼊⾳频信号：SDI内嵌
5. 最⼤⼯作电流：500mA
6. 电源适配器规格：交流输⼊(50HZ, 60HZ) 100V-240V；输出: DC 12V/1
7. ⼯作温度：(-15 to +55℃)
8. ⼯作湿度：5 to 90%RH (⽆冷凝)
9. 以定型产品尺⼨为准
10. 重量：以实际重量为准
连接与操作：
1. 将带SDI接⼝输出的信号源连接到此设备的SDI接⼝输⼊端。
2. 通过⼀根HDMI线，把转换器输出⼝与终端显⽰设备连接。
3. 把DC 5V/1A的电源与转换器连接起来。
1.2.2项⽬设计开发基础
本次项⽬设计开发的基础在于⾼清数字视频的基础知识，以及两个⾼清数字节⽬传输接⼝的相关规范。⾼清数字视频与⼀般标准清晰度数字视频的最⼤差别就在于两者之间的单位时间传输的数据量差距巨⼤，以⾄于⾼清数字视频不可能⽤从前简单的AV 线来进⾏传输，为了满⾜⾼清数字视频的合适传输，各种各样的⾼清数字接⼝便应运诞⽣。⾼清数字接⼝的诞⽣和发展必然导致各种接⼝标准的规范
的不统⼀，接⼝转换的问题也就由此引出。HD-SDI作为标准SDI接⼝的发展，具备标准SDI接⼝简单，易于长距离传输的优点，但其较⾼的造价,HD-SDI规范对传输信号要求的过于严格也导致了它在普通的社会消费电⼦⾏业中并没有普及开来,⽽HDMI⾼清多媒体接⼝作为新兴的发展⽅向，具有⾼数据量，多种兼容视频格式，多种⾳频兼容格式的优点，已经成为家庭消费电⼦⾏业产品中必备的接⼝，也正在取代传统的DVI接⼝和VGA接⼝成为视频⼯业中监测设备的主要接⼝，具有⼴泛的社会应⽤和未来发展前景，但是它因为接⼝中并⾏线路过多，数据传输的同步机制相对复杂,⽆法满⾜长距离传输的要求,⽽且传输距离越长，所需的线路材料成本就越⾼，所以在长距离传输的功能需求上,HDMI⽆法代替现有的传统HD-SDI接⼝。本次项⽬设计开发实现的基础就是要严格按照两种视频接⼝规范中约束的设计需求和特点，设计开发出同时能完整的实现两种接⼝所有功能特点的接⼝转换器。
1.2.3 HD-SDI的优势
在数字视频中，为了便于数字信号的远距离传输，将并⾏数据转换成串⾏数据，经电缆驱动器通过电缆传输给接收端。SDI就是这种串⾏数据接⼝的简称。⾼清标准HD-SDI对应速率是1.485Gb/s。在安防⾏业中使⽤的HD-SDI摄像机的主流分辨率为720P(1280x720) /1080P(1920x1080)。
从结构上看数字摄像机其信号结构最简单，虽然数字摄像机不⽤编码，但仍需要进⾏SDI调制及加扰等处理，所以也需要SDI 调制芯⽚，再加上⽬前规模较⼩，所以数字摄像机⽬前价格较⾼。
画质好
由于是⽆压缩传输数字信号，视频不失真，图像完整性⾼，清晰度⾼，⾊彩还原度好。由于能提供更多的细节，所以可以作为智能分析的⾼清视频源，为提⾼智能分析的准确度提供了保障。
⽆延时，不丢帧
转接口准确地说是延时少，相对于⽹络监控系统，HD-SDI可控制在40ms以内。⽽⽹络监控系统⼀般在标称延时控制在500ms以内，⽽实际在经过各种不同的⽹络环境及处理瓶颈，往往延时会更⼤⼀些，且也会出现丢帧及马赛克现象。⽽HD-SDI不存在丢帧、马赛克现象，延时⼩在实际应⽤中可实现更⽅便快速准确的画⾯操控。
项⽬实施可平滑过渡
⽹络监控系统在项⽬实施及后期维护中需要投⼊更多的技术培训，另外前端摄像机需要
与⼯作平台做对接开发，消耗⼤量⼈⼒。HD-SDI接⼝与传统摄像机⽆异可直接开⼯，平滑过渡。
HD-SDI⾯临的问题
⾸先是传输距离短：HD-SDI传输的是⾼频的调制信号，⾼频信号对线材屏蔽要求很⾼，所以使⽤同轴电缆传输理论上可以到100⽶，但是前提是线材质量要好，接头焊接良好。如使⽤不好的线材或旧系统延⽤下来的线材，因为接头氧化及线材⽼化问题实际传输距离也不能达到100⽶，有的只能到30-50⽶左右。也有部分⼚家针对HD-SDI传输在做技术改进，争取达到200～300⽶，但是这样也会存在兼容性；相关配套设备不全(规模⼩)，全套解决⽅案少，⼤型系统构建时成本⾼：⾼清只有在包含了前端、传输、浏览、显⽰、平台、存储等整体解决⽅案时才有意义，然⽽⽬前配套的设备规模⼩，全套HD-SDI成本昂贵，且各⼚商的产品因未趋于成熟⽽质量良莠不齐；⽆压缩⾯临的存储问题：HD-SDI标准在模数转换后的数据量为1.48Gbps，正常存储将带来惊⼈的存储容量及存储成本，因此在后端存储还是需要进⾏压缩编码。⽬前嵌⼊式 HD-SDI DVR 由于芯⽚编码能⼒的限制(⽬前只能做到单芯⽚单路1080P编码能⼒)，所以现在的HD-SDI DVR设备和HD-SDI 编码设备⼀般都在4路以下，⽽且价格⽐模拟类的产品要贵不少；扩展性不好：要完全实现HD-SDI⾼清、⽆延时的现场效果，前端到后端的连接必须是物理连接，就是说线缆(同轴线/光纤)必须连接到当地。⽽⽹络监控系统的连接是属于逻辑连接，只需要考虑前端接⼊，后端显⽰控制可利⽤⽹络在任何区域实现，不需连接专线。
1.3设计⽅案
项⽬设计开发的内容主要分为两部分，第⼀部分是关于HD-SDI接⼝和HDMI接⼝的接收和发送规范，第⼆部分是整个双向转换系统的设计和实现。第⼀部分设计开发接⼝规范的内容:HD-SDI接⼝的规范
设计开发内容主要为HD-SDI⽀持的视频传输格式，包括物理层⾯上信息的传输表达形式，数据的⾏场同步提取⽅式,⾳频及辅助信息的传输⽅式以及如何提取，如何添加，这些设计开发的⽅式主要是通过设计HD-SDI的接⼝监视设备来完成,⾸先应该设计出完整的HD-SDI数据接收器，使之能够接受⾼清视频源发送的HD-SDI信号并可以完整⽆损的播放。然后需要设计⼀个HD-SDI的⾼清视⾳频源设备，设计开发发送HD-SDI信号的必备的软硬件实现条件，发送满⾜规范的HD-SDI⾼清数字视频信号，如能保证接收到的⾼清视⾳频信号清晰⽆误，则可认为HD-SDI的接收发送设计都正常可实现。⽽HDMI接⼝需要设计开发的东西⽐较HD-SDI接⼝相对复杂,HDMI除了接受和发送数据相对并⾏之外，还要考虑加⼊EDID,HDCP等⽅⾯的准备，由于HDMI输⼊单对单的传输信号，因此其中涉及到关于握⼿信号HOTPHIG信号，信号源及下游端的对话信息EDID信息，信号源与下游端的验证信息HDCP码字等。HDMI接⼝规范的设计实现的设计开发⽅式略同HD-SDI,⾸先设计合乎规范的HDMI下游设备，设计下游设备时尤其要考虑以上⼏个附加信息，因为HDMI发送端具有验证上述附加信息⼰决定是否发送的权⼒，只有做好了这⼏个⽅⾯的⼯作，才能设计出合乎HDMI标准的接收设备，在任何时候都能通过HDMI源的检测，接收到HDMI源的发送信息。在设计好HDMI接收设备后，可以在此之上设计HDMIrepeter，即HDMI的中继设备，在HDMI接收设备的基础上加上HnMx发送端，需要注意的是为了合乎规范检查,HDMI的发送端设计必须考虑EDID等信息，以便能及时发送合适的HDMI视⾳频信号。第⼆双向接⼝转换系统的设计设计开发内容：根据前期规划分析：可以将前期设计研发的HDMIrePeter做为整个需要设计的系统的原型，只是需要在中继器中间加上HD-SDI接⼝的输⼊和输出。
还需要设计开发接⼝转换的⽅案策略,⽬前基本上制订了⼀套以专⽤芯⽚为核⼼的⽅案，具体的设计过程还需要进⼀步详细的分析
设计开发，在双向接⼝转换系统的设计中，需要将HD-SDI和HDMI两种不同的接⼝功能特点及需求组合起来，在软件设计⽅⾯要进⾏其中的兼容性设计和设计开发，针对HDMI接⼝部分所需要的EDID信息,HDCP验证码字及视⾳频辅助信息部分，软件设计要给予⾜够的⽀持。在转换过程中，为了保证整个系统的完整性和实际应⽤中的配套性，转换过程中HDMI不分涉及到的EDID，辅助信息需要以合适的⽅式加⼊到HD-SDI的数据流中，如何为这些辅助信息编码，以合适的⽅式加⼊到HD-SDI的数据流中也是在整个系统设计过程中需要考虑设计开发的⼀部分。当前的主流⾼清数字节⽬格式为1080i，也就是HD-SDI规范制订的标准⾼清格式，但HDMI可以⽀持到最多1080p的全⾼清视频格式,HD-SDI的下⼀阶段发展过程,3G-SDI，也⽀持1080p的全⾼清格式，设计⾃适应的，既满⾜HD-SDI,⼜满⾜3G-SDI标准的全⾼清视频转换器，不单纯是为了满⾜HDMI接⼝的规范标准，也有对未来应⽤的改进意义。在⾃适应分辨率转换的设计开发内容上，也需要投⼊⼀定的设计开发精⼒和设计开发成本。
对于视频转换设计⽅案，基本上有两种转换⽅法,⼀种是采⽤可编程逻辑芯⽚，如DSP,FPGA等芯⽚来接收HD-SDI信号，解串后按照HDMI1.3版本的标准将其封装为HDMI信号，这样做的优势在于芯⽚⽤量⼩，硬件设计过程中均为常⽤芯⽚，制作PCB印刷板过程相对简单容易，调试过程中出现的问题基本可以软件调试解决，查错改错思路⾮常清晰。另⼀种解决⽅案为使⽤⽀持HD-SDI和HDMI标准的专
⽤芯⽚对HD-SDI信号进⾏解串以及封装HDMI信号，这种⽅案的优势在于专⽤芯⽚处理速度快,⼀般不需要考虑处理速度的兼容性，相应的软件设计只负责整体系统的控制,⽽不需要负责具体的解串封装这类具体的功能实现⼯作。结合实际情况进⾏具体分析,HD-SDI接⼝标准传输的是⾼速率的串⾏信号，传输⼀般HDTV标准1080i信号时速度可达到1.485Gbps,⽽传
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