DVI接口概述及其在数字电视中的应用研究

 

    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，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。

    数字视频接口接收的是经过一定处理的数字信号，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。

    本文通过对DVI通信协议，TMDS的链路构成、信号特性、编码及解码算法分析。提出针对数字电视中的实际应用方案，简化了数字→模拟→数字繁琐的转换过程，解决了模拟传输环节中难以抑制的噪声干扰问题，有效避免了信号的损失和受到的干扰。有效消除拖影现象，使图像的清晰度和细节表现力都得到了大大提高，电视画面色彩更纯净，更逼真。

    DVI概述及工作原理

    DVI是由DDWG（DigitalDisplayworkingGroup，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（TransitionMinimizedDifferentialSignaling，转换差分信号）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。

图1TMDS连接传输结构

    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

图2DVI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。

    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。

图3DVI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（ExtendedDisplayIdentificationDATA，即扩展显示识别数据）编程，HDCP（High-bandwidthDigitalContentProtection）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。

    ●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4PC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。

    研究开发中，注意到DDC2B只能适用于DVI1.0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-bandwidthDigitalContentprotection）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5HDCP系统连接拓朴结构图

    HDCP主要有三个组成部分：

    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规范要求的别，出于保密原因，密钥不能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，每2s回传）。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6HDCP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PowerDown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秒钟要进行相互，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PowerOn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PowerDown，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。

    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。

    DVI

    DVI（Digital Visual Interface），即数字视频接口。它是1999年由Silicon Image、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同组成DDWG（Digital Display Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。

    DVI接口

    DVI接口是以Silicon Image公司的PanalLink接口技术为  DVI转VGA转接头基础，基于TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，化传输差分信号）电子协议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。

    一个DVI显示系统包括一个传送器和一个接收器。传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显卡PCB上；而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。