DVI工作原理及在數字電視中的應用研究

DVI是廣泛應用於PC的數字視頻接口，通過開發相應的軟硬件，可以應用到高端的數字電視當中。

DVI簡介

為什麽使用DVI 、HDMI接駁LCD、PDP、DLP等顯示器或投影機，其畫質如些理想呢？這主要是因為DVD訊源是數碼訊號，而LCD、PDP及DLP三者皆是數碼方式顯像，所以DVI、HDMI方式傳送，則可保證傳送的[D---D---D]全數碼傳送，相比起使用色差傳送的[D---A---D]，由於經過兩次D/A，A/D轉換，畫面不能避免地出現失真，除非閣下使用發燒級貴價器材保證了模擬傳送的質素。因此，這正好解析了為什麼DVI、HDMI的簡單接駁，竟然能令畫質三級跳。

DVI---全稱為（Digita Visual Interface），它的出現原來有段故事，數起來要回到1997年，當時為了迎接數碼平面顯示器時代的來臨，美國Video Electronics Standards Association，早已洞悉[D---D---D]影像傳送的重要性，遂提出要有新影像傳送P&D標准，即是Plug and Display standard，能夠以單一端子便可以傳送數碼或模擬訊號，就好像電腦其它端子例如USB或Firewire等。

然而要整個業界甚至全世界統一新影像傳送格式，不單有很多人為及政法因素，在技術上及成本上亦困難重重。然而最終都達成協議，推出DVI格式，而這種格式的好處，正是輸送數碼影像之餘，乃然可以兼容傳統模擬式的VGA，SVGA，XVGA訊號。

為了讓用家辯認DVI傳送的不同訊號類別，不同種類的DVI插頭格式不盡相同，詳細如下：

DVI-D(DVI Digital)Single Link

DVI-D(DVI Digital)Dual Link

DVI-A(DVI Analog)

DVI-I(DVI Digital&Analog)Single Link

DVI-I(DVI Digital&Analog)Dual Link

DVI-D：只傳送數碼影像訊號，現時一般DVD機附設的DVI輸出端子，由於必是傳送數碼影像，所以全部是DVI-D格式。

DVI-A：只傳送模擬影像訊號，這個格式一般相信是過渡性產品，事實上，DVI-A和傳統的VGA線功能一模一樣。有電腦顯示卡的DVI輸出端子可以選擇輸出模擬訊號，此時便可接駁DVI-A格式的DVI線，不過相信很少人會這樣做了。

DVI-I：可傳送數碼或模擬影像訊號，有些電腦顯示卡，由於可以DVI端子輸出數碼或模擬訊號，所以端子為DVI-I規格，另一方面，DVI-I線材亦可以傳送模擬數碼不同訊號。

引言

　　數字電視概念已逐步深入人心，現有的大多數數字電視接收機只能通過分量接口接收滿足數字視頻信號標准的模擬信號，這實際上仍然是一種模擬信號接口，只是視頻信號符合數字電視視頻信號標准(如ITU-R601、CEA/CEA-861-A/B等標准規定的數字視頻抽樣、量化、編碼規範，滿足數字電視的行頻、場/幀頻、同步、清晰度等要求)，所以此類電視如果要在系統中進行數字處理，則需在視頻信號處理前增加A/D轉換、Scale、De-interlace等功能電路，這會使信號質量有一定程度的降低，研究表明此類接口的清晰度很難真正達到高清數字電視的顯示標准(水平清晰度大於720線)。

　　數字視頻接口接收的是經過一定處理(壓縮或不壓縮)的數字信號，不論從信號質量還是後處理考慮，都有利於提高整個接收機系統的性能。DVI(Digital Visual Interface，數字視頻接口)是目前廣泛應用的一種數字視頻接口，起初主要應用於PC行業。DVI支持單像素RGB的24bit數據，傳輸的數字信號沒有經過壓縮，單連接的傳輸速率可達4.9Gbps，對數據傳輸速率是1.78Gbps的1080i數字高清晰電視可達到較好的保真度，特別是在LCD、DLP等顯示設備中，不需要任何D/A轉換和處理，減少了信號損失，可以應用到數字電視、平板電視等產品當中。

DVI概述及工作原理

　　DVI是由DDWG(Digital Display working Group，數字顯示工作組)發明的一種高速傳輸數字信號的技術，有DVI-D和DVI-I兩種不同的接口形式。DVI-D只有數字接口，DVI-I有數字和模擬接口，目前應用主要以DVI-D為主。

　　DVI是基於TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，轉換最小差分信號)技術來傳輸數字信號，TMDS運用先進的編碼算法把8bit數據(R、G、B中的每路基色信號)通過最小轉換編碼為10bit數據(包含行場同步信息、時鐘信息、數據DE、糾錯等)，經過DC平衡後，采用差分信號傳輸數據，它和LVDS、TTL相比有較好的電磁兼容性能，可以用低成本的專用電纜實現長距離、高質量的數字信號傳輸。TMDS技術的連接傳輸結構如圖1所示。

　　DVI數字信號傳輸有單連接(Single Link)和雙連接(Dual Link)兩種方式，對於單連接，僅用圖1所示的1/2、9/10、17/18腳傳輸，它的傳輸速率可達4.9Gbps，雙連接可達9.9Gbps。

DVI接口在數字電視中的應用

　　● 基本方案論證分析

　　數字電視機為達到高清晰度顯示要求，掃描一般采用1080i@60Hz格式(即隔行掃描，行頻33.75kHz，場頻60Hz，像素頻率74.25MHz)，實際應用中為減少行頻變換，所有的輸入視頻格式(如480P、576P、720P等)通過格式變換(Scale和De-interlace等)都統一轉換為1080i@60Hz格式輸出，即多頻歸一。本文討論的DVI接口以上述數字電視標准為基礎考慮應用，基本原理框圖如圖2所示。

　　由原理圖看，數字電視增加DVI接口比較簡單，從硬件電路考慮，一是在接口處增加DVI解碼部分，二是在後端提供一個數據通道，如果電視原有方案中具有A/D轉換和相應的後級數據處理通道，那麼DVI接口解碼輸出的數據可以與它共用，因為在數字信號格式一定的情況下，其碼率、行頻、場頻、時鐘是一致的。

　　在實際研究開發中，需要特別注意DVI解碼輸出數據信號、A/D轉 換輸出數據信號的隔離和避免前端通道相互幹擾。由於兩組通道的共用，相當於延長了數字輸出引腳的信號線長度，因此對於長距離的數字信號印制線，有必要在其 特征阻抗處將其中斷，以避免數字信號的過沖、欠沖和振鈴，通常情況下在數據線上串聯幾十歐姆的電阻。同時對於輸出驅動來說，需要最大限度地減小數字輸出引 腳的容性載荷，但是在信號布線階段，一般不能精確計算容性負載，為方便系統調試，應考慮在數據信號線、行場同步信號線、時鐘信號線到地並聯電容，根據PCB材料、信號長度不同，電容值一般在幾十pF即可，這樣就可達到通道負載平衡、數據上升沿、下降沿和相位的一致，減少數字噪聲幹擾和抖動。

　　數字電視DVI接口性能測試時，誤碼率指標應達到10-9，即10億bit允許出現一個誤碼，因此在性能測試時必須保證一定的測試時間，如VGA@60Hz，25MHz時鐘頻率，測試時間應大於40s，那麼1080i@60Hz、74.25MHz像素頻率，測試時間應大於14s，同時可通過主觀觀察圖像1分鐘以上，無明顯的像素噪聲以判斷接口性能的優劣。

　　DVI接口中有+5V電壓，熱插拔檢測(HPD)電壓要求從此電壓獲取，HPD有效電平應大於2.4V，因此接收設備的HPD串聯電阻一般應小於10kΩ。應用中接收設備也可使用此電壓，用於系統供電，但負載電流不應大於50mA，最好小於10mA，以保證HPD電平需要。為保證接口的正常啟動，EDID存儲器供電最好也由發送端+5V產生。

　　為保證硬件電路設計的可行，還必須有軟件的支撐。優化的軟件流程是保證DVI接口系統正常工作的關鍵，DVI接口工作流程如圖3所示。

　　對於DVI接口在數字電視、平板電視上的應用研究，更為關鍵的是EDID(Extended Display Identification DATA，即擴展顯示識別數據)編程，HDCP(High-bandwidth Digital Content Protection)功能的實現。這些對於數字電視來說都是全新應用，只有EDID和HDCP在數字電視上實現後，DVI接口才是真正的數字電視接口。

　　● 數字電視DVI接口的EDID開發

　　EDID是為PC顯示器設置的優化顯示格式數據規範，存儲在顯示器中專用的1Kb的EEROM存儲器中(即EDID數據結構是128Byte)，DVI接口應用在數字電視上時，同樣應該遵從此規範。

　　PC主機和顯示器通過DDC數據線訪問存儲器中數據，以確定顯示器的顯示屬性(如分辨率、縱橫比等)信息，在數字電視上，也應該用DVI接口的DDC數據線訪問EDID存儲器，以確定數字電視的相關顯示屬性，關鍵是128Byte是PC顯示器的標准，已不能滿足數字電視視頻標准的要求，因此需要對數據結構進行擴展，由於EDID標准並沒有相應的規範，研究中按照EIA/CEA-861-B標准規範對EDID數據進行編程。

　　　　　　
　　DVI接口在數字電視中的EDID數據結構，與PC顯示器的最大區別是編程數據可以是128Byte的倍數，它不僅規定數字電視顯示的PC格式，也規定數字視頻信號和數字音頻信號，基本的128Byte以外的數據都是附加數據，在基本數據的第127個字節定義EDID的附加數據塊數量。在EDID數據編程中，根據數字電視的顯示屬性要求，有兩個關鍵環節必須注意：第一，如果數字電視的顯示是固定格式，則在首選Timing Mode字節中必須選擇相應的定義；第二，數字電視的標准顯示屬性應在第一段詳細Timing Mode字節中完成數據編程。

　　研究開發中，注意到DDC2B只能適用於DVI 1.0標准的EDID讀取，因為它不能讀取附加的128字節的數據。因此，對於應用DVI接口到數字電視中，因為有CEA的數據在附加數據塊裏，信號源必須滿足E-DDC標准，才能讀取EDID數據。

　　● 數字電視中DVI接口的HDCP研究

　　HDCP(High-bandwidth Digital Content protection)系統是DVI接口中，在發送設備(即主機)和接收設備間保護數字信號正常合法傳輸，防止非法接收的一種加密系統，在這一系統中最多允許7層視頻轉發器和128台設備共享同一主DVI接口輸出的數字信號，HDCP系統連接的拓撲結構如圖5所示。

　　HDCP主要有三個組成部分：第一部分是鑒定協議，確認接收者的合法性。發送方與接收方進行信息交換，接收方將KEY傳給發送方，發送方驗證並用此產生公共密鑰，通過公共密鑰作為均衡KEY混入授權證實序列中，用於加密內容的解密，授權確認完成；HDCP密鑰一般有專門的EEPROM存儲，目前多數整機產品可通過處理芯片內部EEPROM中預編程得到HDCP密鑰，通過這種方式密鑰保護可達到HDCP規範要求的高級別，出於保密原因，密鑰不能從IC裏讀出。第二，一旦確認，發送方將加密內容以雙方都知道的解密方式傳給接收方；第三，當非授權設備接收時，通過發送方的檢測，將中斷內容傳送。

　　HDCP具體工作過程：首先由主機發送密鑰選擇導引序列(AKSV)和64bit偽隨機序列(An)到接收方，接收方回傳密鑰選擇導引序列(BKSV)和轉發器位(REPEAT-bit)(如是轉發器用以表示身份)，發送方確認BKSV是否已被廢除和是否包含20個1和20個0；如果雙方的設備密鑰和KSV有效，則計算產生一個56bit的公共密鑰Km和Km`，然後可產生KS、KS`(傳輸密鑰)、M0、MO`(64bit後續驗證用追加初始序列)、RO、R0`(16bit指示驗證成功，它必須在AKSV發送後100ms內傳回發送方；驗證成功後R01和R0相等；每128幀修正一次，每2s回傳一次)。因此當DVI接口中斷傳輸2s以上，或是非授權設備接收時，主機將停止傳輸內容，以達到保護傳輸內容的目的。HDCP鑒定處理過程如圖6所示。

　　HDCP功能對於數字電視有一定局限性。對於設計完善的功能電路，如果A/D轉換器、TMDS解碼處理器不工作時，一般都具備Power Down功能，一方面降低系統功耗，另一方面減少高速信號的數字幹擾。但由於DVI接口的HDCP功能在連接初期識別正常後，每2秒鐘要進行一次相互認證，以確保連接的始終是合格授權接收設備，這時TMDS解碼處理器就必須一直處於Power On狀態，此時將引起上面提到的兩點性能的惡化。如何處理這種矛盾，需要兼顧系統性能和接口標准的適應性。另外，從接收設備實際使用的角度看，HDCP的上述認證系統有一定的缺陷，使用中從DVI接口模式切換到其他接口模式，TMDS解碼處理器被Power Down，HDCP識別將終止，中斷信號傳輸，意味著本次連接結束，然後顯示設備重新切換進入DVI接口模式，此時需要HDCP重新識別，則要求發送設備也要重新啟動，增加了使用的複雜性。

　　在應用研究中，針對HDCP在數字電視中的適應性問題，提出了兩種方案。

　　修改HDCP規範。一種方法是：取消2秒鐘一次的識別，即初次識別正常即可，為防止將數字信號輸出連接到其他非法設備上，此時可通過檢測HPD(熱插拔檢測)判斷是否為授權設備，一旦檢測到HPD為低電平，認為此時物理連接中斷，可馬上終止信號輸出。第二種是：接收器在Power Down時，向發送設備隨機傳送一組要求暫時終止傳輸的特殊編碼，當接收器重新Power On時，再傳一次此特殊編碼，發送設備驗證後即可重新開始傳輸數字信號。以上作為以後修改規範時的建議提出。

　　芯片設計時，考慮在芯片內部將HDCP處理系統和TMDS解碼處理系統合理處理，解碼器Power Down時，HDCP也能正常工作。

　　DVI應用於數字電視是提高電視清晰度的方法之一，只要方案設計合理，EDID和HDCP按照相應標准規範進行開發擴展，那麼DVI接口和數字電視的結合是可行和有效的。

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