像素基本概念.pdf

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1、7 2 0 P 6 0 的 P i x e l C l o c k 是 7 4.2 5 M H z视频的一些基本概念。数字视频的基本概念源自于模拟视频。对于模拟视频我们可以这样理解：视频可以分解为若干个基本视点（像素），每个像素都有独立的色彩信息，在屏幕上依次将这些点用电子枪按照行和列打出来，就形成了一幅完整画面，连续的打出画面，利用人眼的延迟特点就可以“显示”动态的图像了。行 同 步（H S Y N C）：行同步就是让电子枪控制器知道下面要开始新的一行像素；场 同 步（V S Y N C：场同步就是告诉电子枪控制器下面要开始新的画面；数据 使 能（D E）：在数据使能区是有效的色彩数据，不在

2、使能范围内的都显示黑色。前 肩（F ro n t P o rc h）/后 肩（B a c k P o rc h）：行同步或场同步信号发出后，视频数据不能立即使能，要留出电子枪回扫的时间。以行扫描为例，从H S Y N C结束到D E开始的区间成为行扫描的后肩（绿色区域）,从D E结束到H S Y N C开始称 为 前 肩（紫色区域）。同样对于场扫面也可以由类似的定义。P i x e l c l o c k：像素时脉（P i x e l c l o c k）指的是用来划分进来的影像水平线里的个别画素，P i x e l c l o c k会将每一条水平线分成取样的样本，越 高 频 率 的P i

3、x e lc l o c k,每条扫瞄线会有越多的样本画素。制式总扫描线图像区域扫描线水平总象素图像区域水平象采样频率1 0 8 0 I/6 0 H Z 1 1 2 51 0 8 02 2 0 01 9 2 07 4.2 5 M H z1 0 8 0 I/5 0 H Z 1 1 2 51 0 8 02 6 4 01 9 2 07 4.2 5 M H z7 2 0 P/6 0 H Z7 5 07 2 01 6 5 01 2 8 07 4.2 5 M H z7 2 0 P/5 0 H Z7 5 07 2 01 9 8 01 2 8 07 4.2 5 M H z带宽：视频带宽代表显示器显示能力的一个

4、综合指标，指每秒钟所扫描的图素个数，即单位时间内每条扫描线上显示的频点数总和，在模拟视频中以M H z为单位,图1的视频模拟带宽计算如下：，A n a l o g B a n d W i d t h=1 6 5 0*7 5 0*6 0=7 4.2 5 M H z 含义为每个时钟要传输 7 4.2 5 M 个模拟视频数据。同 理1 0 8 0 P 6 0的P C L O C K为1 4 8.5 M H z但是在数字视频中由于每个像素都是由3种不同的颜色来表示，每种颜色右由一定数量的比特来传输，因此通常会用b p s来表示数字带宽，如 果 图1中使用了R G B 传输，每种颜色用1 个字节来输出，

5、那么该视频的数字带宽为：D i g i t a lB a n d V i d t h=模拟带宽*8 b i t*3=l.7 8 2 G b p s 含义为每秒要传输1.7 8 2 G 个比特数据。数字视频信号以SXGA为例，其时序如下:垂直：VSYNCDSPTMGrmnn-VSYNCrinruuLSupport modeT1 Vec4fT2ACMn v$Y w c，rw t Porch，rarr TeneT$VSYNC/nm rT VSYMCBcti Porch1240 x 1024M60HZ(VSSA STANDA.RD)(H e rew 15 6 u)D 6 5 m16005024 trm

6、 i0 01rw(116.661 rrs“0661M M0 047m3 M e i。如z水平:DSPTMG1.丫 沁HSYNCHSYNCi_r i _nSupport mod*T7 HoreontaiTSACBv FidT9 HSYNCRont PetfenT10H eT11 HSYNCT12 H$YHCPoceh120i 10：4vXgcMxa IMOOOMMS)3 773HO8eoet)ii 052 vt(12400444ut4$15630 gteeedo4)l03?ue22M g(20dcG_X R1BQ X G5 X_G4_ XG AX G2 XG 1XA2K_m=X SYNCX HA

7、YKinX RA XR 4X B2 XR?XA3A4A5A6A7CLK2PreviousCurrentCycle 叼.CycleA4-图 1.2 18位单像素传输、非直流平衡模式图 1.3 24位单像素传输、非直流平衡模式由图1.2可以看出，非直流平衡模式18位单像素传输共用了 4 个通道（1 个时钟信号、3 个数据信号），在一个时钟周期内传送了 21bit,数据信号包括3x6位的RGB信号、使能信号DE、行场信号。其中使能信号DE很重要，实际上使能信号为低电平时就是行场的消隐期，有些接收端可不接收行场控制信号只接受使能信号即可，也正是因此；1.3图，非直流平衡24位单像素传输共用了 5个通道

8、，其中RES为预留位。LDI突破了 TTL瓶颈，带宽得到了提升。但随着1080p的视频信号成为主流，8 位颜色要求大约 3Gbps的带宽，这大大超过了 4 通道LVDS接口能力。所以LVDS有了双像素传输模式.CLK1AOA1A2A3A4A5A6A7CLK2图 1.4 24位双像素传输、非直流平衡模式由图1.4可以看出，非直流平衡模式24位双像素传输共用了 10个通道（2 个时钟信号、8 个数据信号），在一个时钟周期内传送了 56bit,数据信号包括6x8位的RGB信 号（两个像素）、使能信号DE、控制信号CNTLF和 CNTLE、行场控制信号以及两个预留位RES。与图1.3相比，点频降低了一

9、半，也就是位宽是原来的2 倍。IC对较宽数据位处理时具有更大的采样余量，以及更大的电压和温度容限。此外，信号频率低，噪声频率也低，功耗也小。另外LVDS也可以工作在直流平衡模式，直流平衡位的目的是最大限度地减少信号线的短期和长期的直流偏置。DCBAL是克流平衡位。CLK1A0A1A2A3A4A5A6A7CLK2图 1.5 24位双像素传输、直流平衡模式Control SignalSignal LevelOutput Signa)Dnfa PatternDEHighCLK1 and CLK21111000 or 1110000Low1111100 or 1100000HSYNCHighA0HOO

10、OOOor 1111100Low1110000 or 1111000VSYNCHighAlHOOOOOor 1111100Low1110000 or 1111000CNTLEHighA5HOOOOOor 1111100LowlllOOOOor 1111000CNTLFHigliA4HOOOOOor ill 1100LowlllOOOOor 1111000图1.6直流平衡模式下24位双像素传输的数据格式2 DVI(Digital Video Interface)接口1.DVI简介DVI即数字视频接口，是一种高速传输数字信号的技术，DVI视频传输避免了模拟视频信号传输过程中发送端(一般为显卡)的数

11、模转换和接收端(一般为LCD显示器)的模数转换过程，同时也避免了模拟信号传输过程中的噪声干扰的问题，因此图像无损失。DVI接口在传输数字信号时乂分为单链路(Single Link)和双链路(Dual Link)两种方式。根据DVI标准，一条TMDS通道可以达到165MHz的工作频率和10-bit接口，也就是可以提供1.65Gbps的带宽，即每秒可传送1.65亿点像素。单链路DVI接口的传输速率只有双链路的一半，最大的分辨率和刷新率只能支持到1920 x1200,60hz。至于双链路的DVI接口，支持到2560 x1600,60Hz模式，也可以支持1920 x1080,120Hz的模式。液晶显示

12、器要达到3D效果必须拥有120Hz的刷新率，所以3D方案中，使用DVI的话，必须要使用双连接的DVI接口的DVI线。总的来说，如果是1920 x1200内的分辨率，单双连接两者输出的画质是一样的。对于单链路的DVI接口，共有4个通道，通道0-2对应RGB三个分量，行场同步信号及一些可选的控制信号分别分配在在这三个通道上，第4个通道为时钟通道。DVI的核心技术是TMDS(Transition Minimization Differential Signal)技术，这里以8bit的R分量的传输为例简单做一个简单说明：并行的8bit的R分量传输时需要转化为串行数据，为了可靠传输，不能简单地进行了并转

13、串，而是以TMDS编码算法进行并转串，TMDS算法使转换后的串行信号的变换最小(Trans让ionMinimization)以及串行码流直流分量的平衡(DC Balancing)。串行信号是以差分形式传输的(Differential Signal)在接收端，通过 TMDS 接收器可以解码出 R、G、B、Hs、Vs、PixelClock等信号。图 2.3 单链路DVI接口2.TMDS协议inputFrmjrt图 2.4 TMDS连接结构数据流中包含了像素和控制数据。DE有效期间，成为像素数据有效期间，就是说这段时间发送的是有效像素数据,DE无效期间，成为发送空间隙期间，这段时间发送的数据不包括有

14、效像素数据，仅仅是控制信号。发送端有3 个一模一样的编码器，每个编码器的输入是2 个控制信号和8bit的像素数据。依照DE的状态，编码器将按照两个控制信号的状态或8bit像素数据产生10bit的TMDS字符。每个解码器输出是一个连续的串行TMDS字符流。TMDS数据通道传送的是一个连续的10bit TMDS字符流，在空期间，传送4 个有显著特征的字符，它们直接对应编码器的2 个控制信号的4 个可能的状态。在数据有效期间，10bit的字符包含8bit的像素数据，编码的字符提供近似的DC平衡，并最少化数据流的跳变次数，对有效像素数据的编码处理可以认为有两个阶段:第一个阶段是依据输入的8bit像素数

15、据产生跳变最少的9bit代码字；第二阶段是产生一个10bit的代码字，表示是否对输入代码进行反转。最终的TMDS字符，将维持发送字符总体的DC平衡。3,单/双链路TMDSInput$tram t T.M.D.8.Link Q.S g n iE/r r*，JRecoveredStr“m A3：0m am，C M n n /1ChannW 2CM nn/CWMLfiLm_2e n jcutTM D S receiverW5YNCM口:依 A图2.5单链路TMDS通道映射Input StreamsCTlfl .Chnc.Q 1Oul T.M.O.S.Unke n-Chtnntt 4CMd STDX、

16、”-nWChMnl 2RcovfdStreams 入C M c w/Csnfvas yC M n M 3色*?19$T M.O.S rece/verM H：G aAMpOOOQioQiX3o-Fooeagg：川.C IU .Et ChMinl 0图2.6双链路TMDS通道映射无论是单链路还是双链路TMDS都是先将输入信号在发送端编码器编码，然后把并行数据转换为串行数据，由数据通道发送至接收端恢复为并行数据，最后进行解码。单链路TMDS发送器由三个相同的编码器组成，如图2.5,2 个控制信号和8bit像素数据映射到每个编码器，除了行同步HS和场同步VS外，其它控制信号的作用并没有定义，在发送器的

17、输入端，控制信号CTL1、CLT2、CTL3必须保持逻辑低电平，推荐CTLO也保持逻辑低电平。双链路发送器增加了三个数据通道，如图2.6,双链路配置在第一个链路上发送每行的奇像素，在第二个链路上发送每行的偶像素，每一行的第一个像素是奇数像素，即为像素1。3 HDMI 接口(High Definition Multimedia Interface)HDMI即高清晰度多媒体接U,源于DVI接口，同样以TMDS信号传输技术为核心，这也就是为何HDMI接口和DVI接口能够通过转接头相互转换的原因。HDMI是一种数字化视频/音频接口技术，是适合影像传输的专用型数字化接口，其可同时传送音频和影音信号,最高

18、数据传输速度为5Gbps。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换。HDMI可搭配宽带数字内容保护（HDCP）（DVI也支持该协议），以防止具有著作权的影音内容遭到未经授权的复制。HDMI所具备的额外空间可应用在日后升级的音视频格式中。而因为一个1080p的视频和一个8 声道的音频信号需求少于4Gbps,因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器，接收器。图3.1 HDCP是一种双向内容保护机制1 HDMI原理一般情况卜，HDMI连接由对信号源和接受器组成，有时候一个系统中也可以包含多个HDMI输入或者输出设备。每 个HDMI信号输入接口都可以依据标准接收连接器的

19、信息，同样信号输出接口也会携带所有的信号信息。HDMI数据线和接收器包括三个不同的TMDS数据信息通道和一个时钟通道，这些通道支持视频、音频数据和附加信息，视频、音频数据和附加信息通过三个通道传送到接收器上，而视频的像素时钟则通过TMDS时钟通道传送，接收器接受这个频率参数之后，再还原另外三个数据信息通道传递过来的信息。HDMI输入的源编码格式包括视频像素数据、控制数据和数据包。其中数据包中包含有音频数据和辅助信息数据，同时HDMI为了获得声音数据和控制数据的高可靠性，数据包中还包括一个BCH错误纠正码。HDMI的数据信息的处理可以有多种不同的方式，但最终都是在每一个TMDS通道中包含2位的控

20、制数据、8位的视频数据和4位的数据包。HDMI的数据传输过程可以分成三个部分：视频数据传输期、数据包传输期和控制数据传输期。HDMIInput SveainsTMDS LinkSinkOutput Streams(#4 B)H.VSYNCAuohjryPua 8 ff8 M m (*G)iAujuhMy Dau(g AirdtoPLI.I ecnpoftM.R)CTU.CTUAushary Data08H-apooaa一AJM89H则?视.Aa w _E l DD回?a aa u _c m .2 _ WQ)EU6=Ba juuec?o E-GRXT 01.E。ACTU 一CTL2 CTO._

21、_K(人图2 单链路TMDS通道映射除了行同步HS和场同步VS外，其它控制信号的作用并没有定义，在发送器的输入端，控制信号CTL1、CLT2、CTL3必须保持逻辑低电平，推荐CTLO也保持逻辑低电平，由于历史原因，某些发送器芯片可以通过CTLO传递一个控制信号，如果这么做，仅需要满足一个条件：这个信号发生在单像素输入时钟的奇边缘或偶边缘。当链路有效的时候，在奇偶之间一定不要来回切换。Input StreamsACDual T.M.D.S.LinkyJDSWwnitter人CLKSILLCTLSCTL7CTL9GRNpOE 0BLS（，0）E 4a”o“SYNCRED2roiCTL8GRX现E

22、6ElorojAChannel 0Channel 1Channel 2Channel CChannel 3Channel 4Channel SB1W.G AXSYNC AVKVNC-T.M.D.S.receiverVSYNCCTUDC切ARFDUOlE 3DEDE4Aa_ A_ LIL?a皿 万 G.E O o p qcoDSDO COClDEJOU_DES.OU_D/PeciD工AAXIU_M L 2_IKI_RecoveredStreams叫 皿 AE 图3 双链路TMDS通道映射2.2 编码算法TMDS编码算法，如图5 所示，在空间隙，编码器产生4 个独一无二的字符，以及在有效的数据期间

23、，产生460个独一无二的10bit字符中的一个，在链路上，除此以外的其它10bit字符是保留的，编码器不会产生这些字符。N1xD,C0,01,DE编码器输入数据集.D 是 8bit像素数据，C1和 CO是通道的控制数据，DE是数据使能。Cnt这是个寄存器，用来跟踪数据流的不一致，正值表示发送的1 的个数超过的数目，负数表示发送的0 的个数超过的数目。表达式cntt-1表示相对 输入数据前一个集的前一个不一致值。表达式cntt表示相对 输入数据当前集的新的不一致设置。q_out这些10bit数是编码器产生的。这个操作符返回参数x 中的1 的个数N0 x这个操作符返回参数x 中的0 的个数OE.O

24、(O：n CO.Cttvl)图5 TMDS编码算法2.3 串行化由编码器形成的TMDS字符流转换为串行数据，用于在TMDS数据通道上发送，低位在前先发送。3 解码3.1 时钟恢复TMDS接收器必须有能力相位锁定与发送时钟，发送时钟的时钟频率范围是25MHz到接收器的最大允许频率，对输入时钟的相位锁定必须发生在从输入时钟满足规定起100ms之前。3.2 数据同步接收器要求在任何大于128字符长度的空间隙期间，建立与数据流的同步。在同步检测之前，和在丢失同步期间，接收器不应该更新接收到的数据流信号。3.3 解码算法ID901case(0(0:9)case 0010101011:C(1:0):=00

25、;case 1101010100:C|1 Oj:=01;case 0010101010 C(1:0)=10;case 1101010101:C n：0j=11endcase;3FF3 41司6万=D0；=D(11XNOR D(OJ；=D(2)XN0RD(1J;=D(3 XNOR D(2,=D(4)XNOR D3J；二 D|5 XNOR D4).=D(6 XNOR D(5；=D(7 XNOR D(6；0(0=D0,Q(1)=D1XOR D(Oj；0(2=D(2 XOR D(1),Q(3=D(3 XOR D2).Q(4=D4 XOR D(3j；0(5)=D5 XOR 0(41.0(6)=D6 XO

26、R D(5.0(7=D7 XOR D(6；图6 TMDS解码算法3.4通道映射如图2 和图33.5错误处理TMDS链路不要求错误处理能力。4 链路定时要求TM DSLinkInputStrewGuimrl 1mcodedCTLO.CTLlXencoded GRNClumel 2encoded REDBLU70RecoveredStreaimencoded GRNeocodedCTL2.CTL3encoded REDactive video repon to validBLL170)comtmi HSYNC VSYNC 1HSYNC.VSYNCconstant HSYNC.VSYNCGRN170)(m vabd)GRN170comum CTLO.CTLICTLO.CTLIcomum CTLO.CTLIRED(7 0J)(mvaM RED(7 0comtaot CTL2.CTL3CTL2.CTUconstant CTL2.CTL3图7 TMDS链路定时符号描述值单位tB 最小空间隙，为了在接收端确保字符边界的恢复，要求有这个最短的空间隙，空间隙至少每50ms(20Hz)出现一次。128 TpixeltE最大编码/并转串电路管线延迟64 TpixeltR最大恢复/串转并电路管线延迟，恢复定时包括通道间的抖动，从在数据通道间最早的DE跳变开始测量,64 Tpixel