Standardy interfejsów nowoczesnej telewizji cyfrowej

Poniedziałek, 21 sierpnia 2006 | Technika

Telewizja wysokiej jakości HDTV (High Definition Television) staje się rzeczywistością. Choć na razie transmisja satelitarna tego typu jest dopiero w fazie testów, na rynku dostępne są już urządzenia kompatybilne z HDTV. W artykule opisane zostały standardy wykorzystywanych w nich interfejsów – DVI oraz HDMI. Ponieważ wraz z rozwojem HDTV również wymienione standardy będą stawały się coraz popularniejsze, warto zapoznać się z nimi bliżej już dzisiaj. Upowszechnienie się telewizji cyfrowej stało się możliwe dzięki szybkiemu rozwojowi technologii telewizorów LCD i plazmowych, które stały się dostępne dla przeciętnego użytkownika. Można również śmiało twierdzić, że odbiorniki CRT nie będą już niedługo dostępne w sprzedaży, a obecnie wykorzystywane standardy kodowania sygnału wideo, takie jak PAL, SECAM czy NTSC, wkrótce również odejdą do lamusa. Chociaż jakość obrazu w przypadku wymienionych standardów może nie być najgorsza, jeśli można oglądać prawie perfekcyjny, kryształowo czysty obraz, który dostępny jest w przypadku HDTV, to dlaczego nie zmienić standardu?

Standardy interfejsów nowoczesnej telewizji cyfrowej

Telewizja wysokiej jakości HDTV (High Definition Television) staje się rzeczywistością. Choć na razie transmisja satelitarna tego typu jest dopiero w fazie testów, na rynku dostępne są już urządzenia kompatybilne z HDTV. W artykule opisane zostały standardy wykorzystywanych w nich interfejsów – DVI oraz HDMI. Ponieważ wraz z rozwojem HDTV również wymienione standardy będą stawały się coraz popularniejsze, warto zapoznać się z nimi bliżej już dzisiaj.

Upowszechnienie się telewizji cyfrowej stało się możliwe dzięki szybkiemu rozwojowi technologii telewizorów LCD i plazmowych, które stały się dostępne dla przeciętnego użytkownika. Można również śmiało twierdzić, że odbiorniki CRT nie będą już niedługo dostępne w sprzedaży, a obecnie wykorzystywane standardy kodowania sygnału wideo, takie jak PAL, SECAM czy NTSC, wkrótce również odejdą do lamusa. Chociaż jakość obrazu w przypadku wymienionych standardów może nie być najgorsza, jeśli można oglądać prawie perfekcyjny, kryształowo czysty obraz, który dostępny jest w przypadku HDTV, to dlaczego nie zmienić standardu?

DVI i HDMI na początek

Fot. 1. Charakterystyczne złącze i przewody połączeniowe standardu DVI

Pierwszym ze standardów interfejsów wykorzystywanych w urządzeniach nowoczesnej telewizji cyfrowej był DVI, czyli Digital Visual Interface. Standard ten powstał jako wynik prac firm, które utworzyły grupę roboczą o nazwie Digital Display Working Group (www.ddwg.org). W skład grupy weszły m.in. Intel, Silicon Image, Compaq, Fujitsu, Hewlett-Packard i kilku innych producentów. Urządzenia DVI łatwo jest rozpoznać po charakterystycznym wyglądzie wtyczki i gniazda (patrz fot. 1). Standard HDMI (High-Definition Multimedia Interface) jest z kolei wspólnym przedsięwzięciem wiodących światowych producentów elektronicznego sprzętu audio-video, takich jak Hitachi, Matsushita, Philips, Sony, Thomson i innych. Informacje na temat standardu najłatwiej jest znaleźć na stronie www.hdmi.org.
Obydwa wymienione standardy, dedykowane są w swoich założeniach do przesyłania sygnałów cyfrowych z odtwarzaczy DVD, tunerów i innych źródeł tego sygnału do odbiorników telewizyjnych, projektorów i, generalnie, urządzeń wizyjnych. Umożliwiają one przesyłanie sygnałów wideo o wysokiej jakości, jak również wielokanałowych sygnałów audio. Standardy nie są jednak w pełni kompatybilne ze sobą – różnice przedstawiono w tabeli 1.

Kodowanie i dekodowanie danych

Tabela 1. Różnice pomiędzy standardem DVI a HDMI

W przypadku obydwu standardów do celów transmisji danych audio-wideo oraz danych pomocniczych wykorzystywany jest protokół TMDS (Transition Minimized Differential Signal). W warstwie fizycznej jest to sygnał różnicowy o zminimalizowanej liczbie zmian stanów logicznych, co osiągnięto poprzez implementację odpowiednich, rozbudowanych algorytmów kodowania, przekształcających dane w formacie 8-bitowym na 10-bitowe dane TMDS. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy łącza do transmisji danych z wykorzystaniem protokołu TMDS.

W skład nadajnika wchodzą trzy identyczne układy kodujące, każdy z których steruje jednym kanałem szeregowej transmisji danych. Strumienie danych wejściowych dla każdego z koderów zawierają informacje zarówno o obrazie (8 bitów), jak też dane sterujące (2 bity). W zależności od stanu linii sygnałowej DE (Data Enable) w nadajniku kodowane są dane obrazu lub dane sterujące w danym cyklu zegarowym. Przy aktywnym sygnale DE w koderach generowany jest strumień 10-bitowych danych TMDS na podstawie strumienia danych obrazu, w przeciwnym wypadku jest on generowany na postawie sygnałów sterujących. Wszystkie kodery w transmiterze TMDS sterowane są jedną linią DE. Sygnał zegarowy transmitowany jest linią CLK.

Do kodowania danych pikseli obrazu wideo na potrzeby transmisji poprzez łącze HDMI stosowane są trzy techniki: YC_BC_R 4:4:4 (4 komponenty luminancji, 4 komponenty koloru niebieskiego oraz 4 komponenty koloru czerwonego), YC_BC_R 4:2:2 oraz RGB 4:4:4 (po cztery komponenty każdego koloru). Na rysunku 2 przedstawiono domyślną metodę kodowania, którą jest RGB 4:4:4.

Architektura systemu HDMI

Rys. 1. Schemat blokowy łącza do transmisji danych audio-video z wykorzystaniem protokołu TMDS

W systemie HDMI (patrz rys. 3) dane pomiędzy odbiornikiem a źródłem sygnału przesyłane są za pośrednictwem 4 kanałów TMDS. Trzy z nich wykorzystywane są do transmisji danych (audio, wideo, dane pomocnicze), jeden kanał służy do transmisji sygnałów zegarowych. W systemie wykorzystywana jest dodatkowo magistrala DDC (Display Data Channel), która służy do przesyłania danych dotyczących statusu i konfiguracji urządzeń nadawczych i odbiorczych. Można ją opcjonalnie wykorzystać do przesyłania danych protokołu CEC (Consumer Electronics Control). Protokół ten umożliwia wykorzystanie przez użytkownika funkcji sterujących wysokiego poziomu.

Sygnał zegara wykorzystywany jest przez odbiornik jako częstotliwość referencyjna konieczna do odczytywania danych przesyłanych trzema kanałami TMDS. Dane sygnału wideo, które zostały zakodowane wcześniej do postaci 10-bitowej o zminimalizowanej liczbie zmian stanów logicznych, są transmitowane z szybkością 10 bitów na 1 takt zegara. Częstotliwości sygnału wideo mogą przy tym wynosić od 25MHz do 165MHz. Sygnały wideo których częstotliwości transmisji są mniejsze niż 25MHz (np. 13,5MHz dla formatu 480i/NTSC) mogą być transmitowane za pomocą metody podwajania pikseli. Niezależnie od techniki przesyłania sygnału (jako RGB, YCBCR 4:4:4 lub YCBCR 4:2:2) możliwe jest przesłanie do 24 bitów na jeden piksel.

Tabela 2. Rodzaje kodowania oraz typ transmitowanych danych dla każdego trybu pracy HDMI

Do transmisji danych audio i danych pomocniczych poprzez kanał TMDS wykorzystywana jest struktura pakietowa. Aby zapewnić większą niezawodność transmisji danych, stosowany jest kod korygujący błędy (BCH), dodatkowo dane kodowane są za pomocą specjalnego algorytmu redukującego błędy.

Sygnał dźwiękowy przesyłany jest jako pojedynczy strumień danych zgodny z IEC 60958, próbkowany z częstotliwością 32, 44,1 lub 48kHz. Opcjonalnie, w standardzie HDMI, przesłać można pojedynczy strumień danych audio próbkowany w częstotliwością do 192kHz lub też od dwóch do czterech strumieni danych audio próbkowanych z częstotliwościami do 96kHz (3 do 8 kanałów dźwiękowych). Magistrala DDC wykorzystywana jest przez źródło sygnału do odczytywania danych EDID (Extended Display Identification Data) odbiornika (opisane dalej). Dzięki tym danym źródło sygnału dostosowuje format danych wyjściowych do możliwości odbiornika.

Tryby pracy łącza HDMI

Rys. 2. Metoda kodowania pikseli RGB 4:4:4, 8 bitów/komponent.

Łącze danych HDMI pracować może w jednym z trzech trybów – przesyłania danych wideo (Video Data Period), danych pomocniczych (Data Island) oraz sterujących (Control Period). W trakcie pracy w pierwszym z trybów przesyłane są informacje o aktywnych pikselach aktywnej linii wideo. Tryb danych pomocniczych wykorzystywany jest do przesyłania informacji kontrolnych oraz danych próbkowanego dźwięku (transmisja pakietowa). Jeśli nie ma potrzeby przesyłania danych wideo, dźwięku lub danych pomocniczych, wówczas uaktywniany jest tryb danych sterujących. Tryb ten musi być uaktywniany pomiędzy dowolnymi dwoma trybami pracy, jeśli tryby te nie są trybami sterowania. Przykład rozmieszczenia poszczególnych trybów w transmitowanych danych przedstawiono na rysunku 4. Tabela 2 zawiera opis rodzajów kodowania oraz typów danych transmitowanych dla każdego trybu pracy.

Blok EDID-ROM

Rys. 3. Schemat blokowy systemu HDMI

Jak przedstawiono na rysunku 3, odbiornik HDMI zawiera blok o nazwie EDID-ROM. Skrót ten oznacza Extended Display Identification Data, co w wolnym tłumaczeniu można przetłumaczyć jako „rozszerzone dane identyfikujące urządzenie wyświetlające”. Są one zestawem danych (w tym przypadku zapisanych w pamięci ROM) charakteryzujących odbiornik. Zawarta jest w nich informacja o dopuszczalnej rozdzielczości pracy wyświetlacza, obsługiwanych metodach dekodowania kolorów, trybach pracy itp. Blok ten zawiera również informację czy odbiornik jest odbiornikiem DVI, czy też HDMI. Dane odczytywane są za pomocą linii DDC, a ich transmisja odbywa się poprzez linie danych (SDA) oraz zegara (SDC). Protokół transmisji jest zgodny ze standardem I²C.

Ochrona zawartości

Tabela 3. Rozkład sygnałów na poszczególnych pinach złącza DVI.

Ważnym rozwiązaniem jest zastosowany mechanizm HDCP (High Bandwidth Digital Content Protection), który służy do ochrony przed nieautoryzowanym kopiowaniem danych przesyłanych za pośrednictwem złączy DVI oraz HDMI. Jego działanie opiera się na wykorzystaniu następującej procedury – zestawienie bezpiecznego kanału, weryfikacja, czy odbiornik jest uprawniony do odbioru treści chronionej, kodowanie po stronie transmitera, dekodowanie po stronie odbiornika w celu zapobieżenia przechwycenia treści chronionej. Mechanizm ten pozwala również na zidentyfikowanie urządzeń nieautoryzowanych do odbioru określonych danych. Z technicznego punktu widzenia przekłada się to konieczność autoryzacji i wymiany klucza szyfrującego oraz dodania mechanizmu kodowania treści.

Fot. 2. Przewód połączeniowy i gniazdo standardu HDMI

Zarówno w nadajniku, jak i w odbiorniku, zapisany jest zestaw kluczy, które dostarczane są przez posiadacza licencji HDCP. Zestaw ten składa się z matrycy czterdziestu 56-bitowych kluczy urządzenia oraz 40-bitowego, binarnego wektora wyboru klucza (Key Selection Vector). Klucze oraz wektory wyboru klucza przechowywane są w pamięciach EEPROM nadajnika i odbiornika. Wartości, które muszą być wymieniane pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, przesyłane są poprzez magistralę szeregową (linie DDC) dostępną w interfejsach DVI oraz HDMI.

Czym to wszystko połączyć?

Złącza obu standardów, choć są bardzo charakterystyczne, występują w różnych wersjach. W standardzie DVI występują dwa rodzaje złączy – digital only do przesyłu tylko sygnałów cyfrowych oraz złącze cyfrowo–analogowe. Nazwy poszczególnych sygnałów opisane zostały w tabeli 3.

Rys. 5. Złącze HDMI-B

Analogicznie jak dla DVI również w przypadku HDMI dostępne są dwa rodzaje złączy – typu A i typu B. Złącze typu A umożliwia transmisję jedynie danych pomiędzy urządzeniami pracującymi w architekturze „jednego łącza” – zawiera ono jedynie jedno łącze TMDS, dlatego też maksymalna prędkość transmitowanych danych wynosi 165 Mpikseli na sekundę. Aby móc transmitować strumienie danych większe niż 165 Mpikseli na sekundę, konieczne jest zastosowanie złącza typu B. W przypadku tego złącza dostępne są dwa łącza TMDS (dla urządzeń pracujących w architekturze „podwójnego łącza”). Na rysunku 5 przedstawiono złącze typu B, a w tabeli 4 podano poszczególne jego sygnały.

Warto zaznaczyć, że możliwe jest podłączenie urządzenia z wyjściem DVI do odbiornika z wejściem HDMI – na rynku dostępnych jest wiele przewodów umożliwiających wykonanie takiego połączenia. Możliwa jest również sytuacja odwrotna – tzn. dołączenie urządzenia z wyjściem HDMI do urządzenia z wejściem DVI. W zależności od sposobu wykonania połączenia nastąpi ustanowienie odpowiednich parametrów transmisji danych pomiędzy dwoma urządzeniami (standard HDMI jest „kompatybilny w dół” ze standardem DVI). Do ustanowienia optymalnych parametrów transmisji służy mechanizm EDID.

Rys. 4. Przykład rozmieszczenia poszczególnych trybów w transmitowanych danych dla ramki obrazu o rozdzielczości 720x480 progresywnie

Układy dekodujące

Rys. 6. Schemat blokowy odbiornika ANX9021 (na pierwszej stronie pdf-a)

Jedną z firm, która produkuje specjalizowane układy scalone do dekodowania danych kodowanych w standardzie TMDS, jest amerykańska firma Analogix (www.analogix.com). W jej ofercie dostępne są dwa układy scalone – ANX9011 (odbiornik pracujący w architekturze jednego łącza) oraz ANX9021 (architektura podwójnego łącza). Schemat blokowy układu ANX9021 przedstawiono na rysunku 6.

ANX9021 jest rozbudowanym odbiornikiem sygnału HDMI. Strumienie danych zakodowanych w standardzie TMDS, które doprowadzone do wejść układu, przetwarzane są na sygnał audio i wideo, a następnie przetwarzane w dalszej części odbiornika. Układ umożliwia obróbkę maksymalnie ośmiu cyfrowych kanałów audio z maksymalną częstotliwością próbkowania 192kHz, dzięki czemu dobrze nadaje się on do zastosowania w zestawach kina domowego i odbiornikach HDTV.

Układ firmy Analogix pozwala na dekodowanie danych obrazu zakodowanych następującymi technikami:

* 24 bitowy sygnał RGB / YCbCr 4:4:4,

* 16/20/24 bitów YCbCr 4:2:2,

* 8/10/12 bitów YCbCr 4:2:2 (ITU BT-656),

* 12/24 z podwajaniem pikseli.

Układ może współpracować z wieloma typami przetworników cyfrowo-analogowych z racji posiadanych popularnych interfejsów, takich jak I²S oraz S/PDIF.

Tabela 4. Rozkład sygnałów na poszczególnych pinach złącza HDMI-Typ B.

Grzegorz Wcisło
Elektronik 8/2006