CN112422850A - 一种针对hdmi协议低速信号进行线速转发的电路 - Google Patents

一种针对hdmi协议低速信号进行线速转发的电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路，包括HDMI发送端模块和HDMI接收端模块；HDMI发送端模块，实时解析源端接口信号，压缩后发送给HDMI接收端，并且从HDMI接收端模块接收反向通信信号，实时解压缩后传输给源端；HDMI接收端模块，实时解析从HDMI发送端接收到的信号，解压然后传输给显示设备端，并且将显示设备端的信号，实时压缩后发送给HDMI接收端模块；HDMI发送端模块的解析模块与HDMI接收端模块的解析模块，根据具体通信情况合理切换IO方向，实现低延迟的双向通信。本发明支持EDID信息读取，支持HDCP，SCDC，时钟延展和Read Request功能，解决CEC总线仲裁问题，实现音频回传并驱动ARC端口，在线缆拔出时正确控制HPD信号，并且保证方案的低成本，低延时，高可靠性，高兼容性。

Description

一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路
技术领域
本发明涉及微电子通信技术领域，特别涉及一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路。
背景技术
随着显示技术的不断发展，显示器分辨率的不断提高。音视频数据的传输速率从百兆赫兹到吉赫兹再到数十吉赫兹，在这种趋势下显示传输系统光进铜退已成为显示技术发展的必然。HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清多媒体接口)，DVI(Digital Visual Interface，数字视频接口)等显示传输协议中除了高速信号的定义还规定了SDA(Serial Data Line，串行数据线)，SCL(Serial Clock Line，串行时钟线)，HPD(Hot Plug Detection，热插拔检测)，CEC(Consumer Electronics Control，消费类电子控制)，ARC(Audio Return Channel，音频回传通道)这五个低速信号。这些信号对显示控制，用户操控及音频回传等方面起着重要的作用。因此这些低速信号的低成本，低延迟，高可靠性，高兼容性的光纤传输对于光纤HDMI及光纤DVI的实现起着尤为重要的作用。然而，SDA，SCL这种半双工通信不能与光纤通信这种单向通信较好的兼容。CEC使用的单总线通信存在总线仲裁问题与光纤通信的点对点通信的拓扑结构也存在冲突。ARC信号对光纤传输的带宽也有着一定的要求。
关于HDMI协议低速信号传输现有技术中给出一些解决方案，例如：
(1)把源端的DDC信号接到本地的EEPROM(Electrically Erasable ProgrammableRead Only Memory，带电可擦可编程只读存储器)中，而本地EEPROM中存放通用显示设备的EDID(Extended Display Identification Data，扩展显示器识别数据)信息。该方案缺陷在于无法读取实际的显示设备的EDID信息，方案兼容性较差。
(2)上电读取显示设备端EDID信息，然后以光纤通信方式传输给源端。该方法可以有效的在源端复制一份显示设备端的EDID，使得远端发起DDC(Direct Digital Control，直接数字控制)通信时正确读取显示设备的EDID信息。但是该方案的缺陷在于无法支持HDCP(High-bandwidth Digital Content Protection，高带宽数字内容保护技术)，SCDC(Status and Control Data Channel，HDMI状态与控制数据通道)，时钟延展，Readrequest(读请求，显示设备主动拉低sda信号以要求源设备读取其标志位的功能)等功能。
(3)使用存储转发的方式，首先接收DDC信息，当需要设备端响应时主动拉低SCL信号使远端发生时钟延展，从而等待从设备响应。当从设备响应后返回给源设备，并取消时钟延展。该方案可正常读取EDID，支持HDCP和SCDC，时钟延展。但是该方案的缺点是响应延时较长，需要等读取从设备响应后再反馈给源设备。且对于源设备不支持时钟延展的情况该方案无法生效。所以该方案的兼容性较差。
而且现有技术中，对CEC通信的总线仲裁问题，并没有给出有效的解决方案。
因此，为了解决现有技术中存在的问题，完整实现SDA，SCL，HPD，CEC，ARC五个低速信号使用光纤传输进行全双工通信，需要一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路，所述电路包括HDMI发送端模块和HDMI接收端模块；
所述HDMI发送端模块，实时解析源端接口信号，压缩后发送给HDMI接收端，并且从HDMI接收端模块接收反向通信信号，实时解压缩后传输给源端；
所述HDMI接收端模块，实时解析从HDMI发送端接收到的信号，解压然后传输给显示设备端，并且将显示设备端的信号，实时压缩后发送给HDMI接收端模块；
HDMI发送端模块的解析模块与HDMI接收端模块的解析模块，根据具体通信情况合理切换IO方向，实现低延迟的双向通信。
优选地，所述HDMI发送端模块包括DDC解码及转发单元，CEC解码及转发单元，CEC仲裁单元，ARC驱动单元，时分复用单元，信道编码单元，同步单元，解时分复用单元，发送电路和接收电路。
优选地，所述HDMI接收端模块包括DDC解码及转发单元，CEC解码及转发单元，CEC仲裁单元，ARC信号放大单元，时分复用单元，信道编码单元，同步单元和解时分复用单元，发送电路和接收电路。
优选地，所述HDMI发端模块中，DDC解码及转发单元与源端的SDA信号引脚、SCL信号引脚相连，负责处理源端DDC通信；
所述HDMI发端模块中，CEC解码及转发单元、CEC仲裁单元分别与源端的CEC信号相连，负责处理源端的CEC通信。
优选地，所述HDMI发端模块中，DDC解码及转发单元和CEC解码及转发单元以本地时钟为间隔，实时转发源端的SDA、SCL和CEC信号，并实时运行协议解析状态机控制信号实际的通信方向。
优选地，所述HDMI接收端模块中，DDC解码及转发单元与显示设备端的SDA信号引脚、SCL信号引脚相连，负责处理源端DDC通信；
所述HDMI接收端模块中，CEC解码及转发单元、CEC仲裁单元分别与显示设备端的CEC引脚相连，负责处理显示设备端的CEC通信。
优选地，所述HDMI接收模块中，CEC解码及转发单元以本地时钟为间隔，实时转发显示设备端的CEC信号，并实时运行协议解析状态机控制信号实际的通信方向。
优选地，所述HDMI发送端模块中的时分复用单元，解时分复用单元，信道编码单元，同步单元，发送电路和接收电路，用于将HPD信号、SDA信号、SCL信号、CEC信号、ARC信号五各低速信号压缩到两个双向通信的信道上进行通信；
所述HDMI接收端模块中的时分复用单元，解时分复用单元，信道编码单元，同步单元，发送电路和接收电路，用于将HPD信号、SDA信号、SCL信号、CEC信号、ARC信号五个低速信号压缩到两个双向通信的信道上进行通信。
优选地，所述HDMI发送端模块中的时分复用单元，循环环采集源端的SDA、SCL、CEC信号，通过HDMI接收端模块发送给显示设备端。
优选地，所述HDMI接收端模块中的时分复用单元，循环采集显示设备端的SDA、SCL、CEC、HPD、ARC信号，通过HDMI发送端模块发送给源端。
本发明提供的一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路，能够完整实现SDA，SCL，HPD，CEC，ARC五个低速信号使用光纤传输进行全双工通信。
本发明提供的一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路，支持EDID信息读取，支持HDCP，SCDC，时钟延展和Read Request功能，解决CEC总线仲裁问题，实现音频回传并驱动ARC端口，在线缆拔出时正确控制HPD信号，并且保证方案的低成本，低延时，高可靠性，高兼容性。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路的总体结构示意图。
图2示出了本发明HDMI发送端模块的DDC解码及转发单元的结构示意图。
图3示出了本发明HDMI接收端模块的DDC解码及转发单元的结构示意图。
图4示出了本发明CEC仲裁通信的示意图。
图5示出了本发明一个实施例中使用本发明电路转发I2C信号的示意图。
图6示出了本发明另一个实施例中本发明电路与高速信号转发结合的示意图。
图7示出了本发明再一个实施例中本发明电路实现多个不同源端信号传输的示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
为了解决现有技术中有源光纤低速信号在光线传输中全双工通信存在的问题，本发明提供一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路。根据本发明的实施例，如图1所示本发明一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路的总体结构示意图，本发明提供的针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路包括HDMI发送端模块和HDMI接收端模块，源端与HDMI发送端模块相连，HDMI接收端模块与显示设备相连。
HDMI发送端模块，实时解析源端接口信号，压缩后发送给HDMI接收端，并且从HDMI接收端模块接收反向通信信号，实时解压缩后传输给源端。
HDMI接收端模块，实时解析从HDMI发送端接收到的信号，解压然后传输给显示设备端，并且将显示设备端的信号，实时压缩后发送给HDMI接收端模块。
HDMI发送端模块的解析模块与HDMI接收端模块的解析模块，根据具体通信情况合理切换IO(Input/Output，输入/输出)方向，实现低延迟的双向通信。
为了使本发明的电路更加清晰的得以说明，分别对HDMI发送端模块和HDMI接收端模块进行说明。
HDMI发送端模块
根据本发明的实施例，HDMI发送端模块包括DDC解码及转发单元，CEC解码及转发单元，CEC仲裁单元，ARC驱动单元，时分复用单元，信道编码单元，同步单元，解时分复用单元，发送电路和接收电路。
HDMI发端模块中，DDC解码及转发单元与源端的SDA信号引脚、SCL信号引脚相连，负责处理源端DDC通信；HDMI发端模块中，CEC解码及转发单元、CEC仲裁单元分别与源端的CEC信号相连，负责处理源端的CEC通信。
HDMI发端模块中，DDC解码及转发单元和CEC解码及转发单元以本地时钟为间隔，实时转发源端的SDA、SCL和CEC信号，并实时运行协议解析状态机控制信号实际的通信方向。其中，DDC解码及转发单元对源端的SDA、SCL信号解析，CEC解码及转发单元对源端的CEC信号解析。
本发明中采用上述线速转发的方式，将通信延迟减小到50ns以内，大大增强最终的显示传输方案对不同设备的兼容性。
HDMI发送端模块中的时分复用单元，解时分复用单元，信道编码单元，同步单元，发送电路和接收电路，用于将HPD信号、SDA信号、SCL信号、CEC信号、ARC信号五个低速信号压缩到两个双向通信的信道上进行通信。
HDMI发送端模块中的时分复用单元，将低速信号以时分复用的方式复用到一个信道中发送。在一些实施例中，在HDMI发送端模块，SDA，SCL，HPD，CEC，ARC五个低速信号中的ARC对信号的传输带宽有要求，故在时分复用中占用50％的时间片，其余带宽在CEC、HPD、SDA、SCL四个信号之间平分。
HDMI发送端模块中的解时分复用单元，用于将接收到的信号解复用为低速信号输出到源端接口。
HDMI发送端模块中的时分复用单元，循环环采集源端的SDA、SCL、CEC信号，通过HDMI接收端模块发送给显示设备端。时分复用单元对五个低速信号的传输顺序可任意排列。
HDMI发送端模块中，发送电路将编码后的信号调制到适合在物理信道中传输的形式。通常对无线通信采用窄带通信方式，将信号调制到高频载波上进行传输，对于铜线或光纤信道可采用PAM(脉冲幅度调制)的方式。
HDMI发送端模块中，接收电路对信道中的信号进行接收，由于HDMI发送端具有本地时钟，接收信号后通过同步单元对接收信号进行位同步和帧同步。
HDMI接收端模块
根据本发明的实施例，HDMI接收端模块包括DDC解码及转发单元，CEC解码及转发单元，CEC仲裁单元，ARC信号放大单元，时分复用单元，信道编码单元，同步单元和解时分复用单元，发送电路和接收电路。
HDMI发送端模块的发送电路经过物理媒介(例如光纤)到达HDMI接收端模块，经HDMI接收端模块的接收电路接收信号。
HDMI接收端模块中，DDC解码及转发单元与显示设备端的SDA信号引脚、SCL信号引脚相连，负责处理源端DDC通信。
HDMI接收端模块中，CEC解码及转发单元、CEC仲裁单元分别与显示设备端的CEC引脚相连，负责处理显示设备端的CEC通信。
HDMI接收模块中，CEC解码及转发单元以本地时钟为间隔，实时转发显示设备端的CEC信号，并实时运行协议解析状态机控制信号实际的通信方向。其中，CEC解码及转发单元对显示设备端的CEC信号解析。
本发明中采用上述线速转发的方式，将通信延迟减小到50ns以内，大大增强最终的显示传输方案对不同设备的兼容性。
HDMI接收模块中，DDC解码及转发单元实时监测SDA，SCL信号线的电平，当监测到设备显示端发生时钟延展及Read Request事件时，将请求转发给HDMI发送端模块，从而通知源设备进行相应操作。
HDMI接收端模块中DDC解码及转发单元，能够解析HMDI发送端模块发来的SDA和SCL信号，并把显示设备端的ACK及读到数据及时反馈给源端。
HDMI接收端模块中的时分复用单元，解时分复用单元，信道编码单元，同步单元，发送电路和接收电路，用于将HPD信号、SDA信号、SCL信号、CEC信号、ARC信号五个低速信号压缩到两个双向通信的信道上进行通信。
HDMI接收端模块中的时分复用单元，将低速信号以时分复用的方式复用到一个信道中发送。在一些实施例中，在HDMI接收端模块，SDA，SCL，HPD，CEC，ARC五个低速信号中的ARC对信号的传输带宽有要求，故在时分复用中占用50％的时间片，其余带宽在CEC、HPD、SDA、SCL四个信号之间平分。
HDMI接收端模块中的解时分复用单元，用于将接收到的信号解复用为低速信号输出到显示设备端接口。
HDMI接收端模块中的时分复用单元，循环采集显示设备端的SDA、SCL、CEC、HPD、ARC信号，通过HDMI发送端模块发送给源端。时分复用单元对五个低速信号的传输顺序可任意排列。
HDMI接收端模块中，发送电路将编码后的信号调制到适合在物理信道中传输的形式。通常对无线通信采用窄带通信方式，将信号调制到高频载波上进行传输，对于铜线或光纤信道可采用PAM(脉冲幅度调制)的方式。
HDMI接收端模块中，接收电路对信道中的信号进行接收，由于HDMI接收端具有本地时钟，接收信号后通过同步单元对接收信号进行位同步和帧同步。
上文中对本发明对HDMI发送端模块和HDMI接收端模块进行了详细的阐释，本发明中HDMI发送端模块和HDMI接收端模块的信道编码均采用改进的曼彻斯特编码通信，无需对发送端和接收端的时钟信号完全同步就可实现正常通信。
根据本发明的实施例，本发明使用的线速转发方式并不限定于特定的I2C(Inter－Integrated Circuit，两线式串行总线)地址，可适用于EDID信号的读取，HDCP的通信和SCDC的通信。对于从0x00～0x7F的所有128个地址都可实现兼容。
如图2所示本发明HDMI发送端模块的DDC解码及转发单元的结构示意图，图3所示本发明HDMI接收端模块的DDC解码及转发单元的结构示意图。HDMI发送端模块的DDC解码及转发单元和HDMI接收端模块的DDC解码及转发单元，支持对任意I2C设备地址的单次读写或连续读写操作。支持在HDMI接收模块发来时钟延展信号时，拉低源端SCL引脚告知源端设备发生时钟延展。支持在HDMI接收模块发来Read Request信号时，拉低源端SDA引脚告知源端设备，请求发起对A8地址的DDC通信。
HDMI发送端模块的DDC解码及转发单元和HDMI接收端模块的DDC解码及转发单元，使用实时运行的DDC Slave状态机，根据主I2C发出的通信实时转发通信信号的同时的更新通信状态，状态机可以实时解析主I2C是否在等待从I2C的ACK信号(返回信号)或者等待读取数据，据此可以切换IO通信方向把从I2C接收的信号及时转发给主I2C从而实现实时I2C通信转发。
HDMI发送端模块的DDC解码及转发单元和HDMI接收端模块的DDC解码及转发单元，还可根据从I2C发来的信号解析出时钟延展和Read Request的指令，并控制SDA，SCL引脚转发这两项请求。
根据本发明的实施例，HDMI发送端模块的电由源端提供或则外部输入电源提供。HDMI接收端块的电由显示设备端提供或则外部输入电源提供。本发明提供的电路在支持HPD信号，在HDMI接收端模块外供电或者显示设备供电的情况下都能够正确反映线缆的插拔状态。
根据本发明的实施例，在HDMI接收端模块对从Utility引脚和HPD引脚取出ARC信号通过ARC信号放大单元进行放大。传输到HDMI发送端模块，ARC驱动单元将ARC信号调节到符合HDMI协议规范的电平范围内输出，并提供一定的驱动能力。具体地，HDMI发送端模块中的ARC驱动单元将显示设备端传来的ARC信号转化为符合HDMI电平标准的ARC信号，并驱动外围电路。
图4示出了本发明CEC仲裁通信的示意图，本发明中包含了对CEC信号仲裁的处理。在HDMI发送端模块中CEC解码及转发单元解析源端的CEC信号并转发给显示设备端，CEC仲裁单元根据源端和显示设备端的信号判定CEC的通信方向。
在HDMI接收端模块中CEC解码及转发单元解析显示设备端的CEC信号并转发给源端，CEC仲裁单元根据源端和显示设备端的信号判定CEC的通信方向。
本发明将CEC单总线通信中的总线仲裁方法，移植到光传输或者无线传输这些点对点通信中，使用本地仲裁及仲裁结果路由的方法，将CEC的总线通信映射为点对点通信中的路由通信。
图4中每个方块代表一个HDMI的通信节点，图4中整体拓扑结构为网络的拓扑结构，通信方式为点到点通信。本发明中每个节点都有本地的CEC仲裁单元，每个节点进行局部仲裁。仲裁失败后原本的通信方向将发生切换，因此仲裁失败的CEC通信将不再被传输。例如图4中的第8节点仲裁失败，它发出的通信将不再被传输，整个网络中将以flooding的形式广播节点4发出的CEC通信。
如图5所示本发明一个实施例中使用本发明电路转发I2C信号的示意图，实施例中可以支持到400Khz的I2C通信，完全可满足HDMI和DVI协议对I2C通信速率的最高要求，并且该实施例中I2C通的不同时序实现均能进行正常通信，具有较强的兼容性。该实施例中从I2C的时钟延展能正确反映到主I2C。
图6示出了本发明另一个实施例中本发明电路与高速信号转发结合的示意图，使用本发明中的低速信号线速度转发电路结构，并结合HDMI高速信号的光电转换和电光转换电路。实施例中为有源线缆，线缆分发送端和接收端两个接头。
图7示出了本发明再一个实施例中本发明电路实现多个不同源端信号传输的示意图，施实例中使用上述有源HDMI线缆将显示设备与视频源设备连接，并且用有源HDMI线缆连接显示器与支持音频回传功能的音频输出设备。其他控制设备也通过游源HDMI线缆与显示器连接。经测试使用本发明中的低速转发电路可支持视频源设备进行HDMI1.4，HDMI2.0，HDMI2.1协议的视频信号传输，可支持分辨率的从480p到4K60hz的任意切换，可支持CEC控制功能，可支持音频回传功能。
本发明提供的一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路，支持EDID信息读取，支持HDCP，SCDC，时钟延展和Read Request功能，解决CEC总线仲裁问题，实现音频回传并驱动ARC端口，在线缆拔出时正确控制HPD信号，并且保证方案的低成本，低延时，高可靠性，高兼容性。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种针对HDMI协议低速信号进行线速转发的电路，其特征在于，所述电路包括HDMI发送端模块和HDMI接收端模块；
所述HDMI发送端模块，实时解析源端接口信号，压缩后发送给HDMI接收端，并且从HDMI接收端模块接收反向通信信号，实时解压缩后传输给源端；
所述HDMI接收端模块，实时解析从HDMI发送端接收到的信号，解压然后传输给显示设备端，并且将显示设备端的信号，实时压缩后发送给HDMI接收端模块；
HDMI发送端模块的解析模块与HDMI接收端模块的解析模块，根据具体通信情况合理切换IO方向，实现低延迟的双向通信。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述HDMI发送端模块包括DDC解码及转发单元，CEC解码及转发单元，CEC仲裁单元，ARC驱动单元，时分复用单元，信道编码单元，同步单元，解时分复用单元，发送电路和接收电路。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述HDMI接收端模块包括DDC解码及转发单元，CEC解码及转发单元，CEC仲裁单元，ARC信号放大单元，时分复用单元，信道编码单元，同步单元和解时分复用单元，发送电路和接收电路。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述HDMI发端模块中，DDC解码及转发单元与源端的SDA信号引脚、SCL信号引脚相连，负责处理源端DDC通信；
所述HDMI发端模块中，CEC解码及转发单元、CEC仲裁单元分别与源端的CEC信号相连，负责处理源端的CEC通信。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述HDMI发端模块中，DDC解码及转发单元和CEC解码及转发单元以本地时钟为间隔，实时转发源端的SDA、SCL和CEC信号，并实时运行协议解析状态机控制信号实际的通信方向。
6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述HDMI接收端模块中，DDC解码及转发单元与显示设备端的SDA信号引脚、SCL信号引脚相连，负责处理源端DDC通信；
所述HDMI接收端模块中，CEC解码及转发单元、CEC仲裁单元分别与显示设备端的CEC引脚相连，负责处理显示设备端的CEC通信。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述HDMI接收模块中，CEC解码及转发单元以本地时钟为间隔，实时转发显示设备端的CEC信号，并实时运行协议解析状态机控制信号实际的通信方向。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述HDMI发送端模块中的时分复用单元，解时分复用单元，信道编码单元，同步单元，发送电路和接收电路，用于将HPD信号、SDA信号、SCL信号、CEC信号、ARC信号五个低速信号压缩到两个双向通信的信道上进行通信；
所述HDMI接收端模块中的时分复用单元，解时分复用单元，信道编码单元，同步单元，发送电路和接收电路，用于将HPD信号、SDA信号、SCL信号、CEC信号、ARC信号五个低速信号压缩到两个双向通信的信道上进行通信。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述HDMI发送端模块中的时分复用单元，循环采集源端的SDA、SCL、CEC信号，通过HDMI接收端模块发送给显示设备端。
10.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述HDMI接收端模块中的时分复用单元，循环采集显示设备端的SDA、SCL、CEC、HPD、ARC信号，通过HDMI发送端模块发送给源端。
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