CN112491474B

CN112491474B - 用于hdmi低速信号复用后串行传输的方法及帧结构

Info

Publication number: CN112491474B
Application number: CN201910856670.6A
Authority: CN
Inventors: 李冰; 周寿华
Original assignee: Individual
Current assignee: Hefei Hanxin Technology Co ltd
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: CN112491474A

Abstract

本发明公开了一种用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法，包括：将HDMI接口侧的低速信号，经过主时钟采样形成各引脚对应采样值；将采样值以帧结构封装到连续的各帧中，其中每一个帧包括：帧头，所述帧头用于保证所述帧结构能在接收端被正确识别出来；所述帧头之后依次排列的第一行头、第一有效数据、第二行头、第二有效数据、…、第N行头、第N有效数据以及帧尾，其中第一行头至第N行头中的每一个包括一个或多个比特，第一有效数据至第N有效数据分别对应对各HDMI低速信号在一帧时长内的采样结果，所述帧尾是帧结束的标志位；将各帧依次串行输出送往激光驱动器，进行电光转换，从而将封装后的各路信号发送到HDMI彼端；彼端光信号收发器接收光信号，转换成电信号，再经过帧解码，将各有效数据按照特定的时序发送到HDMI接口侧的各对应引脚上。

Description

用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法及帧结构

技术领域

本发明涉及光通信技术领域。具体而言，本发明涉及一种用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法及帧结构。

背景技术

HDMI(High Definition Multimedia Interface，即高清多媒体接口)协议规范现在已经是事实上的民用级(或者称为消费级)高清多媒体传输的“最优”解决方案。

随着HDMI协议版本升级，以及传输距离提高的需求日益增多，光缆传输，尤其是纯光缆传输HDMI信号的技术，其需求越来越迫切。

在HDMI协议信号中，有四路高速信号，负责单向传输音视频；也有低速信号，负责处理诸如握手的热插拔检测HDMI HPD信号、诸如遥控器共享的消费电子产品控制HDMI CEC信号、用于两端设备基础信息交换识别的显示数据通道HDMI DDC信号、音频回传HDMI ARC信号。

现有的HDMI信号传输使用全铜缆。根据最新HDMI 2.1规范，HDMI高速信号的速率已经达到48Gbps，在如此高速率下，电信号的传输在设备间传输应被当成微波信号传输，其对应的传输介质是传输线，这样才能保证信号的完整传输，而不会有反射之类的信号损失，如此才能在显示设备上清晰无误的显示出应有的高清画面和音效。但是很不幸，传输线的制作，随着长度的增加，成本是指数量级的增长，对于消费级应用的HDMI来说，这是灾难性的。也就是说传统的HDMI全铜线缆不适合做长距离(一般而言10米至300米)HDMI传输的解决方案。

这种情况与更早的电信系统中遇到宽带到户的情况非常类似，同样是随着信号速率的增加，铜已经不是好的解决方案。所以电信系统中有“光进铜退”的说法。因此，在HDMI的长距离传输中也可以借鉴于此，将高速信号用光缆传输。如此派生出两种分支解决方案：混合缆和纯光缆。

HDMI混合缆，即，光纤+铜缆的解决方案，用光纤配合四通道光电互转芯片传输高速信号，其他的低速信号还是用传统的铜缆进行传输。光纤和铜线被置于同一缆材中。如此，完美地解决了高速信号的长距离传输。但长距离混合缆中铜缆的存在，还是在成本上造成很大的负担。另外，在应用中也造成了很多的不便，比如超过百米长的混合缆，重量上很沉，保管、运输和工程布线上的压力很大。另外，虽然是低速信号，但是长距离的信号变形以及衰减也会很严重，特别是对于HDMI DDC和ARC信号而言。

相较之下，HDMI长距离传输用纯光缆(所有信号都用光纤传输)解决方案的优越性就越发突出。在长距离下，光纤的成本相比于铜线有更大的优势。而且相同长度下纯光纤缆材更轻巧便携，布线更方便。以及光纤传输信号不会有变形和衰减的问题。

然而，纯光缆方案同时也有挑战，所有的低速信号要各自用与铜线数量*2的光纤，因为光纤只能传单向信号，所以对于低速双向信号而言，需要的光纤数量是两倍于铜线的。暂且撇除缆材本身的成本问题，光路的另一个问题，就是量产加工过程中的耦合效率的提高上，理论上，越多路光纤同时耦合，各路的耦合效率平均下来就越差，严重的话会造成耦合失败，这反过来加重了HDMI纯光缆的制造成本。所以纯光缆所面临的一个任务就是把多路低速信号进行时分复用，用一对(收发各一根)光纤进行传输。

为此，本领域迫切需要开发一种HDMI低速信号复用后传输的帧结构。

发明内容

本发明的目的在于在不损失信号细节的前提下，达成让HDMI低速信号复用后串行传输到彼端设备。

根据本发明的一个方面，提供一种用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法，包括：

将HDMI接口侧的低速信号，经过主时钟采样形成各引脚对应采样值；

将采样值以帧结构封装到连续的各帧中，其中每一个帧包括：帧头，所述帧头用于保证所述帧结构能在接收端被正确识别出来；所述帧头之后依次排列的第一行头、第一有效数据、第二行头、第二有效数据、…、第N行头、第N有效数据以及帧尾，其中第一行头至第N行头中的每一个包括一个或多个比特，第一有效数据至第N有效数据分别对应对各HDMI低速信号在一帧时长内的采样结果，所述帧尾是帧结束的标志位；

将各帧依次串行输出送往激光驱动器，进行电光转换，从而将封装后的各路信号发送到HDMI彼端；

彼端光信号收发器接收光信号，转换成电信号，再经过帧解码，将各有效数据按照特定的时序发送到HDMI接口侧的各对应引脚上。

在本发明的一个实施例中，所述帧结构的容量是4*4比特，所述帧头是4比特‘1’，所述帧头之后依次排列的第一行头、第一有效数据、第二行头、第二有效数据、第三行头、第三有效数据以及帧尾，第一行头至第三行头中的每一个是一比特的‘0’，所述帧尾是一比特的‘0’，第一有效数据包括三个比特，第二有效数据包括三个比特，第三有效数据包括二个比特。

在本发明的一个实施例中，第一有效数据包括scl比特、sda比特和cec比特，scl比特和sda比特对应HDMI显示数据通道的两个信号线上的采样信号，cec比特对应HDMI消费电子产品控制信号；

第二有效数据包括hpd比特和两个arc比特，hpd比特对应HDMI热插拔检测信号，arc比特对应HDMI音频回传信号；

第三有效数据包括两个arc比特。

在本发明的一个实施例中，音频回传信号具有三种时钟频率，分别是4.096MHz、5.6448MHz、6.144MHz，对应的采样频率分别是49.152MHz、67.7376MHz、73.728MHz，将音频回传信号的时钟频率对应的采样频率作为将HDMI接口侧的低速信号的主时钟频率进行采样。

根据本发明的另一个实施例，提供一种用于HDMI低速信号复用后串行传输的帧结构，包括：

帧头，所述帧头用于保证所述帧结构能在接收端被正确识别出来；

所述帧头之后依次排列的第一行头、第一有效数据、第二行头、第二有效数据、…、第N行头、第N有效数据以及帧尾，

其中第一行头至第N行头中的每一个包括一个或多个比特，第一有效数据至第N有效数据分别对应对各HDMI低速信号在一帧时长内的采样结果，

所述帧尾是帧结束的标志位。

在本发明的另一个实施例中，所述帧头包括多个比特，并将每个比特的值都设置为“1”，第一行头至第N行头的每个比特的值都设置为“0”，所述帧尾的比特被设置为“0”。

在本发明的另一个实施例中，所述帧结构的容量是4*4比特，所述帧头是4比特‘1’，所述帧头之后依次排列的第一行头、第一有效数据、第二行头、第二有效数据、第三行头、第三有效数据以及帧尾，第一行头至第三行头中的每一个是一比特的‘0’，所述帧尾是一比特的‘0’，第一有效数据包括三个比特，第二有效数据包括三个比特，第三有效数据包括二个比特。

在本发明的另一个实施例中，所述帧尾与下一帧的帧头的第一比特组合，提供提供一个上升沿，开始帧头的采样到‘1’的计数。

在本发明的另一个实施例中，第一有效数据包括scl比特、sda比特和cec比特，scl比特和sda比特对应HDMI显示数据通道的两个信号线上的采样信号，cec比特对应HDMI消费电子产品控制信号；

第三有效数据包括两个arc比特。

在本发明的另一个实施例中，在HDMI两端设备建立好握手之后的同一次连接时长内，所述hpd比特的值为1。

采用了本发明的数字电路(下称DgtlCore)，将HDMI接口侧(源SOURCE/接收SINK)的低速PIN脚信号，经过主时钟(clk)采样形成DgtlCore的各PIN对应采样值，多次采样值按照“压缩”规律依次循环存入“内存”寄存器中；“内存”寄存器中的值，依次按照一定的采样间隔，以帧结构封装到连续的各帧中，各帧依次串行输出送往激光驱动器Driver(光信号收发器的“发送”端)进行电光转换，从而将封装后的各路信号发送到HDMI彼端；彼端光信号收发器的“接收”端接收光信号，转换成电信号，再经过DgtlCore的帧解码功能，将各有效数据按照特定的时序发送到HDMI接口侧的各对应PIN脚上。以完成用一对儿光纤进行HDMI低速信号无变形，无衰减的传输。并有效降低量产的成本。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法100的流程图。

图2示出根据本发明的一个实施例的用于HDMI低速信号复用后串行传输的帧结构200的示意图。

图3示出根据本发明的一个具体实施例的用于HDMI低速信号复用后串行传输的帧结构300的示意图。

图4示出根据本发明的一个具体实施例的用于HDMI低速信号复用后串行传输的帧结构300在串行传输时的码流的示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

首先，在步骤110，将HDMI接口侧的低速PIN脚信号，经过主时钟采样形成各PIN对应采样值。多次采样值按照“压缩”规律依次循环存入“内存”寄存器中。HDMI接口侧的低速PIN脚信号包括负责处理握手的HDMI HPD信号、遥控器共享HDMI CEC信号、两端设备基础信息交换识别HDMI DDC信号、音频回传HDMI ARC信号等。下文中将结合帧结构中各有效数据位代表的信号来描述如何确定主时钟频率。

接下来，在步骤120，依次按照一定的采样间隔，将采样值以帧结构封装到连续的各帧中。图2示出根据本发明的一个实施例的用于HDMI低速信号复用后串行传输的帧结构200的示意图。如图2所示，帧结构200包括帧头210、帧头210之后依次排列的第一行头220-1、第一有效数据230-1、第二行头220-2、第二有效数据230-2、…、第N行头220-N、第N有效数据230-N、帧尾240。

帧头210用于确保其在帧中以及帧传输过程中形成的串行码流中都是唯一的，即保证该帧能在接收端被正确识别出来。例如，帧头可包括多个比特，并将每个比特的值都设置为“1”。

第一行头220-1至第N行头220-N中的每一个可包括一个或多个比特，并将每个比特都设置为“0”。行头的作用包括：1)平衡帧机构中‘0’和‘1’的个数占比；2)插‘0’以使串行传输的帧码流超过低速信号传输用光信号收发器(下面记为“TRx”)的低频截止频率。在本发明的具体实施例中，每个行头为一个比特。

第一有效数据230-1至第N有效数据230-N分别对应对各HDMI低速信号在一帧时长内的采样结果，需要发送到HDMI彼端设备。第一有效数据230-1至第N有效数据230-N中各信号比特的排布数量以及对各信号的采样频率需要进行综合考虑。

帧尾240是帧结束的标志位；也是为了确保帧头不与有效数据部分连起来。帧尾240可包括一个或多个比特，每一个比特可被设置为“0”。

图3示出根据本发明的一个具体实施例的用于HDMI低速信号复用后串行传输的帧结构300的示意图。从图3可以看到，帧结构300容量是4*4比特，刨除帧头、行头、帧尾，其余8比特为有效数据位，即，scl比特、sda比特、cec比特、hpd比特和arc比特，分别对应对各自HDMI低速信号在一帧时长内的采样结果，需要发送到HDMI彼端设备。

在图3中，帧头(下述以“Preamble”标识)是4比特‘1’；这4比特连‘1’结构简单，保证其在帧中以及帧传输过程中形成的串行码流中都是唯一的——即保证该帧能在接收端被正确识别出来；

行头为一比特的‘0’，除了Preamble行，剩下3行都是以一比特‘0’开始；作用一个是平衡帧机构中‘0’和‘1’的个数占比；二是插‘0’以使串行传输的帧码流超过低速信号传输用光信号收发器(下面记为“TRx”)的低频截止频率；

帧尾为一比特的‘0’，是帧结束的标志位；也是为了确保Preamble的4比特的‘1’不与有效数据部分连起来；与Preamble第一比特组合，提供一个上升沿，开始Preamble的采样到‘1’的计数；这个也可以在图4中看出帧尾与帧头的组合。图4示出根据本发明的一个具体实施例的用于HDMI低速信号复用后串行传输的帧结构300在串行传输时的码流的示意图。

scl比特和sda比特对应HDMI DDC的两个信号线。HDMI协议中DDC的时钟频率是100KHz。结合协议中其他的时序要求，DDC的最小采样频率是4MHz；

cec比特对应HDMI CEC信号。分析HDMI协议时序，其需要的最小采样频率是40KHz；

hpd比特对应HDMI HPD信号。是热插拔检测信号，在HDMI两端设备建立好握手之后的同一次连接时长内，HPD信号都不会发生变化，即可以将该信号看成是直流信号。Hpd比特在帧中的位置，是考虑了要满足TRx的低频截止频率——其为‘1’时，将连‘0’长度从中间分开了——前面最长5比特连‘0’，后面最长也是5比特连‘0’，arc比特是BMC码型，不会超过3比特连‘0’；这5比特是从帧尾开始往“回”数的；即便对于最小的主频49.152MHz，其最长连‘0’对应的频率ft/(5*2)＝1.6384MHz>1MHz，满足TRx的低频截止频率要求；hpd＝‘0’时，握手未建立，帧的传输失去了目的地，各有效数据比特也就没有了意义，则能不能传过TRx也没有意义；

arc比特对应HDMI ARC信号。HDMI中是以BMC码型进行ARC信号的传输，在HDMI ARC的协议中，存在三种ARC时钟频率，即，4.096MHz、5.6448MHz、6.144MHz。根据ARC BMC码型的特点，BMC码型最长的连‘0’/‘1’长度是3个比特，可以让三种ARC时钟频率分别对应一个采样频率，要求各采样频率对ARC BMC码型采样后能够区分出三种ARC频率。区分的原则是看两个相邻跳变延间对ARC信号采样到的拍数N0，(即连‘0’/‘1’的采样到的拍数)是否符合特征值。经过验证，49.152MHz、67.7376MHz、73.728MHz分别是三种ARC时钟频率的最小采样频率fs_arc，可区分开三种ARC时钟频率。即各ARC时钟频率的12倍频。更高倍频当然可以满足要求，而且特征值更明显，但是考虑到数字电路的功耗与时钟频率成正比，12倍频更合适。结合以上各信号的最小采样频率，ARC的采样频率是最高的，所以是以其采样频率为基准作为主时钟频率，进行帧结构(各数据的比特数)和帧频的设计——其帧频是ARC频率的1/4，即每帧传4比特的ARC BMC码型；帧中每比特的传输速率，即帧传输频率ft，是ARC时钟频率的4倍，也是主时钟频率的1/3。

接下来，返回图1，在步骤130，将各帧依次串行输出送往激光驱动器，即光信号收发器的“发送”端，进行电光转换，从而将封装后的各路信号发送到HDMI彼端。

在步骤140，彼端光信号收发器的“接收”端接收光信号，转换成电信号，再经过帧解码，将各有效数据按照特定的时序发送到HDMI接口侧的各对应PIN脚上。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims

1.一种用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法，包括：

将采样值以帧结构封装到连续的各帧中，其中每一个帧包括：帧头，所述帧头用于保证所述帧结构能在接收端被正确识别出来；所述帧头之后依次排列的第一行头、第一有效数据、第二行头、第二有效数据、…、第N行头、第N有效数据以及帧尾，其中第一行头至第N行头中的每一个包括一个或多个比特，第一有效数据至第N有效数据分别对应对各HDMI低速信号在一帧时长内的采样结果，所述帧尾是帧结束的标志位，其中所述帧头包括多个比特，并将每个比特的值都设置为“1”，第一行头至第N行头的每个比特的值都设置为“0”，所述帧尾的比特被设置为“0”；

2.如权利要求1所述的用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法，其特征在于，所述帧结构的容量是4*4比特，所述帧头是4比特‘1’，所述帧头之后依次排列的第一行头、第一有效数据、第二行头、第二有效数据、第三行头、第三有效数据以及帧尾，第一行头至第三行头中的每一个是一比特的‘0’，所述帧尾是一比特的‘0’，第一有效数据包括三个比特，第二有效数据包括三个比特，第三有效数据包括二个比特。

3.如权利要求2所述的用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法，其特征在于，所述帧尾与下一帧的帧头的第一比特组合，提供一个上升沿，开始帧头的采样到‘1’的计数。

4.如权利要求2所述的用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法，其特征在于，第一有效数据包括scl比特、sda比特和cec比特，scl比特和sda 比特对应HDMI显示数据通道的两个信号线上的采样信号，cec比特对应HDMI消费电子产品控制信号；

第三有效数据包括两个arc比特。

5.如权利要求4所述的用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法，其特征在于，音频回传信号具有三种时钟频率，分别是4.096MHz、5.6448MHz、6.144MHz，对应的采样频率分别是49.152MHz、67.7376MHz、73.728MHz，将音频回传信号的时钟频率对应的采样频率作为HDMI接口侧的低速信号的主时钟频率进行采样。

6.如权利要求5所述的用于HDMI低速信号复用后串行传输的方法，其特征在于，在HDMI两端设备建立好握手之后的同一次连接时长内，所述hpd比特的值为1。