HDMI变得简单：HDMI到VGA和VGA到HDMI转换器

作者：Brett Li and Witold Kaczurba

消费市场已经在电视、投影仪和其他多媒体设备中采用了高清多媒体接口（HDMI）技术，使HDMI成为全球公认的接口，很快将用于所有多媒体设备。HDMI接口已经在家庭娱乐中很受欢迎，在便携式设备和汽车信息娱乐系统中变得越来越普遍。

标准化多媒体接口的实施是由竞争激烈的消费市场推动的，其中上市时间是一个关键因素。除了提高市场接受度外，使用标准接口还大大提高了投影仪、DVD 播放器、高清电视和各种制造商生产的其他设备之间的兼容性。

然而，在一些工业应用中，从模拟视频到数字视频的过渡时间比消费市场要长，而且许多设备尚未转向发送集成视频、音频和数据的新数字方法。这些设备仍然使用模拟信号作为传输视频的唯一手段，这可能是由于特定市场或应用的特定要求。例如，一些客户仍然喜欢将视频图形阵列 （VGA） 电缆用于投影仪，而另一些客户则使用音频/视频接收器 （AVR） 或媒体盒作为集线器，将单根 HDMI 电缆连接到电视，而不是一批不美观的电缆，如图 1 所示。

图1.媒体盒将模拟信号转换为HDMI。

新采用者可能会将HDMI视为一个相对复杂的标准，需要经过验证的软件驱动程序，互操作性检查和合规性测试，以确保一个设备与其他各种设备的正确行为。这可能看起来有点压倒性 - 就像新技术经常出现的情况一样。

然而，先进的硅解决方案越来越多地可用于解决实现复杂性问题，实现模拟和数字领域的改进;它们包括用于均衡差分信号的更高性能模块和更复杂的算法，以减少软件开销并纠正位错误。

本文展示了先进的硅解决方案和智能实施的软件如何促进HDMI的实施。HDMI至VGA（“HDMI2VGA”）和VGA至HDMI（“VGA2HDMI”）转换器两种基本器件为熟悉视频应用的工程师提供了一种在模拟视频和数字视频之间转换的简便方法。

虽然HDMI已经成为高清视频的事实接口，但VGA仍然是笔记本电脑上最常见的接口。本文还介绍了如何互连这些视频技术。

HDMI应用和视频标准简介

HDMI 接口使用转换最小化差分信号 （TMDS） 线路以数据包的形式传输视频、音频和数据。除了这些多媒体信号外，该接口还包括用于交换扩展显示识别数据 （EDID） 和高带宽数字内容保护 （HDCP） 的显示数据通道 （DDC） 信号。

此外，HDMI接口可以配备消费电子控制（CEC），音频回传通道（ARC）和家庭以太网通道（HEC）。由于这些对于此处描述的应用程序不是必需的，因此本文不讨论它们。

EDID数据包括一个128字节长（VESA—视频设备标准协会）或256字节长（CEA-861—消费电子协会）的数据块，用于描述视频接收器（Rx）的视频和（可选）音频功能。EDID由视频源（播放器）通过DDC线路从视频接收器读取，使用I2C 协议。视频源必须发送视频接收器在 EDID 中支持和列出的首选或最佳视频模式。EDID 还可能包含有关视频接收器的音频功能的信息，以及支持的音频模式及其各自频率的列表。

VGA和HDMI都具有DDC连接，以支持源和接收器之间的通信。EDID的前128字节可以在VGA和HDMI之间共享。根据ADI公司HDMI一致性测试（CT）实验室的经验，EDID的前128字节更容易出错，因为一些设计人员不熟悉HDMI规范的严格要求，大多数文章都侧重于EDID扩展模块。

表 1 显示了 EDID 的前 128 个字节中容易出错的部分。可以参考 CEA-861 规范，了解 CEA 扩展块设计的详细信息，该扩展块设计可能位于 EDID 的前 128 个字节之后。

表 1.电子开发局基本介绍

 

地址	字节	描述	评论
00h	8	标头： （00 FF FF FF FF FF FF 00）h	强制固定块头
08小时	10	供应商和产品标识
08小时	2	ID 制造商名称	微软发布的三个压缩 ASCII 字符代码®
12小时	2	EDID结构版本和修订
12小时	1	版本号： 01h	固定
13小时	1	修订号：03h	固定
18小时	1	功能支持	电源管理和颜色类型等功能。位 1 应设置为 1。
36小时	72	18 字节数据块
36小时	18	首选定时模式	指示一个可以生成最佳质量屏幕图像的受支持计时。对于大多数平板显示器，首选的定时模式是面板的本机定时。
48h	18	详细计时 #2 或显示描述符	指示详细计时，或可用作显示描述符。应使用两个词作为显示描述符，一个作为监视器范围限制，一个作为监视器名称。详细的时序块应先于显示描述符块。
5安时	18	详细计时 #3 或显示描述符
6通道	18	详细计时 #4 或显示描述符
7呃	1	扩展块计数 N	要遵循的 128 字节 EDID 扩展块的数量。
7Fh	1	校验和	此 EDID 块中所有 128 个字节的 1 字节总和应等于零。
80...		块地图或 CEA 扩展

 

VGA和HDMI的定时格式由上述两个标准制定组分别定义：VESA和CEA/EIA。VESA 计时格式可以在 VESA 监视器计时和坐标视频计时标准中找到;HDMI 定时格式在 CEA-861 中定义。VESA计时格式涵盖了主要用于PC和笔记本电脑的标准，如VGA，XGA，SXGA。CEA-861描述了电视和ED/HD显示器中使用的标准，例如480p，576p，720p和1080p。在计时格式中，只有一种格式 640 × 480p @ 60 Hz 是 VESA 和 CEA-861 标准的强制性和通用格式。PC 和电视都必须支持此特定模式，因此在本例中使用它。表 2 显示了常用支持的视频标准之间的比较。详细数据可以在相应的规格中找到。

表 2.最受欢迎的 VESA 和 CEA-861 标准（p = 逐行，i = 隔行扫描）

 

VESA （显示监视器定时）	CEA-861
640 × 350p @ 85 MHz	720 × 576i @ 50 Hz
640 × 400p @ 85 Hz	720 × 576p @ 50/100 Hz
720 × 400p @ 85 Hz	640 × 480p @ 59.94/60 Hz
640 × 480p @ 60/72/75/85 Hz	720 × 480i @ 59.94/60 Hz
800 × 600p @ 56/60/72/75/85 Hz	720 × 480p @ 59.94/60/119.88/120 Hz
1024 × 768i @ 43 Hz	1280 × 720p @ 50/59.94/60/100/119.88/120 Hz
1024 × 768p @ 60/70/75/85 Hz	1920 × 1080i @ 50/59.94/60/100/200 Hz
1152 × 864p @ 75 Hz	1920 × 1080p @ 59.94/60 Hz
1280 × 960p @ 60/85 Hz	1440 × 480p @ 59.94/60 Hz
1280 × 1024p @ 60/75/85 Hz	1440 × 576p @ 50 Hz
1600 × 1200p @ 60/65/70/75/85 Hz	720（1440） × 240p @ 59.94/60 Hz
1920 × 1440p @ 60/75 Hz	720（1440） × 288p @ 50 Hz

 

简要介绍应用和部分要求

HDMI2VGA和VGA2HDMI转换器的关键要素是确保视频源发送符合适当视频标准的信号。这是通过提供具有适当 EDID 内容的视频源来完成的。收到后，可以将正确的视频标准转换为最终的HDMI或VGA标准。

图2和图3中的功能框图概述了HDMI2VGA和VGA2HDMI转换的相应过程。HDMI2VGA转换器假定HDMI Rx包含一个内部EDID。

图2.具有音频提取功能的HDMI2VGA转换器。

图3.VGA2HDMI转换器。

操作理论

VGA2HDMI：VGA 源从接收器读取 EDID 内容，以使用 DDC 线路通道获取支持的时序列表，然后视频源开始发送视频流。VGA 电缆具有 RGB 信号和单独的水平 （HSYNC） 和垂直 （VSYNC） 同步信号。下游VGA ADC锁定至HSYNC以重现采样时钟。输入的同步信号通过VGA解码器与时钟对齐。

数据使能 （DE） 信号指示视频的活动区域。VGA ADC不输出此信号，这对于HDMI信号编码是强制性的。DE的逻辑高电平部分表示视频信号的有效像素或可视部分。DE上的逻辑低电平表示视频信号的消隐周期。

图4.水平 DE 生成。

图5.垂直 DE 生成

DE信号对于产生有效的HDMI流至关重要。DE信号的缺失可以通过HDMI发射器（Tx）进行补偿，HDMI发射器具有再生DE的能力。现代HDMI发射器可以使用一些参数设置从HSYNC和VSYNC输入生成DE信号，例如HSYNC延迟、VSYNC延迟、有效宽度和有效高度（如图4和图5所示），确保HDMI信号传输的兼容性。

HSYNC 延迟定义从 HSYNC 前缘到 DE 前沿的像素数。VSYNC延迟是VSYNC前沿和DE之间的HSYNC脉冲数。活动宽度表示活动水平像素的数量，活动高度是活动视频的行数。DE 生成功能也可用于显示功能，例如将活动视频区域居中置于屏幕中间。

VGA输入必须调整显示位置。数字化模拟输入信号的第一个和最后一个像素不得与任何 HSYNC 或 VSYNC 脉冲重合或接近。DE信号低的时间段（如垂直或水平消隐间隔）用于传输额外的HDMI数据和音频数据包，因此不能违反。ADC采样相位会导致这种失调。活动区域错位可能由屏幕可视区域的黑色条纹暗示。对于复合视频广播信号（CVBS），这种现象可以通过过扫描5%至10%来纠正。

VGA旨在显示整个活动区域，而不会消除任何区域。图像没有过扫描，因此显示位置调整对于VGA到HDMI的转换很重要。在最佳情况下，可以自动识别黑色条纹，并且可以自动将图像调整到最终屏幕的中间，或者根据回读信息手动调整。如果将VGA ADC连接到后端缩放器，则活动视频可以正确地重新对齐到整个可见区域。

但是，使用缩放器修复活动视频区域未对准会增加设计成本和相关风险。例如，使用缩放器和视频模式，活动区域内小白框周围的黑色区域可以识别为无用的条并被删除。删除黑色区域后，白框将变为纯白色背景。另一方面，一半白色和一半黑色的图像会导致失真。必须集成一些预防机制来防止这种不正确的检测。

一旦 HDMI Tx 锁定并重新生成 DE 信号，它就会开始将视频流发送到 HDMI 接收器，例如电视。同时，板载音频组件，如音频编解码器，也可以通过I发送音频流。2S、S/PDIF 或 DSD 到 HDMI Tx。HDMI的优点之一是它可以同时发送视频和音频。

当VGA2HDMI转换板上电并且源和接收器连接时，MCU应通过HDMI Tx DDC线路回读HDMI接收器的EDID内容。MCU应将EDID的前128字节复制到VGA DDC通道的EEPROM，只需稍作修改，因为VGA DDC通道通常不支持用于HDMI的CEA扩展。表 3 提供了所需修改的列表。

表 3.VGA2HDMI转换器所需的修改列表

 

修改	原因
将EDID 0x14[7]从1更改为0	指示模拟 VGA 输入
修改已建立的时序、标准时序、首选时序和详细时序	超过VGA转换器和HDMI Tx支持的最大值的时序必须更改为最大时序或以下
将0x7E设置为 00	无 EDID 扩展块
更改0x7F	必须根据上述更改重新计算校验和

 

HDMI2VGA：HDMI2VGA 转换器必须先向 HDMI 源提供适当的 EDID 内容，然后才能接收所需的 640 × 480p 信号或视频源和显示器通常支持的其他标准。HDMI Rx通常在内部存储EDID内容，处理热插拔检测线（指示显示器已连接），并接收，解码和解释传入的视频和音频流。

由于HDMI流结合了音频，视频和数据，因此HDMI Rx还必须允许回读辅助信息，例如色彩空间，视频标准和音频模式。大多数HDMI接收器适应接收的流，自动将任何色彩空间（YCbCr 4：4：4，YCbCr 4：2：2，RGB 4：4：4）转换为视频DAC所需的RGB 4：4：4色彩空间。自动色彩空间转换 （CSC） 可确保将正确的色彩空间发送到后端设备。

一旦输入的HDMI流被处理并解码为所需的标准，它就会通过像素总线输出到视频DAC和音频编解码器。视频DAC通常具有RGB像素总线和时钟输入，没有同步信号。HSYNC和VSYNC信号可以通过缓冲器输出到VGA输出，最后输出到监视器或其他显示器。

HDMI 音频流可以携带各种标准，例如 L-PCM、DSD、DST、DTS、高比特率音频、AC3 和其他压缩比特流。大多数HDMI接收器在提取任何音频标准时都没有问题，但进一步的处理可能会。根据后端设备的不同，最好使用简单的标准而不是复杂的标准，以便轻松转换为扬声器的模拟输出。HDMI 规范确保所有设备至少支持 32 kHz、44.1 kHz 和 48 kHz LPCM。

因此，重要的是产生与提取音频的HDMI2VGA转换器的音频功能和VGA显示器的原始功能相匹配的EDID。这可以通过使用一种简单的算法来完成，该算法通过DDC线路从VGA显示器中检索EDID内容。应解析和验证回读数据，以确保显示器不允许比HDMI Rx或视频DAC支持的频率更高的频率（请参阅表4）。EDID图像可以使用额外的CEA块进行扩展，该块列出了音频功能，以反映HDMI2VGA转换器仅支持其线性PCM标准的音频。因此，准备好的包含所有模块的EDID数据可以提供给HDMI源。HDMI源应在脉冲热插拔检测线（HDMI电缆的一部分）后从转换器重新读取EDID。

一个简单的微控制器或CPU可用于通过读取VGA EDID并对HDMI Rx和音频DAC/编解码器进行编程来控制整个电路。通常不需要控制视频DAC，因为它们没有I等控制端口2C 或 SPI。

表 4.HDMI2VGA 转换器所需的修改列表

 

修改	原因
将0x14[7] 从 0 更改为 1	指示数字输入
检查标准计时信息并在必要时进行修改（字节0x26到 0x35）	超过转换器和HDMI Rx支持的最大值的时序必须更改为最大时序或以下
检查 DTD（详细的时序描述符）（字节0x36到 0x47）	超过转换器和HDMI Rx支持的最大值的时序必须更改为最大时序或以下（例如，更改为640×480p）
将0x7E设置为 1	必须在 EDID 末尾添加一个额外的块
更改0x7F	校验和必须从字节 0 重新计算到 0x7E
添加额外的 CEA-861 模块
0x80 0xFF描述音频	添加 CEA-861 模块以指示音频转换器功能

 

内容保护注意事项

由于典型的模拟VGA不提供内容保护，因此独立转换器不应允许解密受内容保护的数据，以使最终用户能够访问原始数字数据。另一方面，如果电路是较大设备的组成部分，则只要不允许用户访问未加密的视频流，就可以使用它。

电路示例

VGA-HDMI板示例可以使用高性能8位显示接口AD9983A，该接口支持高达UXGA定时和RGB/YPbPr输入，以及ADV7513高性能165 MHz HDMI发射器，支持24位TTL输入、3D视频和可变输入格式。使用这些设备构建VGA2HDMI转换器既快速又方便。ADV7513还内置DE发生模块，因此无需外部FPGA即可产生缺失的DE信号。ADV7513还具有嵌入式EDID处理模块，可以从HDMI Rx自动读回EDID信息，也可以强制手动回读。

同样，构建 HDMI2VGA 转换器也不太复杂;ADV7611低功耗、165 MHz HDMI接收器和三通道、8位、330 MHz视频DACADV7125可以构建高度集成的视频路径。Rx带有内置的内部EDID，用于处理热插拔断言的电路，一个可以输出RGB 4：4：4的自动CSC，无论接收的色彩空间如何，以及一个允许亮度和对比度调整的组件处理模块，以及同步信号重新对齐。SSM2604低功耗音频编解码器支持立体声I2要解码的S流，并通过DAC以任意音量输出。音频编解码器不需要外部晶体，因为时钟源可以从ADV7611 MCLK线路获取，配置只需要几次写入。

一个简单的MCU，例如内置振荡器的ADuC7020精密模拟微控制器，可以控制整个系统，包括EDID处理、色彩增强以及带有按钮、滑块和旋钮的简单用户界面。

图6和图7提供了VGA2HDMI转换器必不可少的视频数字化仪（AD9983A）和HDMI Tx （ADV7513）的示例原理图。不包括 MCU 电路。

图6.AD9983A原理图

图7.ADV7513原理图

结论

ADI公司的音频、视频和微控制器组件可以实现高度集成的HDMI2VGA或VGA2HDMI转换器，这些转换器可以使用USB连接器提供的少量电源供电。

两款转换器均表明，采用HDMI技术的应用很容易与ADI元件配合使用。对于应该在HDMI中继器配置中工作的设备，HDMI系统的复杂性增加，因为这需要处理HDCP协议以及整个HDMI树。两个转换器均未使用 HDMI 中继器配置。

视频接收器（显示器）、视频发生器（源）和视频转换器等应用需要相对较小的软件堆栈，因此可以快速简便地实现。

审核编辑：郭婷