張君昌，張毛毛，于 樂(lè)，于洪偉

（1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129；2.中國(guó)航空無(wú)線電電子研究所，上海 200233）

DVI(Digital Video Interface)接口[1-3]是由數(shù)字顯示工作組在1999年制定的，利用最小變換差分信號(hào)TMDS作為基本電氣鏈接信號(hào)。圖像源生成的3路紅、綠、藍(lán)信號(hào)和控制信號(hào)在時(shí)鐘的作用下由DVI發(fā)送器進(jìn)行編碼并串行化后，通過(guò)TMDS通道發(fā)送給DVI接收器;DVI接收器對(duì)其進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換、通道對(duì)齊、解碼等一系列處理后發(fā)送給顯示設(shè)備,如圖1所示。DVI接口傳送的是數(shù)字信號(hào),因此可以減少模/數(shù)轉(zhuǎn)換的成本,節(jié)約時(shí)間,速度更快,加之它與HDMI在電氣特性上完全兼容，因此升級(jí)更容易。DVI鏈路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DVI在高速串行遠(yuǎn)距離傳輸后進(jìn)行接收,常規(guī)做法是用接收芯片與FPGA相結(jié)合來(lái)進(jìn)行接收,但在用FPGA進(jìn)行視頻信號(hào)處理的場(chǎng)合無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)功耗和成本。因此,提出一種充分利用FPGA自身資源來(lái)實(shí)現(xiàn)DVI接收的方法,即采用內(nèi)置TMDS I/O電氣接口的FPGA芯片而無(wú)需外接專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)TMDS連接,加之FPGA的可編程性,可使用戶快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì),從而縮短設(shè)計(jì)周期。

圖1 DVI鏈路結(jié)構(gòu)

DVI的單TMDS只提供24 bit色深，當(dāng)用戶要求色深超過(guò)24 bit時(shí)，并且系統(tǒng)已經(jīng)確認(rèn)顯卡和顯示器都支持雙鏈路TMDS，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)雙TMDS鏈路，鏈路0(數(shù)據(jù)通道 1～3)傳輸 24 bit信息，其他顏色信息由鏈路 1(數(shù)據(jù)通道4～6)傳輸。當(dāng)用戶的分辨率和刷新率要求超出單TMDS鏈路的傳輸能力時(shí) (單鏈路的最高像素傳輸頻率為165 MHz),系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)鏈路1，并定義顯示器上每一行的第一個(gè)像素為1，奇數(shù)像素。鏈路0用來(lái)傳輸奇數(shù)像素信息，鏈路1用來(lái)傳輸偶數(shù)像素信息。由于TMDS鏈路共用一條時(shí)鐘回路，所以雙鏈路工作時(shí)，鏈路的時(shí)鐘頻率為像素?cái)?shù)據(jù)帶寬的一半。

DVI編碼器在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下,利用TMDS編碼方式對(duì)8 bit像素信號(hào)和2 bit控制信號(hào)分別進(jìn)行 8 bit轉(zhuǎn)10 bit和2 bit轉(zhuǎn)10 bit編碼，最低有效位先送出。這種編碼方式充分體現(xiàn)了TMDS的兩大優(yōu)勢(shì)，即：變換次數(shù)最小化和直流均衡作用。

1 接收器設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

DVI接收器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電平轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘恢復(fù)、相位調(diào)整、串/并轉(zhuǎn)化、字對(duì)齊、通道對(duì)齊、解碼等幾部分組成，由TMDS通道傳輸過(guò)來(lái)的串行信號(hào)最終被轉(zhuǎn)化成3路8 bit的像素信號(hào)和2 bit的控制信號(hào)，如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

1.2 時(shí)鐘恢復(fù)和相位調(diào)整

時(shí)鐘與同步是DVI接收器設(shè)計(jì)中非常重要的一步，以DVI信號(hào)提供的像素時(shí)鐘為參考時(shí)鐘，在TMDS通道上傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)的時(shí)鐘為參考時(shí)鐘的10倍，在接收端采樣時(shí)要用倍頻后的速率進(jìn)行采樣。文中這幾個(gè)時(shí)鐘信號(hào)由PLL電路產(chǎn)生，采用DDR[4]的方式采樣數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)兩倍于以往的串行數(shù)據(jù)傳輸速率，因此只需將參考時(shí)鐘5倍頻即可，這樣可降低器件成本。

DVI信號(hào)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，數(shù)據(jù)與采樣時(shí)鐘的相位不確定性很大，有較大的相位偏移，對(duì)正確采樣有很大的影響，因此需要進(jìn)行相位調(diào)整[5]。利用FPGA IO接口模塊內(nèi)置的IODELAY[4]模塊，在算法上利用狀態(tài)機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)整串行數(shù)據(jù)的延時(shí)來(lái)獲取最佳的數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻。由于之前已可用DCM來(lái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整，IODELAY模塊與DCM模塊相比較，其缺少兩個(gè)輸出，分別為DCM的psdone和DO[0],因此給IODELAY模塊模擬兩個(gè)輸出psdone和DO[0],在調(diào)用IODELAY模塊的代碼中依照它們?cè)贒CM中的時(shí)序來(lái)編寫(xiě)代碼，完成在IODELAY中相同的功能。其中psdone相當(dāng)于DCM模塊中的psdone,表示一級(jí)調(diào)整的完成；DO[0]相當(dāng)于DCM中的DO[0],表示調(diào)整級(jí)數(shù)超過(guò)63級(jí)時(shí)溢出，用這兩個(gè)輸出送到相位調(diào)整算法的狀態(tài)機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于通過(guò)TMDS通道傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，但4個(gè)控制字是周期發(fā)送的，因此可以用來(lái)檢測(cè)時(shí)鐘相對(duì)于數(shù)據(jù)的位置。如果收到4個(gè)控制字之一，就認(rèn)為數(shù)據(jù)有效。如圖3所示，串行數(shù)據(jù)的兩個(gè)采樣窗口之間是抖動(dòng)區(qū)域，抖動(dòng)區(qū)域描述了時(shí)鐘和數(shù)據(jù)在傳輸邊沿的到達(dá)時(shí)間不確定性，有效采樣的部分稱(chēng)作窗。為保證有效采樣，采樣時(shí)鐘必須調(diào)整到窗的中心。

圖3 采樣時(shí)鐘相位調(diào)整圖

相位調(diào)整算法如下：

(1)如果時(shí)鐘的初始位置在 S2處，則增加 IODELAY的相位偏移值至T1并記錄下來(lái)，再增加相位偏移值至T2并記錄下來(lái)，(T2-T1)/2即為最佳的采樣時(shí)刻。

(2)如果時(shí)鐘的初始位置在 S1處，則增加相位偏移至S2處，即從下一個(gè)抖動(dòng)區(qū)開(kāi)始,同步驟(1)分別增加相位偏移至T1、T2記錄，則(T2-T1)/2為最佳的采樣時(shí)刻。

相位調(diào)整亦可通過(guò)DCM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要額外模擬輸出信號(hào)。與通過(guò)DCM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整不同的是，IODELAY實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整時(shí)是數(shù)據(jù)在移動(dòng)，而DCM則是時(shí)鐘在動(dòng)。利用IODELAY可以節(jié)約FPGA內(nèi)的DCM和BUFG資源，但需要額外提供200 MHz的工作時(shí)鐘，且IODELAY模塊的相位調(diào)節(jié)步長(zhǎng)和幅度是固定的，對(duì)于較低頻率的DVI數(shù)據(jù)，可能無(wú)法完成采樣窗口掃描。

1.3 數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換

利用FPGAIO接口模塊內(nèi)的ISERDES[5]完成串/并轉(zhuǎn)換，與用一系列寄存器完成串/并轉(zhuǎn)換相比，避免了時(shí)序混亂且節(jié)約資源。要實(shí)現(xiàn) 1：10串/并轉(zhuǎn)換,需要將兩個(gè)ISERDES串接起來(lái),即將一個(gè)設(shè)置為主ISERDES，一個(gè)設(shè)置為從ISERDES,然后將主ISERDES的輸出SHIFTOUT1、SHIFTOUT2連 接 到 從 ISERDES的 SHIFTIN1、SHIFTIN2上，如圖4所示。

串/并轉(zhuǎn)換后還需進(jìn)行字對(duì)齊，ISERDES本身的BITSLIP可完成字對(duì)齊，但速度較慢，所以利用多路選擇器邏輯來(lái)完成，如圖5所示。其核心思想依然是靠檢測(cè)控制字將經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換后的兩次原始10 bit數(shù)據(jù) rawword[9：0]并接組成 20 bit rawwords[19：0]，然后依次檢測(cè) rawwords[9：0]、rawwowds[10：1]、 … rawwords[18：9]、rawwords[19：10]是否與控制字相等,若檢測(cè)到相等，則必為rawwords[9：0]、rawwowds[10：1]、…rawwords[18：9]、rawwords[19：10]之 一 ,之后即可通過(guò)多路選擇器選出具有正確高低字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出。

圖4 串并轉(zhuǎn)換圖

圖5 字對(duì)齊檢測(cè)

1.4 通道對(duì)齊

每個(gè)通道會(huì)收到一個(gè)來(lái)自于相位調(diào)整狀態(tài)機(jī)的表示字對(duì)齊后的數(shù)據(jù)是否為有效的信號(hào)，如果3個(gè)通道都有效，則通道對(duì)齊模塊內(nèi)的FIFO緩存器開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)，不斷地寫(xiě)入和讀出。FIFO是一個(gè)16 B深度的分布式RAM資源，當(dāng)一個(gè)通道的FIFO輸出檢測(cè)到控制字時(shí)，則該通道的讀出數(shù)據(jù)流被延遲，僅當(dāng)另外兩個(gè)通道檢測(cè)到控制字時(shí)才恢復(fù)，這樣可消除通道延遲。

1.5 DVI解碼

在經(jīng)過(guò)通道對(duì)齊后,通過(guò)DVI解碼規(guī)則可解出8 bit數(shù)據(jù)信號(hào)和 2 bit控制信號(hào)，解碼規(guī)則如下：DE=0(消隱期)解出2 bit的控制信號(hào)，DE=1解出8 bit的像素信號(hào)。

2 仿真結(jié)果

圖6 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)在modelsim6.5版本上進(jìn)行仿真[6]，功能仿真如圖 6所示。用 H264E_VDATA文件作為 Y、U、V源文件，用它產(chǎn)生 R、G、B信號(hào)，經(jīng)過(guò)發(fā)送端到達(dá)接收端時(shí)，接收端的輸入信號(hào)為圖中的TMDS差分信號(hào)blue_p、blue_n、green_p、green_n、red_p、red_n 和 時(shí) 鐘 tmdsclk_p、tmdsclk_n。 輸出信號(hào)為 3路 8位的 R、G、B信號(hào)blue_out、green_out、red_out和一路的時(shí)鐘恢復(fù)信號(hào) pixel_clk及控制信號(hào) hsync、vsync、de。

此設(shè)計(jì)在Xilinx公司的Virtex5-330T FPGA上得到驗(yàn)證。資源利用情況如表1所示。受限于FPGA內(nèi)PLL模塊的最高輸出主頻450MHz，所以主時(shí)鐘工作頻率為90 MHz，即TMDS串行輸入數(shù)據(jù)的理論最高速率為900 Mb/s。

表1 FPGA資源利用率

實(shí)際測(cè)試使用PC機(jī)顯卡輸出的DVI信號(hào)源，DVI傳輸線長(zhǎng) 1 m，點(diǎn)頻 74.5 MHz，視頻分辨率 1 280×720。接入FPGA后DVI信號(hào)解碼正確，輸出的并行視頻數(shù)據(jù)接入FPGA內(nèi)的視頻處理模塊后，可采集得到正確的動(dòng)態(tài)視頻畫(huà)面，且畫(huà)面清晰無(wú)噪點(diǎn)，證明了文中方法的可行性。

本文討論了一種符合DVI1.0規(guī)范的、基于FPGA的DVI接收器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)驗(yàn)證可得，此方法可用于DVI視頻的接收解碼，尤其是在利用FPGA進(jìn)行DVI解碼設(shè)計(jì)時(shí)，可減少資源消耗，提高集成度，充分利用FPGA自身資源實(shí)現(xiàn)。

[1]王春軍,潘昉晟.DVI接口在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)該[J].計(jì)算 機(jī) 工 程,2005,31(20)：207-208.

[2]尹淑仙,徐火生.DVI核心技術(shù)剖析與邏輯實(shí)現(xiàn)[J].液晶與 顯 示,2007,22(6)：765-769.

[3]馮永茂,王瑞光,丁鐵頭.數(shù)字視頻接口-DVI1.0[J].電子技 術(shù) 應(yīng) 用,2003,29(9)：10-14.

[4]Xilinx.Virtex-5 FPGA user guide[EB/OL].(2009-03-19)[2013-06-01]http：//www.xilinx.com.

[5]FENG B,CRABILL E.Video connectivity using TMDS I/O in Spartan-3A FPGAs[EB/OL].(2008-07-25)[2013-06-01]http：//www.xilinx.com.

[6]Xilinx.Virtex-5 libraries guide for HDL designs[EB/OL].(2009-09-16)[2013-06-01]http：//www.xilinx.com.