HDMI项目-主讲TMDS编解码-连载二

UT发布 · 发表于 2025-3-25 17:56:13

本帖最后由 UT发布于 2025-3-25 18:58 编辑

TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）是一种广泛应用于数字视频传输的编解码技术，尤其在HDMI和DVI接口中占据核心地位。以下从技术定义、编解码原理、应用场景及与同类技术的对比等方面进行详细介绍。
1 TMDS的技术定义与背景

TMDS全称为最小化传输差分信号，由Silicon Image公司于1999年提出，旨在通过差分信号传输和智能编码算法减少电磁干扰（EMI），提高数据传输的可靠性和速度。其核心特点包括：

差分信号机制：采用双绞线传输电压相反的信号，接收端通过电压差值判断逻辑状态（0或1），显著提升抗干扰能力。

8B/10B编码：将8位数据转换为10位编码字符，通过减少信号跳变次数（Transition Minimization）和直流平衡（DC Balancing）优化传输效率。

多通道架构：典型应用中包含3个数据通道（传输RGB分量）和1个时钟通道，支持高分辨率视频传输。

2 TMDS编解码原理2.1 编码过程

TMDS编码分为两个阶段：

阶段一：跳变最小化

输入8位像素数据后，通过异或（XOR）或同或（XNOR）运算生成9位中间数据，选择跳变次数更少的操作方式（第9位标记操作类型）。

例如：若前8位通过同或运算生成，则第9位为0；若通过异或运算生成，则为1。

阶段二：直流平衡

统计中间数据中0和1的数量差，若0较多则反转前8位并标记第10位为1，反之标记为0，以确保整体0-1数量接近平衡。

直流平衡的作用：避免因长时间传输单一电平导致交流耦合电容充放电失衡，从而引发信号失真。

2.2.控制信号与同步

控制数据编码：在视频消隐期（非有效像素传输期），TMDS传输控制信号（如行场同步HSync/VSync），其编码后的10位字符跳变次数≥7次，便于接收端识别同步边界。

时钟恢复：接收端通过TMDS时钟通道锁定发送端频率，并利用数据流中的跳变特性恢复位同步。

2.3 解码过程

接收端通过以下步骤还原原始数据：

字符边界同步：利用控制数据的高跳变特性定位10位字符的起始位置。

逆操作处理：根据第9位和第10位的标记，反向执行异或/同或运算及电平反转操作，恢复8位像素数据。

3 TMDS的应用场景

1.HDMI/DVI接口：作为物理层编码标准，支持最高225MHz时钟频率，可传输4K@60Hz等高分辨率视频。

2.FPGA与显示驱动：FPGA通过集成TMDS编码器实现视频输出，常用于数字广告牌、医疗显示器等场景。

3.双链路扩展：当单通道带宽不足时，采用双TMDS链路（6个数据通道）提升传输能力，支持更高刷新率或色深。

4.车载与工业显示：在电润湿电子屏等特殊显示技术中，TMDS用于高可靠性的实时视频传输。

4 TMDS编解码在HDMI传输中的应用

HDMI通过四组差分通道（3个数据通道+1个时钟通道）实现并行传输：

1、数据通道分配

通道0-2：分别传输红（R）、绿（G）、蓝（B）分量或YCrCb编码的像素数据。

音频与辅助数据：在数据岛周期（Data Island Period）中，音频包通过绿、红通道传输，使用TERC4编码。

2、时钟通道

传输与像素时钟同步的参考信号（如148.5MHz对应1080p@60Hz），接收端依此恢复数据时序。

3、传输周期划分

视频数据周期：有效像素传输阶段，编码RGB/YCrCB数据。

控制周期：消隐期内传输行场同步（HSync/VSync）等控制信号，编码后跳变次数≥7次以便同步识别。

数据岛周期：传输音频、元数据（如HDR参数）及辅助包，采用TERC4编码确保容错。

上面是完整的TMDS编码在HDMI通道传输的通道架构与数据传输模式。本讲我们主要解决的是TMDS编解码的问题，暂时先不考虑音频的问题，所以我们先不考虑数据岛周期内容。

4.1TMDS编码

4.1.1编码原理概述

上图来自于HDMI协议中的TMDS编码详细步骤，通过分析该流程图我们发现，TMDS编码通过两步编码实现：

1、数据压缩：将8bit像素转换为9bit中间码（q_m）

2、直流平衡：动态调整编码方式，确保传输链路的0/1均衡

4.1.2详细编码流程

步骤1：输入预处理

接收8bit像素数据D[7:0]与控制信号 {C1,C0}

检测使能信号DE（高电平表示数据传输周期）

步骤2：编码方式决策

// 计算数据中1的个数（N1）  
wire [3:0] N1 = D[7] + D[6] + D[5] + D[4] + D[3] + D[2] + D[1] + D[0];  

// 选择异或(XOR)/同或(XNOR)编码  
assign use_xnor = (N1 > 4) || (N1 ==4 && D[0]==0);  
复制代码

步骤3：生成中间码q_m[8:0]

always @(*) begin  
    q_m[0] = D[0];  
    for(int i=1; i<8; i++)   
        q_m[i] = use_xnor ? ~(q_m[i-1] ^ D[i]) : q_m[i-1] ^ D[i];  
    q_m[8] = ~use_xnor; // 编码方式标识位  
end
复制代码

步骤4：直流平衡处理

// 计算当前偏差  
wire signed [4:0] bias = (q_m[8] ? (N1*2 - 8) : (8 - N1*2));  

// 动态平衡决策  
if ((cnt_prev + bias) > 0 || cnt_prev == 0) begin  
    q_out = {~q_m[8], ~q_m[7:0], 1'b1}; // 取反并标记终止符  
    cnt_next = cnt_prev + (8 - 2*N1);    // 更新偏差计数器  
end else {  
    q_out = {q_m[8], q_m[7:0], 1'b0};    // 保持原数据  
    cnt_next = cnt_prev + (2*N1 - 8);  
}  
复制代码

步骤5：控制信号编码（DE=0时）

case({C1,C0})  
    2'b00: q_out = 10'b1101010100;  // Video Blank  
    2'b01: q_out = 10'b0010101011;  // H-Sync  
    2'b10: q_out = 10'b0101010100;  // V-Sync  
    2'b11: q_out = 10'b1010101011;  // Sync复合  
endcase
复制代码

4.2 TMDS解码

TMDS解码协议如下所示，相比较编码，解码就简单很多，仅仅根据发送过来的数据的D[9]和D[8]位数据是0还是1进行不同的判断，对应处理即可：

4.2.1 TMDSDecoder10t8.v

根据解码协议，解码代码如下

注：此时我们并不考虑音频传输，所以不考虑数据的部分数据编码内容

module TMDSDecoder10t8 (
    input  wire [9:0] I_raw_date,   // 输入的10位原始TMDS数据流
    input  wire       pclk,         // 像素时钟信号输入
    input  wire       rest_n,       // 复位信号，低电平有效
    output wire [7:0] O_hdmi_date,  // 输出解码后的8位HDMI数据
    output wire       O_hs,         // 输出水平同步信号
    output wire       O_vs,         // 输出垂直同步信号
    output wire       O_de          // 输出数据使能信号
);
  wire [9:0] I_hdmi_date;  // 转换后用于内部处理的10位HDMI数据
  wire [8:0] raw_data;  // 解码过程中使用的临时变量

  // 将I_raw_date通过convert函数转换为I_hdmi_date，主要用于大小端转换
  assign I_hdmi_date = convert(I_raw_date);

  // 当I_hdmi_date为特定值时（表示控制周期），O_de设为0；否则为1，表示数据周期
  assign O_de = I_hdmi_date == 10'b1101010100 || I_hdmi_date == 10'b0010101011 || I_hdmi_date == 10'b0101010100 || I_hdmi_date == 10'b1010101011 ? 0 : 1;

  // 根据O_de和I_hdmi_date的状态生成水平同步信号O_hs
  assign O_hs = O_de ? 0 : I_hdmi_date == 10'b0010101011 || I_hdmi_date == 10'b1010101011 ? 1 : 0;

  // 根据O_de和I_hdmi_date的状态生成垂直同步信号O_vs
  assign O_vs = O_de ? 0 : I_hdmi_date == 10'b0101010100 || I_hdmi_date == 10'b1010101011 ? 1 : 0;

  // 当处于数据周期(O_de非0)时，根据I_hdmi_date[9]的值对raw_data进行相应处理
  assign raw_data = O_de == 0 ? 0 : I_hdmi_date[9] ? {I_hdmi_date[8], ~I_hdmi_date[7:0]} : I_hdmi_date[8:0];

  // 根据O_de和raw_data生成最终输出的8位HDMI数据
  assign O_hdmi_date[0] = O_de == 0 ? 0 : raw_data[0];
  assign O_hdmi_date[1] = O_de == 0 ? 0 : raw_data[8] ? raw_data[1] ^ raw_data[0] : raw_data[1] ~^ raw_data[0];
  assign O_hdmi_date[2] = O_de == 0 ? 0 : raw_data[8] ? raw_data[2] ^ raw_data[1] : raw_data[2] ~^ raw_data[1];
  assign O_hdmi_date[3] = O_de == 0 ? 0 : raw_data[8] ? raw_data[3] ^ raw_data[2] : raw_data[3] ~^ raw_data[2];
  assign O_hdmi_date[4] = O_de == 0 ? 0 : raw_data[8] ? raw_data[4] ^ raw_data[3] : raw_data[4] ~^ raw_data[3];
  assign O_hdmi_date[5] = O_de == 0 ? 0 : raw_data[8] ? raw_data[5] ^ raw_data[4] : raw_data[5] ~^ raw_data[4];
  assign O_hdmi_date[6] = O_de == 0 ? 0 : raw_data[8] ? raw_data[6] ^ raw_data[5] : raw_data[6] ~^ raw_data[5];
  assign O_hdmi_date[7] = O_de == 0 ? 0 : raw_data[8] ? raw_data[7] ^ raw_data[6] : raw_data[7] ~^ raw_data[6];

  // 定义一个函数用于实现大小端转换
  function [9:0] convert;
    input [9:0] data_in;
    integer i;
    for (i = 0; i < 10; i = i + 1) begin : converse
      // 对输入的数据进行位反转操作
      convert[i] = data_in[9-i];
    end
  endfunction

endmodule
复制代码