HDMI-IP项目-主讲图像控制信号还原-连载十二

UT发布 · 发表于 2025-5-12 16:30:01

1概述

本章节我们需要通过数据岛的控制信号恢复出视频数据原始的HSYNC、VSYNC控制信号，首先我们回忆一下，有哪些信号受到VSYNC、HSYNC控制信号影响。如下图所示：

如图所示，HSYNC（行同步信号）与VSYNC（场同步信号）的作用范围可明确分为两个维度：其一作用于基础控制信号层，其功能逻辑已在前文详述；其二则体现在数据岛（Data Island）的Header包结构设计中，通过同步信号的时序特征实现视频数据帧的定位与解析。这两个层级的协同作用共同构成了完整的信号传输体系。

那仅仅是这样了吗？有一个关键细节容易被忽略。在数据岛保护频带期间，通道0被编码为四个TERC4值之一。这些TERC4值(D[3:0])为0xC、0xD、0xE和0xF，具体取决于HSYNC和VSYNC的信号。

由此HSYNC（行同步信号）和VSYNC（场同步信号）的数据结构由三部分构成，分别为控制信号（Control）、保护带信号（Guard_Band）以及BCH编码信号。本讲重点解析前两部分，即控制信号的逻辑恢复与保护带中HSYNC、VSYNC的时序特征提取。关于BCH编码相关的信号解析，将结合其解码原理在后续课程中展开详细阐述。

2代码部分

该模块作为HDMI控制数据解析的核心单元，专注于同步信号提取与保护带精准控制。其通过通道0的TMDS控制字符检测（如0x2AA/0x355触发VSYNC），结合数据岛保护带周期解码D/E/F控制码（对应HS/VS同步参数），构建符合CTA-861规范的同步时序架构。

采用分层处理机制：基础层基于0x354等字符直接生成HS/VS脉冲，增强层在消隐期解析TERC4编码（如10'b1100011010对应垂直保护带），通过双周期协同确保同步相位连续性，严格满足HDMI 1.4b标准对控制周期与数据岛周期切换的时序精度要求。

`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 模块名称：HDMI控制数据解码器
// 功能描述：解析HDMI数据岛期的控制字符，生成同步信号和保护带控制
// 主要接口：
// I_pixel_clk - 像素时钟（TMDS字符速率，通常为视频模式的像素时钟）
// I_control_data - 10位TMDS控制字符输入（来自HDMI通道0）
// I_island_guardband - 数据岛/保护带周期标志（高电平有效）
// O_vsync/O_hsync - 垂直/水平同步信号输出
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
module hdmi_control_data_decoder(
input wire I_pixel_clk , // 像素时钟（典型值：74.25MHz/148.5MHz）
input wire I_reset_n , // 低电平复位（异步复位信号）
input wire [9:0] I_control_data , // TMDS控制字符（10位差分编码）
input wire I_island_guardband, // 数据岛保护带周期标志
output reg O_vsync , // 垂直同步输出（正极性）
output reg O_hsync // 水平同步输出（正极性）
);
// 内部信号寄存器
reg [9:0] r_control_data ; // 控制字符同步寄存器（消除亚稳态）
reg [1:0] r_guardband_control; // 保护带控制码（00:正常 01:HS 10:VS 11:HS+VS）
// 控制字符同步流水线
always @(posedge I_pixel_clk) begin
r_control_data <= I_control_data; // 对输入控制字符进行时钟同步
end
// 垂直同步生成逻辑（符合HDMI规范CTA-861标准）
always @(posedge I_pixel_clk or negedge I_reset_n) begin
if (!I_reset_n)
O_vsync<= 'b0; // 复位时同步信号置零
// 检测VSYNC控制字符：0x2AA（0b0010101010）或0x355（0b1101010101）
// 或保护带控制码10（VS）和11（VS+HS）
else if((r_control_data == 10'b0010101010)||(r_control_data == 10'b1101010101)||(r_guardband_control == 2'b10) ||(r_guardband_control == 2'b11))
O_vsync<= 'b1; // 有效垂直同步信号
else
O_vsync<= 'b0; // 非同步周期
end
// 水平同步生成逻辑
always @(posedge I_pixel_clk or negedge I_reset_n) begin
if (!I_reset_n)
O_hsync<= 'b0; // 复位初始化
// 检测HSYNC控制字符：0x354（0b1101010100）或0x355（0b1101010101）
// 或保护带控制码01（HS）和11（HS+VS）
else if((r_control_data == 10'b1101010100)||(r_control_data == 10'b1101010101)||(r_guardband_control == 2'b01)||(r_guardband_control == 2'b11))
O_hsync<= 'b1; // 有效水平同步信号
else
O_hsync<= 'b0; // 非同步周期
end
// 保护带控制码解码器（数据岛期间有效）
// 根据HDMI规范第6.3节保护带控制字符定义
always @(posedge I_pixel_clk) begin
if (I_island_guardband) begin // 仅在数据岛/保护带周期处理
case (I_control_data) // 解码特定保护带控制字符
// 保护带控制字符定义：
10'b0111000101 : r_guardband_control <= 2'b00; // 数据C（正常视频周期）
10'b1000111001 : r_guardband_control <= 2'b01; // 数据D（水平保护带）
10'b1100011010 : r_guardband_control <= 2'b10; // 数据E（垂直保护带）
10'b1100001101 : r_guardband_control <= 2'b11; // 数据F（复合保护带）
default: r_guardband_control <= 2'b00; // 非法字符处理
endcase
end else begin
r_guardband_control <= 2'b0; // 非数据岛周期清零控制码
end
end
endmodule

复制代码

3代码仿真

根据代码仿真结果，O_hsync信号解析为0是由于时序设计中已将HSYNC信号完整嵌入island_data区间，其同步功能主要由BCH模块实现，当前模块保留该信号处理逻辑仅出于系统兼容性考量。

本模块的核心功能聚焦于VSYNC信号的解析与校准，因垂直同步信号周期较长，单周期信号必然跨越多个island_data区间，需通过本模块的多周期数据拼接及相位补偿机制实现跨区同步，确保时序基准的精确重构。

由于VSYNC信号仿真时间过长，就不特意截图展示，感兴趣的用户可以用在线逻辑分析仪抓取。

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