应用笔记 4313

视频显示信号与MAX9406 DP-HDMI/DVI电平转换器—第2部分

By: Walter Chen

摘要 : 本应用笔记是全文的第二部分。第2部分介绍了DVI™和显示接口(DP)的背景知识。说明了MAX9406在数字视频电缆驱动中的使用。第1部分(应用笔记4306)阐述了目前TV和PC视频显示电缆接口的概况,包括RGBHV、HDMI™以及VGA的特性。

概述

TV和PC显示器正在向带数字电缆接口的平板显示器过渡。平板TV可以通过高清多媒体接口(HDMI)连接到PC或高清TV (HDTV)机顶盒。PC也可以通过VGA或数字视频接口(DVI)连接到外部显示器。DVI可以看作VGA信号的数字接口。注意:HDMI的视频部分与DVI相同。

本文是关于DVI和显示端口(DP)接口系列文章的第二部分,详细说明了MAX9406电平转换器在数字显示电缆驱动中的使用,可理想用于先进的GPU或图形处理CPU。关于MAX9406在RGBHV、HDMI和VGA接口中的应用,请参考第1部分,应用笔记4306:“视频显示信号与MAX9406 DP-HDMI/DVI电平转换器—第1部分”。

DVI

DVI格式可以认为是VGA的数字版本,采用单链路或双链路,支持更高分辨率的VGA。图1所示为DVI接口卡的功能框图,采用TMDS编码器、串行器、LVDS驱动器(而不是VGA接口卡的红、绿、蓝DAC)产生高速数据流,通过三个差分通道传输信号。另外一路LVDS差分通道用于传输这些码流的时钟信息。

图1. DVI接口卡功能框图
图1. DVI接口卡功能框图

DVI使用29针插头,图2表1是针对DVI信号的引脚定义和分配。LVDS通道的信号电平为0.5VP-P,差分对的每条线上具有2.8V直流偏置电压。SDA和SCL的信号电平可以达到5V,热插拔引脚的逻辑高电平高于2V。

图2所示为接口插座,包括所有信号定义。五个不同版本的插头可以连接到该插座。图3所示为DVI-I (单链路)、DVI-I (双链路)、DVI-D (单链路)、DVI-D (双链路)、DVI-A不同版本的插头定义。DVI-I是“DVI-Integrated”的缩写,支持数字和模拟信号,能够配合数字和模拟显示器工作。DVI-D是“DVI-Digital”的缩写,仅支持数字信号。DVI-A是“DVI-Analog”的缩写,仅支持模拟信号。

图2. DVI引脚排列,插座。
图2. DVI引脚排列,插座。

表1. DVI引脚定义
Pin Number Assignment
1 Data2-
2 Data2+
3 Data2/4 Shield
4 Data4-
5 Data4+
6 DDC Clock
7 DDC Data
8 Analog V Sync
9 Data1+
10 Data1-
11 Data1/3 Shield
12 Data3-
13 Data3+
14 +5V
15 Ground
16 Hot-Plug Detect
17 Data0-
18 Data0+
19 Data0/5 Shield
20 Data5-
21 Data5+
22 Clock Shield
23 Clock+
24 Clock-
C1 Analog Red
C2 Analog Green
C3 Analog Blue
C4 Analog V Sync
C5 Analog Ground

图3. DVI引脚排列,插头。
图3. DVI引脚排列,插头。

显示端口(DP)

DP与DVI相比更通用,功能也更强。DP可以支持一路、两路或四路高速差分对,速率固定为1.62Gbps或2.7Gbps,最高速率为10.8Gbps。所处理的视频信号速率应等于或小于差分对能够支持的速率。没有使用的时隙可以填充附加位/填充位。每对差分信号不必兼容于LVDS。差分电压可以是0.2V、0.4V、0.8V或1.2V。差分对每条线上的偏置电压可以在0V至电源电压范围内调整。差分信号采用交流耦合,耦合电容可以在0.075µF至0.2µF范围内选择。该电容为差分信号驱动器IC提供了更高的灵活性。

图4为DP架构的功能框图,包括GPU功能。GPU功能已经集成到大多数高级CPU芯片组,利用内嵌时钟可以省去LVDS时钟对。为降低EMI、改善内嵌时钟的恢复,采用8B10B编码器替代TDMS编码器。扰频器用于在信号空闲时恢复时钟,8B10B编码器还将信息按8位格式编码。彩色信号的分辨率为6至16位,按RGB或YCrCb格式表示。YCrCb是YPrPb的数字版本。这里没有使用RGB信号的专用通道,而是将彩色信息根据预先定义分布图分配到四路高速差分对。

图4. 嵌入GPU的DP功能框图
图4. 嵌入GPU的DP功能框图

高速差分通道的数据位顺序由控制符号定义,例如:BS (开始)、BE (结束)。控制信号插入到高速差分通道。BE之后,彩色像素按照顺序被平均分配到所有通道,例如,像素0分配给0通道、像素1分配给1通道、像素2分配给2通道、像素3分配给3通道、像素4分配给4通道等等。BS插入到每行之后,微包(VB-ID、MVID视频流时标和Maud音频数据流)插入到每行的BS之后。VB-ID用于区分隔行和音频特征。音频包附有SS (第二个数据开始)和SE (第二个数据结束)。在下个BE符号之前,可以用FS (填充开始)和FE (填充结束)构成的帧填充剩余的空时隙。

代替I²C格式,控制信息通过双向辅助通道传输。辅助通道采用曼切斯特II编码,速率为1MHz。差分电压从0.34V到1.38V,直流偏置范围为:0V至差分驱动器供电电压。差分电压也可以交流耦合,耦合电容可以选择0.075µF至0.2µF范围的电容。辅助通道定义了本地请求和应答命令。I²C总线的读、写操作映射到辅助通道。辅助通道用来完成以下任务:从监视器获得所需要的显示器识别数据(EDID)数据;创建虚拟控制板,用于监测亮度、对比度等控制,支持监视器控制命令集(MCCS)协议。

DP有几种用法:作为外部接口连接PC与显示器、作为内部接口连接笔记本电脑的LCD显示器;连接消费类电器(如DVD播放器)与平板显示器。由于这些DP差分对定义的灵活性,GPU或图形处理CPU芯片组能够直接驱动DP兼容的显示器。注意,DP不排除支持传统信号,如DVI和HDMI。实际上,GPU和图形处理芯片组的数据处理能力能够提供附加的DVI和HDMI信号。对于没有LDVS驱动器的GPU和图形处理CPU芯片组,MAX9406可以用作差分信号电平转换器,能够实现DVI或HDMI接口格式。

显示端口使用20引脚插头(图5),表2所示为所有DP信号分配。热插拔引脚的逻辑高电平高于2V,DP电源引脚加载3.3V供电电压。

图5. DP显示端口引脚排列
图5. DP显示端口引脚排列

表2. DP显示端口引脚分配
Pin Number Assignment
1 Lane0+
2 Ground
3 Lane0-
4 Lane1+
5 Ground
6 Lane1-
7 Lane2+
8 Ground
9 Lane2-
10 Lane3+
11 Ground
12 Lane3-
13 Ground
14 Ground
15 Aux+
16 Ground
17 Aux-
18 Hot Plug
19 Ground
20 DP_Power

MAX9406 HDMI/DVI电平转换器

MAX9406是高速、低偏差、四通道差分输入至差分输出的电平转换器(图6),设计用于支持DP信号至DVI或HDMI的高速信号转换。每条链路支持高达2Gbps的数据速率。在输入端,内部提供50Ω终端匹配电阻;自偏置共模与典型的DP差分对交流耦合相一致。MAX9406还可提供HDMI DDC引脚与HPD引脚所需的电平转换,将5V单端逻辑转换成3.3V单端逻辑或进行反向转换。MAX9406提供±2kV的ESD保护,采用3.0V至3.6V电源供电,工作在-40°C至+85°C扩展级温度范围。

图6. MAX9406功能框图
图6. MAX9406功能框图

图7是MAX9406在DP应用中的典型电路,对该CPU芯片组(Intel® Eagle Lake),0道至2道映射到HDMI插头的第2至第0通道;3道映射到时钟通道。注意,信号对与通道一一对应。辅助+信号映射到SCL,辅助-信号通道映射到SDA。需要安装适当软件,通常称为芯片组驱动程序和视频BIOS,以产生对应于HDMI协议的视频信号。MAX9406仅用于高速和I²C通道的信号电平转换。

图7. MAX9406典型应用电路
图7. MAX9406典型应用电路

MAX9406可以安装在主板GPU相邻位置,使能HDMI插头。该器件也可以用于PCI Express® (PCIe®)插卡,插入总线卡槽(图8)或dongle板,可以插入DP端口(图9)。

图8. 基于MAX9406的HDMI/DVI电平转换插卡
清晰图片
(PDF, 765kB)
图8. 基于MAX9406的HDMI/DVI电平转换插卡

图9. 基于MAX9406的HDMI/DVI电平转换dongle卡
清晰图片
(PDF, 3.35MB)
图9. 基于MAX9406的HDMI/DVI电平转换dongle卡

结论

从消费者普遍接受的平板电视和PC显示器可以看出模拟VGA到数字DVI格式演进的需求。我们也从TV和PC显示信号HDMI、DVI格式的兼容性得到证实。DP格式提供了额外的IC利用率和信号协议的灵活性。MAX9406芯片在最近的数字显示信号DP发展中扮演着重要角色。