高清晰度多媒体接口(HDMI)在雷达中的运用研究

摘要：由于HDMI是数字方式传输，它可以从根本上解决现行的机载雷达采用电视体制的PAL制或VGA制式的模拟信号在用于液晶显示时的要经历先D／A后A／D的变换所带来的损失，因此，提出用该种显示方式用于机载雷达的显示，此方法可大幅度地提高分辨率且无传输和变换损耗，本设计使用SiI9134为接口器件，数字视频形成电路由FPGA构成，实验证明此设计稳定可靠，完全可以达到产品要求。
关键词：HDMI接口；VGA；机载雷达；FPGA；最小化传输差分信号(TMDS)

    本世纪以来，LCD、LED等数字显示设备，由于它具备了许多不可多得的优点，因此在国民经济的诸多方面有了全面的应用，在军用雷达方面，这方面的需求尤为突出，由于雷达与显示设备之间都是通过PAL制视频信号或类似于计算机的模拟VGA接口形式进行视频图像传输，而雷达内部以数字方式生成的显示图像信息，模拟信号通过电缆传输到数字显示设备中时，在经过D／A和A／D两次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。所以为了减少不必要的信息损失，高清晰度多媒体接口(HDMI)由于具有更高的显示分辩率和音频传送功能等特性也被陆续运用到某些雷达中。

1 高清晰度多媒体接口(HDMI)简介
    HDMI(High-Definition Multimedia Interface)是高清晰度多媒体接口的英文缩写。HDMI规范可以传输和接收未压缩的数字流的音频／视频标准。它可以将视频和多声道音频组合至单一的数字连接，节省了多条线路连接及相关成本。对于没有音频要求的1080i分辨率显示，HDMI信号传输与DVI是向下兼容的。
    HDMI端子可向下兼容DVI，它不但体积更小，传输率高达5 GB／s，并且还符合家用器材影音结合的需求，可以同时传输数字影像与声音信号。在数字影像的部分，HDMI接口支持数字RGB与数字色差两种模式，并且比DVI有更高的画质(12 bit)；在数字声音信号方面，HDMI还可以用来传输包括CD、DVD-Video甚至是DVD-Audi0的两声道、多声道信号(包括192 kHz／24 bit)。
    HDMI是基于称为最小化传输差分信号(TMDS)的信号传输技术。TMDS也有类似CML的物理信号传输电平(电流模式逻辑)。图1给出了简化的HDMI链路框图。

    HDMI接口是一种带有三个TMDS通道的屏蔽电缆。默认配置是RGB，每个通道传送一种颜色。与DVI不同，HDMI支持亮度及色度的分量(YCbCr 4：4：4和4：2：2)，并通过3个TMDS链路，支持8个音频通道。

2 雷达HDMI输出接口的硬件设计
    过去的机载雷达多用PAL制的视频信号或VGA信号作为显示输出信号，在本设计中根据HDMI的有关特性，结合机载雷达的具体需求，设计了如图2所示的HDMI显示系统，其中的HDMI发射芯片是SiI9134。

    在本设计中，除了SiI9134和滤波电容和去偶电感外的所有电路都由FPGA构成。本设计选用XILINX公司Virtex-Ⅱ系列的FPGA XC2VP50实现控制和数字逻辑功能。XC2VP50具有16个RocketlO Blocks、2个PowerPC硬核、738 kbits的RAM空间、852个输入输出口的丰富的资源。用其中一个PowerPC硬核(PowerPC405)用来实现视频处理和控制功能。
    其实现过程如下，硬核PPC405首先需要对SiI9134做复位并将MUTE位置1，之后完成对音／视频工作频率、工作模式、工作路径等静态参数的初始化。在完成芯片的初始化之后通过设置输出使能位打开输出。并同时开启通用控制信息帧(GCP)传输，GCP在图像的消影期间传输，主要用于传输附加控制信息。此时因为GCP中的Mute位为1，所以显示器接收到此标志位之后并不显示实际图像，而只输出消隐信号(Blank)，也就是整个图像为黑屏。之后SiI9134启动图像的HDCP(High-Bandwidth Digital Content Protection)加密认证。SiI9134只有通过认证识别到符合HDCP规范的显示器并相互交换密钥之后，显示器才能正常显示加密数据。加密认证之后，SiI9134开始输出经过加密的音视频数据，并将Mute位清0，重新打开GCP传输。显示器接收到GCP并识别到Mute位为0之后开始解密数据并显示实际的图像。如果认证失败，则显示器无法解密发送端加密后的数据，将显示雪花点信号。PPC405将需要显示的图像数据按行列要求写入显示存贮器，视频时序电路和读显存地址形成电路将显示存贮器的数据按HDMI显示的要求送入HDMI接口电路，再由HDMI接口电路形成差分的高速串行信号和时钟信号通过HDMI专用电缆送入HDMI显示器。其设置流程如图3所示。

    图1中除HDMI接口电路外均用FPGA形成，FPGA可以很灵活的形成不同的行场信号和符合要求的显示缓存区。
    以往的机载雷达一般采用电视制式的视频信号或VGA制式的信号，这些信号均是模拟信号，模拟信号在用于液晶显示时，由于需要先D／A，再A／D的转换，这样就存在一定程度的信息损失，采用HDMI显示接口设计，可以有效避免由于数模模数转换而引进的信息损失，最大限度地保证了雷达显示信号的真实性和完整性。
    HDMI显示接口的成功运用，为机载雷达引进了一种全数字的在信号传输环节没有任何信息损失的显示方式，在必要时还可将雷达的重要信息通过语音形式由耳机传送给飞行员，语音功能是HDMI所特有的，DVI不具备此项功能。由于HDMI具有如上优点，必将在未来的机载雷达中得到越来起多的运用。
    在印制板的工程设计中，要按照数字高频电路的要求设计，要注意对差分信号的保护，按差分信号的要求布线(如保持等长和平行等)，对HDMI接口器件周边在布线时要注意电磁保护，以减少信号损失。

3 雷达HDMI输出接口的软件设计
    雷达的显示处理软件与原PAL制电视体制接口的模式并无大的不同，由于篇幅的限制，本文仅做简单阐述。
    为适应不同型号的雷达的要求，在软件编制上主要应有以下几个特点：模块化设计；层次结构分明；各层之间通过数据块传递完成信息传送；可扩充性好。
    软件主要分4个层次：
    1)与硬件关系密切的模块：主要有图像存贮器的选择、CPU的初始化设置及硬件的初始化等；
    2)基本符号显示模块：主要有显示各种各样的符号、线条、圆、数据制式的转换、座标变换(极座标转换为直角坐标)等，本层为本处理程序的基础层，一些基本的图形图像形成和处理均在本层完成；
    3)雷达工作方式功能模块：每一种工作方式都有一个对应的显示模块，主要功能为根据不同的工作方式显示相对应的背景画面和前景画面，本层为雷达应用层；
    4)用户工作模块：主要根据雷达工作方式字确定调用不同的子模块分解有关参数，传送刭相应的子模块。
    对于不同型号的雷达选用不同的子模块即可。
    目标数据库的维护和显示流程图如图4所示。

4 结束语
    HDMI由于可以支持高分辨率显示和带有音频传送等特点，再加上液晶等数字显示设备的不断普及，在各种领域将会越来越多的应用，尤其是在分辨率要求较高的军用和民用雷达方面，现己有多品种的新型雷达在考虑使用HDMI方式进行显示，而且HDMI在技术方面也是成熟的，相信在不远的将来，HDMI显示接口在雷达上的运用将会越来越多。