MAX9217/MAX9218視頻鏈路中的音頻數據傳輸

摘要：MAX9217/MAX9218串行器和解串器芯片組通過一對兒雙絞線LVDS鏈路實現視頻數據傳輸，廣泛用于汽車和工業應用領域。視頻信號的每一幀總是存在消隱周期，可以利用這些周期“承載”音頻數據。在本應用筆記中，我們討論音頻數據的傳輸格式，視頻鏈路發送數據的方法以及系統實現的具體實例。

引言

MAX9217/MAX9218芯片組[1]是一個收發器對兒，發送器(MAX9217)將并行數據轉換成串行數據，發送給接收器(MAX9218)；接收器再將串行數據轉換成并行數據。該芯片組設計用于通過一對兒低成本雙絞線電纜(如，以太網中常用的UTP-CAT5電纜)，將視頻和控制信號從圖形控制器(處理器)傳輸到LCD或等離子平面顯示器。傳輸距離可超過10米。該芯片組鏈路結構簡單，所使用的傳輸線為低成本電纜，是汽車、儀表、醫療設備等視頻顯示的理想方案。

該芯片組不僅可以在兩點之間傳送視頻信號，有時，人們還希望其同時傳送音頻信號。在本應用筆記中，我們將討論如何利用視頻信號的消隱期，通過控制信號通道將音頻數據傳送到顯示器。我們還將解釋怎樣把數字音頻數據轉換成模擬音頻信號，并給出了顯示面板端揚聲器驅動的系統結構。

MAX9217/MAX9218鏈路功能和視頻數據格式

MAX9217串行器具有27位并行輸入，總線速率高達35Mbps。在這27位中，18位是視頻RGB數據：3基色各占用6位，其余9位是控制信號。9位控制信號中的前3位指定為垂直、水平和RGB數據同步：VSYNC (C0)、HSYNC (C1)和ENAB (C2)。剩下的6個控制位(C3至C8)用于其他控制信號。本例中，我們使用6個控制位中的一部分傳輸音頻數據。MAX9217可以將18位RGB數據或9位控制數據轉換為串行數據，然后通過LVDS鏈路對其進行傳輸。在視頻顯示的消隱期內發送控制數據，由RGB數據使能信號(ENAB)指示。

MAX9218接收到串行數據后，將其轉換成與MAX9217輸入格式相同的并行數據。同樣，當MAX9218輸出并行數據時，根據串行LVDS鏈路的時序重新生成總線時鐘。圖1所示為MAX9217和MAX9218之間視頻、控制數據鏈路設置和連接的結構圖。圖2所示為視頻數據和控制數據的時序。根據視頻格式、顯示器分辯率和鏈路速率，RGB數據的控制占空比在1%至5%之間。


圖1. MAX9217/MAX9218的視頻鏈路設置


圖2. 串行鏈路的視頻數據和控制數據格式

數字音頻數據類型和傳輸格式

數字音頻數據有多種不同格式。我們討論3種最常用的格式：采樣數字音頻(PCM)、MPEG層3音頻(MP3) [2]和ATSC數字音頻壓縮標準(AC3) [3]。

PCM數字音頻是CD ROM或DVD采用的數據格式。對左右聲道的音頻信號采樣得到PCM數字信號，采樣率為44.1kHz，精度為16位或32位。因此，精度為16位時，PCM音頻數據速率為1.41Mbps；32位時為2.42Mbps。一張700MB CD可保存大約60分鐘的16位PCM數據格式的音樂。

MP3是MP3播放器采用的音頻格式，對PCM音頻數據進行壓縮編碼。立體聲MP3數據速率為112kbps至128kbps。對于這種數據速率，解碼后的MP3聲音效果與CD數字音頻的質量相同。AC3是數字TV、HDTV和電影數字音頻編碼標準。立體聲AC3編碼后的數據速率為192kbps。

為了恢復音頻信號，可將編碼后的音頻數據送入音頻解碼器芯片，該芯片生成PCM數字數據，傳送至音頻DAC，最終恢復成模擬音頻信號。相反，沒有編碼的數字音頻數據可以直接送入音頻DAC。(下面詳細說明這種類型的系統實現。)

編碼或解碼音頻數據的常用串行音頻數字接口是Inter-IC音頻總線(I²S) [4]。圖3所示為I²S接口配置和時序圖。每個音頻字的邊界由信號WS標識。在我們的應用中采用配置模式1。在SCK信號的上升沿，數據被鎖存至接收器，但是當SCK保持低電平時，不接收數據。


圖3. I²S接口配置和時序

使用MAX9217和MAX9218之間的串行鏈路仿真I²S接口，可以將音頻數據從圖形控制器一端傳送至遠端。我們將控制位C3和C4分別分配給SD和WS信號。對于SCK時鐘，如果要發送PCM數字音頻，可以直接使用MAX9218恢復的像素時鐘PCLK_OUT。對于傳送MP3或AC3音頻，可采用控制位C5為SCK時鐘生成一半或較低速率的像素時鐘。圖4顯示了這兩種情況的時序波形。為防止接收器溢出，大部分I²S接口需要進行節流控制，連續發送數據時，可以將SCK置低，直接實現節流控制。圖4中Case 1，工作期間SCK信號無法置低，可以使用片選引腳/CS關閉接收器。在這種情況下，圖4中的Case 1將C6分配給/CS信號。


圖4. I²S接口的控制數據位波形

消隱比和音頻數據吞吐率

由于音頻數據是通過視頻信號的消隱周期傳輸的，我們需要確定給定像素頻率f_P下行消隱比和場消隱比。圖5所示為顯示面板上的行消隱和場消隱周期。


圖5. 行消隱和場消隱

以RL表示行消隱比，RF表示場消隱比，由圖5所示，我們可以按以下各式計算這些比值：

R_L = (I₁ + I₂) / L

和

R_F = (f₁ + f₂) / F

由此得到音頻數據吞吐率R_A，即：

R_A = (R_Fδ_F + (1 - R_F) R_Lδ_L) f_P

其中δF和δL是消隱周期中的音頻數據傳輸利用率。利用率是指整個消隱周期中，音頻數據傳輸所占的比例，是節流控制的結果。作為一個實例，表1所示參數為3種類型的音頻數據設置數據速率。

表1. 不同類型音頻數據的消隱參數設置

系統實現

要在面板端播放音頻信號，我們需要將PCM數據送至音頻DAC或解碼MP3和AC3數據，然后將其送至音頻DAC。由于沒有反向通道將握手信號回送給控制器，解碼器主機時鐘必須與像素時鐘同步，以防止數據上溢或下溢。圖6所示為編碼和未編碼數據音頻重放的系統結構圖。


圖6. 面板端音頻重放實現

在上述結構圖中，采用了3次I²S接口。從左邊開始，第一和第二個I²S接口的數據速率相同，能夠達到35MHz。第三個接口—MAX9850 DirectDrive耳機放大器[5]接口，速率固定為音頻采樣率的倍數。時鐘SCK2送入MAX9491多路時鐘發生器[6]，它產生解碼器、FIFO和MAX9850的同步時鐘。MAX9491提供包含OTP的兩個可編程PLL，是本應用的理想頻率合成器。Case 1適用于提供解碼PCM音頻數據的圖形控制器，Case 2用于面板端壓縮數據的解碼。Case 1的節流控制由/CS引腳實現，Case 2中通過空閑SCK時鐘實現。對比這兩種實現方式，我們看到PCM音頻數據的Case 1不需要占用太多的消隱時間(表1)，不需要使用音頻解碼器芯片，成本低于Case 2。因此，如果圖形控制器能夠從MP3或AC3等編碼音頻數據流中生成PCM數據，建議直接在鏈路上傳送這些數據。