MAX9217MAX9218视频链路中的音频数据传输

摘要：MAX9217/MAX9218串行器和解串器芯片组通过一对儿双绞线LVDS链路实现视频数据传输，广泛用于汽车和工业应用领域。视频信号的每一帧总是存在消隐周期，可以利用这些周期“承载”音频数据。在本应用笔记中，我们讨论音频数据的传输格式，视频链路发送数据的方法以及系统实现的具体实例。

引言MAX9217/MAX9218芯片组[1]是一个收发器对儿，发送器(MAX9217)将并行数据转换成串行数据，发送给接收器(MAX9218)；接收器再将串行数据转换成并行数据。该芯片组设计用于通过一对儿低成本双绞线电缆(如，以太网中常用的UTP-CAT5电缆)，将视频和控制信号从图形控制器(处理器)传输到LCD或等离子平面显示器。传输距离可超过10米。该芯片组链路结构简单，所使用的传输线为低成本电缆，是汽车、仪表、医疗设备等视频显示的理想方案。

该芯片组不仅可以在两点之间传送视频信号，有时，人们还希望其同时传送音频信号。在本应用笔记中，我们将讨论如何利用视频信号的消隐期，通过控制信号通道将音频数据传送到显示器。我们还将解释怎样把数字音频数据转换成模拟音频信号，并给出了显示面板端扬声器驱动的系统结构。 MAX9217/MAX9218链路功能和视频数据格式MAX9217串行器具有27位并行输入，总线速率高达35Mbps。在这27位中，18位是视频RGB数据：3基色各占用6位，其余9位是控制信号。9位控制信号中的前3位指定为垂直、水平和RGB数据同步：VSYNC (C0)、HSYNC (C1)和ENAB (C2)。剩下的6个控制位(C3至C8)用于其他控制信号。本例中，我们使用6个控制位中的一部分传输音频数据。MAX9217可以将18位RGB数据或9位控制数据转换为串行数据，然后通过LVDS链路对其进行传输。在视频显示的消隐期内发送控制数据，由RGB数据使能信号(ENAB)指示。

MAX9218接收到串行数据后，将其转换成与MAX9217输入格式相同的并行数据。同样，当MAX9218输出并行数据时，根据串行LVDS链路的时序重新生成总线时钟。图1所示为MAX9217和MAX9218之间视频、控制数据链路设置和连接的结构图。图2所示为视频数据和控制数据的时序。根据视频格式、显示器分辩率和链路速率，RGB数据的控制占空比在1%至5%之间。


图1. MAX9217/MAX9218的视频链路设置


图2. 串行链路的视频数据和控制数据格式 数字音频数据类型和传输格式数字音频数据有多种不同格式。我们讨论3种最常用的格式：采样数字音频(PCM)、MPEG层3音频(MP3) [2]和ATSC数字音频压缩标准(AC3) [3]。

PCM数字音频是CD ROM或DVD采用的数据格式。对左右声道的音频信号采样得到PCM数字信号，采样率为44.1kHz，精度为16位或32位。因此，精度为16位时，PCM音频数据速率为1.41Mbps；32位时为2.42Mbps。一张700MB CD可保存大约60分钟的16位PCM数据格式的音乐。

MP3是MP3播放器采用的音频格式，对PCM音频数据进行压缩编码。立体声MP3数据速率为112kbps至128kbps。对于这种数据速率，解码后的MP3声音效果与CD数字音频的质量相同。AC3是数字TV、HDTV和电影数字音频编码标准。立体声AC3编码后的数据速率为192kbps。

为了恢复音频信号，可将编码后的音频数据送入音频解码器芯片，该芯片生成PCM数字数据，传送至音频DAC，最终恢复成模拟音频信号。相反，没有编码的数字音频数据可以直接送入音频DAC。(下面详细说明这种类型的系统实现。)

编码或解码音频数据的常用串行音频数字接口是Inter-IC音频总线(I²S) [4]。图3所示为I²S接口配置和时序图。每个音频字的边界由信号WS标识。在我们的应用中采用配置模式1。在SCK信号的上升沿，数据被锁存至接收器，但是当SCK保持低电平时，不接收数据。


图3. I²S接口配置和时序

使用MAX9217和MAX9218之间的串行链路仿真I²S接口，可以将音频数据从图形控制器一端传送至远端。我们将控制位C3和C4分别分配给SD和WS信号。对于SCK时钟，如果要发送PCM数字音频，可以直接使用MAX9218恢复的像素时钟PCLK_OUT。对于传送MP3或AC3音频，可采用控制位C5为SCK时钟生成一半或较低速率的像素时钟。图4显示了这两种情况的时序波形。为防止接收器溢出，大部分I²S接口需要进行节流控制，连续发送数据时，可以将SCK置低，直接实现节流控制。图4中Case 1，工作期间SCK信号无法置低，可以使用片选引脚/CS关闭接收器。在这种情况下，图4中的Case 1将C6分配给/CS信号。


图4. I²S接口的控制数据位波形 消隐比和音频数据吞吐率由于音频数据是通过视频信号的消隐周期传输的，我们需要确定给定像素频率fP下行消隐比和场消隐比。图5所示为显示面板上的行消隐和场消隐周期。


图5. 行消隐和场消隐

以RL表示行消隐比，RF表示场消隐比，由图5所示，我们可以按以下各式计算这些比值：

RL = (I1 + I2) / L

和

RF = (f1 + f2) / F

由此得到音频数据吞吐率RA，即：

RA = (RFδF + (1 - RF) RLδL) fP

其中δF和δL是消隐周期中的音频数据传输利用率。利用率是指整个消隐周期中，音频数据传输所占的比例，是节流控制的结果。作为一个实例，表1所示参数为3种类型的音频数据设置数据速率。

表1. 不同类型音频数据的消隐参数设置 Audio Data Type fP RA RB F L Data Rate 16-Bit PCM Audio Data 35 0.02 0.03 81% 82% 1.41Mbps MP3 17.5 0.01 0.01 35% 38.5% 128Kbps* AC3 17.5 0.01 0.01 50.3% 60% 192Kbps*
*注：MP3和AC3音频数据都含有头文件。考虑到这些信息后，实际的编码数据速率会稍高一些[2, 3]。 系统实现要在面板端播放音频信号，我们需要将PCM数据送至音频DAC或解码MP3和AC3数据，然后将其送至音频DAC。由于没有反向通道将握手信号回送给控制器，解码器主机时钟必须与像素时钟同步，以防止数据上溢或下溢。图6所示为编码和未编码数据音频重放的系统结构图。


图6. 面板端音频重放实现

在上述结构图中，采用了3次I²S接口。从左边开始，第一和第二个I²S接口的数据速率相同，能够达到35MHz。第三个接口—MAX9850 DirectDrive耳机放大器[5]接口，速率固定为音频采样率的倍数。时钟SCK2送入MAX9491多路时钟发生器[6]，它产生解码器、FIFO和MAX9850的同步时钟。MAX9491提供包含OTP的两个可编程PLL，是本应用的理想频率合成器。Case 1适用于提供解码PCM音频数据的图形控制器，Case 2用于面板端压缩数据的解码。Case 1的节流控制由/CS引脚实现，Case 2中通过空闲SCK时钟实现。对比这两种实现方式，我们看到PCM音频数据的Case 1不需要占用太多的消隐时间(表1)，不需要使用音频解码器芯片，成本低于Case 2。因此，如果图形控制器能够从MP3或AC3等编码音频数据流中生成PCM数据，建议直接在链路上传送这些数据。