HDMI 1.4收發(fā)器在家庭影院和條形組合音箱中的應(yīng)用 - 全文

　　摘要

　　由于體積和厚度的限制大部分平板高清電視音頻的質(zhì)量都不盡人意。配備一體式家庭影院(Home Theater in a Box 或HTiB) 和新興的條形組合音箱 (soundbars) 正成為克服這個(gè)問題的比較流行的解決方案。 隨著平板高清電視尺寸的不斷增大以及價(jià)格的不斷降低，如何設(shè)計(jì)制造高質(zhì)量同時(shí)又是低成本的一體式家庭影院和條形組合音箱變成了消費(fèi)電子制造商的最大的挑戰(zhàn)。 在本文中，我們討論了一體式家庭影院和條形組合音箱 領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和一些像HDMI各個(gè)輸入之間快速切換等必配的功能。我們亦介紹和分析了應(yīng)用 Analog Devices (ADI) HDMI 1.4 收發(fā)器(HDMI Transceiver)去設(shè)計(jì)低成本高質(zhì)量的一體式家庭影院和條形組合音箱解決方案。

　　引言

　　在未來一到兩年中隨著價(jià)格的不斷走低大屏超薄的高清電視將會(huì)越來越普及。這將對(duì)電視廠商們帶來一個(gè)極大的技術(shù)挑戰(zhàn)：屏幕越大用戶對(duì)音響影院效果的要求就會(huì)越來越高。而機(jī)體越薄的話而喇叭的效果則會(huì)越差或者說效果好而厚度薄的喇叭成本會(huì)很高。家庭影院，包括一體式家庭影院(HTiB)和新近幾年興起的條形音箱(soundbars)是解決此項(xiàng)難題的一個(gè)比較好的方案。由于相當(dāng)?shù)囊恍┣闆r下一體式家庭影院和條形組合音箱是和大屏高清電視配合使用所以從整體設(shè)計(jì)上要求設(shè)計(jì)時(shí)尚，安裝容易而且接線簡(jiǎn)單。我們下來將針對(duì)一體式家庭影院和條形組合音箱的音視頻主要要求和設(shè)計(jì)趨勢(shì)做些總結(jié)討論。

　　一體式家庭影院(HTiB)

　　家庭影院是指家用電影播放系統(tǒng)。一般由支持多聲道播放的音視頻播放機(jī)(DVD或blu-ray播放機(jī))，多聲道功率放大器(A/V receiver 或AVR)和含有多個(gè)揚(yáng)聲器的音箱系統(tǒng)組成。最基本的音箱系統(tǒng)應(yīng)為5.1聲道: 前左/右揚(yáng)聲器系統(tǒng)，位于前左和前右揚(yáng)聲器系統(tǒng)中間的中置揚(yáng)聲器系統(tǒng)，后左/右(環(huán)繞聲)揚(yáng)聲器系統(tǒng)，和一個(gè)超低音揚(yáng)聲器系統(tǒng).

　　一體式家庭影院則是將這三樣系統(tǒng)集成“捆綁“在一起銷售。它的特點(diǎn)是不需用戶自己花精力搭配，安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，有較好的DVD、功放和音箱互相之間的功率匹配，大多數(shù)一體式家庭影院體積小，價(jià)格比較便宜而且外觀設(shè)計(jì)時(shí)尚流暢。所以它是一般家用的最好選擇。

　　從家庭影院的重要方面是聽覺享受所以從設(shè)計(jì)特點(diǎn)來看，大部分的低價(jià)位的AVR(250美元以下)和HTiB都只做音頻而不帶有視頻處理功能。

　　圖1：典型的一體式家庭影院系統(tǒng)方框圖

　　條形組合音箱(Sound Bar)

　　隨著平面高清電視的大量普及條形組合音箱也在快速成長(zhǎng)。它使用安裝方便，性價(jià)比高， 外形設(shè)計(jì)時(shí)髦新穎并與平板電視外形十分搭配。這使得條形音箱成為與平面電視配套享受高品質(zhì)音效的最佳選擇。

　　先進(jìn)的條形組合音箱大都采用多個(gè)揚(yáng)聲器并整合環(huán)繞解碼功能。為了能夠支持藍(lán)光DVD播放器和游戲機(jī)新近的條形組合音箱一般都帶有數(shù)個(gè)HDMI的輸入和一個(gè)輸出。其系統(tǒng)方框圖則與一體式家庭影院基本相同

　　一體式家庭影院和條形組合音箱的視頻連接發(fā)展趨勢(shì)和設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)

　　一體式家庭影院和條形組合音箱由于主要是與高清電視配套結(jié)合使用所以將來它們的音視頻輸入輸出將主要是HDMI。從現(xiàn)在和發(fā)展的趨勢(shì)來看一體式家庭影院和條形組合音箱的HDMI應(yīng)具有下列功能和特性：

　　三到四個(gè)輸入端口以供多個(gè)HDMI源使用(高清攝像機(jī)，藍(lán)光DVD,高清機(jī)頂盒等)

　　一個(gè)輸出端連接高清電視

　　能夠支持HDMI1.4規(guī)范中的音頻回傳通道(Audio Return Channel)。

　　能夠支持HDMI1.4規(guī)范中的三維電視(3DTV)模式

　　能夠支持各個(gè)HDMI輸入端之間的快速切變以及接收器和發(fā)射器之間的快速再連接 – Repeater Fast-switching

　　設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)是HDMI 中繼器(repeater)中繁復(fù)的軟件處理和接收器和發(fā)射器之間的兼容。另一個(gè)不僅只限于設(shè)計(jì)但很現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)是降低系統(tǒng)成本。這也是因?yàn)楦咔咫娨暤膬r(jià)格不斷降低而帶來的壓力。

　　為了幫助業(yè)界和客戶提供解決以上兩個(gè)問題和挑戰(zhàn)，Analog Devices 最近推出了世界上第一個(gè)HDMI收發(fā)器 (HDMI transceiver) - ADV7623。圖2是HDMI 收發(fā)器 (ADV7623) 的簡(jiǎn)單原理圖。它集成了四個(gè)HDMI 1.4 輸入端和一個(gè)HDMI 1.4 HDMI 輸出端并將音頻信號(hào)從HDMI信號(hào)中解出供系統(tǒng)解碼處理。音頻信號(hào)解碼處理完畢后可被放大并送往揚(yáng)聲器或被送回ADV7623和原先的視頻重新組合成編碼成HDMI信號(hào)然后由ADV7623的HDMI輸出端送出。這樣集成了接收器和發(fā)射器并有四個(gè)輸入口所以ADV7623一顆芯片不但提供了原先由2-3顆芯片才能提供的功能，它也將原先由大量的軟件完成的工作改由硬件完成。加上向客戶提供完整的驅(qū)動(dòng)軟件程序。這使客戶系統(tǒng)工程師的設(shè)計(jì)工作量大為減輕。

　　圖2：HDMI 收發(fā)器簡(jiǎn)明原理圖

　　HDMI 1.4 兼容的一體式家庭影院和條形音箱的設(shè)計(jì)

　　以上概述了一體式家庭影院和條形組合音箱的發(fā)展趨勢(shì)和將來必備的功能。下面將針對(duì)上面所提的第三至第五條功能和特性，以HDMI1.4收發(fā)器為例對(duì)這兩類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)做一些具體的解析和討論。

　　音頻回傳通道 (Audio Return Channel)和三維立體電視 (3DTV)

　　根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查,在2009六月發(fā)布的最新的HDMI 標(biāo)準(zhǔn)HDMI 1.4各項(xiàng)所增加的功能中， 絕大部分廠家都會(huì)先選擇在部分高端和中高端產(chǎn)品中支持“3DTV傳輸”和“音頻回傳通道”(Audio Return Channel 或ARC) 兩項(xiàng)特性。 如果高清電視與一體式家庭影院或條形組合音箱 是用HDMI線相連接那么“音頻回傳通道” 主要應(yīng)用于將播放電視調(diào)諧器中解出的SPDIF音頻信號(hào) “回傳”給一體式家庭影院或條形組合音箱再經(jīng)由一體式家庭影院或條形組合音箱處理放大后送往音箱。圖3是一個(gè)典型的“音頻回傳通道”的應(yīng)用實(shí)例。

　　圖3：“音頻回傳通道”應(yīng)用舉例

　　一般用戶通常的連接方式是DVD連接到一體式家庭影院的接收機(jī)(AV Receiver或AVR)上面，AVR通過HDMI連接到高清電視上。如果使用DVD的話音視頻信號(hào)都是從AVR (源端) 的Tx流向電視(接收端)的Rx的。但如使用電視收看高清廣播的話則電視接受了高清節(jié)目后其解出的音頻信號(hào)可以通過電視的同軸音頻輸出端(SPDIF信號(hào))送到AVR放大處理后送往揚(yáng)聲器。這樣就至少需要一條同軸音頻傳輸線連接電視和AVR.現(xiàn)在如果電視和AVR都具有HDMI 1.4的ARC功能的話這個(gè)音頻信號(hào)就可以通過同一根HDMI 接線由電視向AVR回傳。需要說明一點(diǎn)的是HDMI 1.4以前版本的協(xié)議定義的HDMI纜線就可以支持ARC功能。ADV7623就是利用HDMI線纜按照HDMI 1.4規(guī)定完成這項(xiàng)功能的。在ADV7623的HDMI Tx里集成有一個(gè)ARC接收器。它將從電視機(jī)(通過HDMI纜線)傳來的ARC信號(hào)轉(zhuǎn)換成一般的SPDIF信號(hào)然后將此信號(hào)通過ADV7623的一個(gè)AP輸出管腳送到AVR里面的音頻處理器進(jìn)行處理放大。

　　三維立體電視(3DTV)被視為電視技術(shù)下一個(gè)大發(fā)展的動(dòng)力。 它將使人們?cè)诩依锞湍軌蛳硎艿搅Ⅲw電視和打三維游戲。HDMI 1.4 規(guī)定了必須支持的三維格式和選項(xiàng)支持的三維格式。ADV7623支持所有規(guī)定的三維電視的格式。下表是它所支持中比較常用的幾個(gè)三維格式：

　　具體如何應(yīng)用”Stereoscopic methods” 或“2D plus depth methods”去傳輸，接受，和顯示三維圖像。讀者可以去參考HDMI 1.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

　　HDMI端口之間快速切換(Fast Switching)

　　如圖4所示，家庭影院典型的連接方式是AVR或一體式家庭影院是上聯(lián)機(jī)頂盒或DVD和下接電視。如果所有聯(lián)接都是用HDMI并加有HDCP保護(hù)的話那么在HDMI協(xié)議里這些設(shè)備被稱作HDMI中繼器(HDMI Repeater)。HDMI中繼器的功能是：

　　解密和提取由HDMI中繼器中的HDMI Rx 接收的視頻和音頻數(shù)據(jù)

　　對(duì)音頻進(jìn)行處理放大等等。如果需要，對(duì)視頻也進(jìn)行處理

　　然后對(duì)音視頻按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)重新打成信息包并加密

　　轉(zhuǎn)換成TMDS信號(hào)后通過HDMI中繼器中的 HDMI Tx 發(fā)送

　　圖4：家庭影院的連接

　　現(xiàn)在大部分一體式家庭影院和AVR都帶有至少三個(gè)以上的HDMI 接口。發(fā)展趨勢(shì)是以后還會(huì)更多。這是因?yàn)樵絹碓蕉嗟碾娖饔绕涫潜銛y式電器都將帶有HDMI輸出。很多情況下用戶同時(shí)接幾個(gè)源(機(jī)頂盒，高清攝相機(jī) 等等)到AVR并在使用中從一個(gè)源換到另一個(gè)源。這對(duì)于AVR來說是從一個(gè)HDMI輸入端轉(zhuǎn)換到另一個(gè)HDMI輸入端。對(duì)這個(gè)切換的的時(shí)間是越短越好。切換延遲的原因在于 HDCP 協(xié)議的復(fù)雜性。受HDCP 版權(quán)保護(hù)的內(nèi)容(音頻和視頻)由一個(gè) HDMI 發(fā)射源設(shè)備(例如 藍(lán)光DVD 播放器)發(fā)往 HDMI 接收器設(shè)備(如 AVR)時(shí)必須遵守 HDCP 的協(xié)議先進(jìn)行相互的 HDCP “身份驗(yàn)證”(authentication)。這個(gè)“身份驗(yàn)證”時(shí)間取決于各個(gè)產(chǎn)品內(nèi)部微程序控制結(jié)構(gòu)和軟件所以市場(chǎng)上的不同的產(chǎn)品會(huì)有極大的不同“身份驗(yàn)證”時(shí)間。 市面上有相當(dāng)一部分AVR或一體式家庭影院 的HDMI 端口之間的轉(zhuǎn)換有時(shí)可以要花 10 秒以上。這不僅太長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致用戶覺得設(shè)備有了問題。

　　通常以前所用的HDMI輸入之間的快速切變僅限于HDMI 接收器。這樣的快速切變可應(yīng)用于電視但不適用于HDMI中繼器或必須加入大量的軟件操作。這不但增加了大量的前期軟件設(shè)計(jì)工作量而且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中也大大贈(zèng)加了系統(tǒng)MCU的工作負(fù)荷量。而帶有快速切換的HDMI收發(fā)器則正好彌補(bǔ)了這個(gè)不足。下面以ADV7623 HDMI收發(fā)器為例來解釋什么是中繼器快速切換(repeater fast switching)以及在設(shè)計(jì)中如何實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。

　　正如先前所說一個(gè)HDMI中繼器 包括 HDMI 接收器 和 HDMI發(fā)射器。ADV7623 集成有四個(gè)端口的接收器和一個(gè)端口的發(fā)射器。在某一時(shí)刻一個(gè)接收器端口接收著一個(gè)從上端的源 (例如藍(lán)光DVD 播放器)到下游的接收器(電視)已通過身份驗(yàn)證的數(shù)據(jù)流。這個(gè)正在接受和下傳數(shù)據(jù)的(接收器)端口叫做“當(dāng)前端口(Active port)”。另外的三個(gè)(接收器)的接接收端口，接有例如游戲機(jī)，高清機(jī)頂盒，和高清攝像機(jī)，則被稱為“背景端口(Background port)”。也就是說這三個(gè)通道都在“背景”中等待著被接通。當(dāng)當(dāng)前端口接同時(shí)，ADV7623探測(cè)到從源端來的+5V信號(hào)并在進(jìn)行當(dāng)前端口通道HDCP驗(yàn)證的同時(shí)也對(duì)其他三個(gè)背景通道也進(jìn)行了同樣的認(rèn)證。這樣雖然在電視屏幕上只顯示了當(dāng)前通道的節(jié)目但ADV7623也將其他三個(gè)背景通道的HDCP論證過程進(jìn)行完畢并保持。一旦用戶將中繼器切換到另一個(gè)背景端口(比方說連接著游戲機(jī)的一個(gè))，由于論證已經(jīng)完成所以切換非?？?。而原先的當(dāng)前通道則變?yōu)楸尘巴ǖ蓝冶３至薍DCP的論證。

　　順便提一下我們以上討論的是如何改進(jìn)HDMI中繼器的切換速度因?yàn)橥ǔ＿@個(gè)切換占時(shí)最長(zhǎng)。但有時(shí)電視(或其他顯示器)內(nèi)部從TV主芯片(TV SoC)開始接收到視頻信號(hào)到將其顯示到屏幕上也需要時(shí)間。這個(gè)時(shí)間的長(zhǎng)短則取決于電視主芯片鎖定速度和處理速度而與HDCP無關(guān)。

　　結(jié)論

　　HDMI 1.4 收發(fā)器(HDMI Transceiver)HDMI將多輸入的HDMI1.4接收器和HDMI1.4發(fā)射器集成在同一個(gè)芯片上。使用HDMI 1.4收發(fā)器不但可以減少家庭影院和條形組合音箱的材料部件成本同時(shí)也大大減輕了工程師設(shè)計(jì)軟件和硬件的工作量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)低成本高質(zhì)量HDMI1.4兼容的家庭影院和條形組合音箱。