作者: Ian Beavers 、Joe Triggs 、Lie Dou

簡(jiǎn)介

今天,大屏幕 HDTV  (高清電視)已獲得消費者的廣泛認可, 人們都在添置各種電子設備, 完善他們的家庭影院系統。單機家庭影院 (HTiB)、 SOUNDBAR  音箱和影音接收機 (AVR) 能為用戶(hù)提供更加出色的音頻體驗并令 HDTV  視頻性能更臻 完善。提取和處理高保真音頻信號的能力是目前市場(chǎng)上甄選硬件的一大關(guān)鍵。家庭影院系統現在能夠提供高清多媒體接口 (HDMI® )的所有最新特性(與設備無(wú)縫集成)。

對于 HTiB 、SOUNDBAR 音箱和 AVR 的系統設計人員而言, 提高家庭影院的用戶(hù)體驗就意味著(zhù)不斷克服各種實(shí)施挑戰。最 新版 HDMI 標準中又增添了新特性,如音頻回傳通道(ARC) 、 3D 顯示格式以及對消費電子控制 (CEC) 協(xié)議的改進(jìn)。當然, 消費者都希望他們新買(mǎi) 的家庭影院設備能具備所有這些 HDMI 新特性, 并且物美價(jià)廉、操控簡(jiǎn)易。因此, 家庭影院設 備的設計人員必須適應新標準,同時(shí)還要縮減物料成本、開(kāi)發(fā) 成本和上市時(shí)間。為了幫助設計人員應對此類(lèi)挑戰, ADI公司推出了集成這些新特性的HDMI收發(fā)器產(chǎn)品。

以 ADV7623 為例,這款 HDMI 收發(fā)器集成了 4:1  HDMI 輸入多路復用器 (mux )、 HDMI 接收器、 屏幕顯示 (OSD)引擎和 HDMI 發(fā)射器。就個(gè)體而言, 上述每種功能應該都需要彼此 獨立的 IC 及五花八門(mén)的固件,但一個(gè)收發(fā)器就可以將全部功能組合到一個(gè)綜合解決方案中, 節省了板載面積、降低了固件 復雜程度、縮減了物料成本, 為家庭影院系統設計人員帶來(lái)了 極大方便。

圖 1 HDMI 收發(fā)器功能框圖

單機家庭影院

HTiB  屬于完整的視頻播放系統,一般采用多通道音頻放大器 和環(huán)繞聲音響系統來(lái)播放音頻。此外, 該系統通常還包括一個(gè) DVD 或 Blu-ray™視頻播放機。HTiB 簡(jiǎn)化了視頻播放機、放大 器和揚聲器的安裝和功率匹配, 它主要處理音頻, 視頻則通過(guò) HDMI 接口傳送給電視機。圖 2 所示為一個(gè)典型的 HTiB 系統。

圖 2.  典型 HTiB 系統框圖

SOUNDBAR 音箱

隨著(zhù)超薄大屏幕平板電視的日益普及,新興的 SOUNDBAR 音 箱成為一種補充性的影音系統。這種音響系統結構緊湊、安裝 方便, 音質(zhì)遠遠高于電視揚聲器。大部分 HTiB 和 SOUNDBAR 音箱都與大屏幕 HDTV  配套使用, 因此其音頻和視頻連接主要采用 HDMI 接口。 SOUNDBAR 音箱一般都擁有多個(gè) HDMI輸入端用于各種信號源,擁有一個(gè) HDMI  輸出端用于連接電視,同時(shí)內置音頻處理系統和揚聲器。圖 3  所示為典型的 SOUNDBAR 音箱系統。

圖 3.  帶 HDMI 集線(xiàn)器的典型 SOUNDBAR 音箱框圖

高級 SOUNDBAR 音箱裝有多個(gè)揚聲器和放大器, 具備環(huán)繞聲 解碼能力, 其電子和聲學(xué)設計特性可以產(chǎn)生環(huán)繞聲效果, 而無(wú) 需在后面安置單獨的揚聲器。中高端 SOUNDBAR 音箱系統包含 DVD 或藍光播放機,從而形成與 HTiB 相似的系統架構。

音頻回傳通道 (ARC )

作為 HDMI 規范中的新特性, 音頻回傳通道 (ARC)讓 HTiB 得以處理來(lái)自下游器件的音頻。如果要在沒(méi)有 ARC 的情況下收聽(tīng)電視音頻,你需要一條單獨電纜(S/PDIF 光纖或同軸電纜) 將電視或調諧器的音頻送回至 HTiB。有了 ARC , HDMI 電纜 就可以將 2 通道 S/PDIF 或多通道音頻從電視回傳到 HTiB , 無(wú) 需使用額外的音頻電纜。HDMI 收發(fā)器在 HDMI 輸出端口提供一個(gè) ARC 接收器。

在電視、機頂盒或其他下游 HDMI 接收器件使用調諧器接收新 媒體內容的情況下, ARC  就顯得意義重大。用戶(hù)如果不想再 聽(tīng)性能一般的電視機揚聲器聲音,可以輕松采用高保真的 HTiB 系統輸出�；貍鞯囊纛l數據通過(guò) HDMI 電纜從電視傳遞 至HTiB(方向與傳統的視頻數據路徑相反) ,不用擔心對 HTiB 的視頻輸出在電纜上是否處于有效狀態(tài)。

擴展顯示識別數據 (EDID ) 復制

HDMI 收發(fā)器具有EDID 復制功能, 讓多個(gè) HDMI 端口共享一 個(gè)位置儲存器(即使 HTiB 處于省電模式)。該功能可以縮短 系統啟動(dòng)時(shí)間, 因為所有上游 HDMI 源器件都可以在 HTiB 上 電之前合理配置其視頻輸出。EDID 復制功能只需+5 V/55 mA 的電源供電, 通過(guò) HDMI 電纜提供。

3D 視頻

作為 3D 內容來(lái)源(如游戲機、藍光播放機和 3D 電視等)之 間的連接橋梁, HTiB  制造商必須時(shí)刻站在技術(shù)前沿, 不斷設 計出能夠提供新特性的源器件和接收器件, 讓顧客從中享受全部功能的長(cháng)期利益。 HDMI 收發(fā)器采用了最新的 HDMI 技術(shù), 可為家庭影院系統增添 3D 視頻體驗。HDMI 標準的這一新特 性顯著(zhù)提升了用戶(hù)體驗,成為刺激電視銷(xiāo)售的關(guān)鍵。

該規范定義了家庭播放 3D 視頻的基礎設施,支持一系列強制 性和可選視頻格式。在實(shí)際應用中, HTiB  必須向連接源提交 其支持的 3D 格式清單——從連接的電視讀取并針對其本身的 3D 格式支持清單進(jìn)行分析, 然后, 連接源在發(fā)送 3D 內容時(shí)會(huì )通過(guò) HDMI 協(xié)議命令告知 HtiB , HTiB 接著(zhù)會(huì )提取并輸出高級 音頻格式, 如 Dolby TrueHD® 或 DTS-HD Master Audio® ,這些格式通過(guò) HDMI 鏈路發(fā)送,除非電視可能不具備支持功能。

屏幕顯示 (OSD )

HTiB  具有許多用戶(hù)控制功能,比如在多個(gè)輸入之間選擇、選 擇所需音頻和視頻格式以及高級音頻處理選項配置等。用戶(hù)可使用屏幕顯示(OSD)功能直觀(guān)方便地控制這些復雜特性。OSD 一般通過(guò)專(zhuān)用器件實(shí)現,但現在 HDMI 收發(fā)器集成了 OSD 引 擎, 將所需的屏幕顯示信息融合到輸出視頻上——為 HTiB 制 造商節省了可觀(guān)的外部解決方案成本。另外, 還節省了器件成 本和物料成本,同時(shí)減輕了將 OSD 軟件集成到系統固件中的 設計工作。

消費電子控制 (CEC ) 擴展

消費電子控制 (CEC) 通道屬于單線(xiàn)通信接口, 可實(shí)現家庭娛 樂(lè )系統聯(lián)網(wǎng)操作。例如, 單用一個(gè)遙控按鈕即可同時(shí)開(kāi)關(guān)娛樂(lè )系統中的所有設備。 HDMI 標準已經(jīng)擴展支持 ARC 和 HDMI 以太網(wǎng)通道 (HEC)等新特性, HDMI 收發(fā)器內的 CEC 命令 庫也隨之擴展提供支持。對于 HTiB 設計人員而言, 支持最新 的 HDMI 特性就要同時(shí)支持最新的 CEC 特性。 HDMI 收發(fā)器 目前可以處理單線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上 ARC 和 HEC 會(huì )話(huà)的發(fā)現、協(xié)商、啟動(dòng)和終止。

音頻插入和提取

HDMI 收發(fā)器在 HTiB 內的另一用途是提取 HDMI 音頻, 并用 數字信號處理 (DSP) 芯片進(jìn)行處理。這樣, 音頻可重新插入 HDMI 流送往電視。由于很多電視無(wú)法處理多通道音頻格式, 而 DSP  芯片可以將音頻下采樣為立體聲,然后將音頻重新插 入 HDMI 鏈路中送往電視。

或者,輸入音頻可由 HTiB  源的新數據流完全取代并嵌入 HDMI 信號中送往電視。 這種情況下, 只用音頻插入特性即可。 一個(gè)此類(lèi)應用的例子是將 iPod® 接入 HtiB,將其音頻與獨立的 視頻流混合在一起。

在家庭影院配置中,HTiB 系統可用作HDMI 中繼器,接受HDMI 輸入然后作為 HDMI 輸出發(fā)送。例如,藍光播放器可用作輸入 HTiB 的源器件。要利用遠高于電視揚聲器的 HTiB 音質(zhì),就必 須在 HTiB 內從 HDMI 信號中提取音頻。最理想的情況是,音 響發(fā)燒友一定希望HTiB 能輸出完全 8 通道I2S 音頻,不過(guò)HDMI 鏈路也能提供 2 通道 I2S 或 S/PDIF.視頻繼續傳送至電視或顯示 器, 完成系統路徑。只有 HDMI/HDCP  (高帶寬數字內容保護) 中繼器或收發(fā)器型器件才能處理這種音頻提取。

固件/中繼器支持

HTiB  和 SOUNDBAR  音箱設計中的一個(gè)最大挑戰是實(shí)現 HDCP 中繼器功能。HTiB 實(shí)現的中繼器功能是內容保護、EDID 管理和影音靜音的綜合。 HDMI 收發(fā)器將整個(gè)中繼器過(guò)程集成 到單一器件和固件中, 降低了系統開(kāi)發(fā)的復雜性。

隨著(zhù)影音處理器件的復雜程度日益增加, 優(yōu)質(zhì)可靠的硬件抽象 化軟件庫和應用程序編程接口 (API)成為設計人員的重大優(yōu) 勢——縮短上市時(shí)間并可從構建良好的 HDMI 和 HDCP 兼容 平臺起步。如果從一開(kāi)始便采用芯片廠(chǎng)商的共享編碼基數, 可 進(jìn)一步節約成本: 在中高端 HTiB 中使用同一廠(chǎng)商的分立接收 器和發(fā)射器, 在后來(lái)的升級中可以獲得將收發(fā)器編碼集成到中低端 HTiB 中的好處。

節約成本的 2 層電路板設計

新的 HDMI 收發(fā)器采用四方扁平封裝(QFP) 技術(shù), 提供高效 的電路板布局和走線(xiàn)方案。與較為復雜的球柵陣列(BGA)封 裝相比, 薄型LQFP 封裝可節約制造成本、降低復雜性并能簡(jiǎn) 化成品檢查。 LQFP 很大程度上簡(jiǎn)化了布局方面的問(wèn)題,封裝 實(shí)際上可以布置在 2 層板上, 從而實(shí)現低成本, 同時(shí)還能滿(mǎn)足 所有必需的 HDMI 物理層兼容測試阻抗測量。

2 層板的設計難點(diǎn)包括: 管理收發(fā)器的電源路由并充分解耦: 提 供最佳熱傳導: 對最小化傳輸差分信號(TMDS) 差分對輸入和 輸出所需的走線(xiàn)阻抗進(jìn)行布線(xiàn)。不過(guò),通過(guò)使用表面貼裝分立器件,采用良好的布局原則以及同印刷電路板 (PCB)和芯片 廠(chǎng)商密切合作, 完全能夠出色地實(shí)現性能不打折扣的成功布局。

結論

HDMI  收發(fā)器能夠幫助系統設計人員降低家庭影院系統的設計 成本和難度,并提供最新 HDMI 特性滿(mǎn)足消費者的視聽(tīng)體驗需 求。使用此類(lèi)收發(fā)器可以實(shí)現 ARC 和 3D 視頻等 HDMI 特性。 HDMI 信號路徑上集成了屏幕顯示 (OSD) 引擎, 降低了 HTiB 和 SOUNDBAR 音箱設計的成本和復雜程度。在 HDMI 流內提 取、處理和插入音頻這一功能提升了消費系統設計中的家庭影 院體驗。在 HTiB 和 SOUNDBAR 系統用作 HDMI 中繼器的情 況下,新收發(fā)器的設計和固件可以實(shí)現系統無(wú)縫對接。HDMI 收發(fā)器布線(xiàn)可以在 2 層板上成功實(shí)現,從而降低物料成本。

圖 4 所示為使用ADI 公司 ADV7623 的典型 HDMI 收發(fā)器系統 該系統將 4 路輸入 HDMI 接收器 (Rx)和具有音頻提取功能 的 HDMI 發(fā)射器 (Tx) 集成在一起。HDMI  信號解碼后,由 SHARC 音頻 DSP 提取并處理音頻內容。然后, 將處理后的音 頻發(fā)送到放大器和揚聲器或重新插入 HDMI 信號路徑中。這款 收發(fā)器還集成了 OSD, 可以省去分立 OSD  引擎的成本,在 SOUNDBAR 音箱系統設計中非常實(shí)用。 ADV7623 提供 EDID 復制、 HDCP 中繼器支持和 ARC 功能, 支持強制性 3D 視頻格 式。 ADV7623 現已面市, 采用 144 引腳 LQFP 封裝,便于 2 層 PCB 設計。

圖 4.  采用 ADV7623 HDMI 收發(fā)器的 HTiB 系統

HDMI 收發(fā)器將多路輸入HDMI 接收器和HDMI 發(fā)射器集成在 單一芯片上,可靈活提取和插入音頻。將 HDMI  收發(fā)器用于 HDMI  A/V 中繼器設計中(包括 AVR 、HTiB 和 SOUNDBAR 音箱)將:

1. 降低系統的物料成本—— 元件更少、 PCB  面積更小、 PCB 層更少。
2. 大大減輕硬件和 HDMI  中繼器系統軟件設計工作,從 而大幅縮減上市時(shí)間。

這些優(yōu)勢使 HDMI 收發(fā)器成為低成本、高性能家庭視聽(tīng)系統設計的絕佳選擇。

關(guān)于作者



Ian Beavers  [ian.beavers@analog.com] , ADI 公司數字視頻處理部(位于北卡羅萊納州格林斯博羅) 資深工程師,HDMI 及其他視頻接口產(chǎn)品組主管。 1999 年進(jìn)入 ADI 公司, 擁有 15 年半導體行業(yè)工作經(jīng)驗。他擁有美國北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和格林斯博羅分校 MBA 學(xué)位。


Joe Triggs  [joe.triggs@analog.com] , ADI 公司數字視頻處理部(位于愛(ài)爾蘭利默里克) 資深應用 工程師, 2007 年進(jìn)入公司, 負責HDMI 接收器、 發(fā)射器和收發(fā)器產(chǎn)品。他于 2002 年獲得國立科克大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位, 之后繼續深造, 2004 年獲得 利默里克大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位。


Lie Dou  [lie.dou@analog.com] , ADI 公司數字視頻產(chǎn)品部產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。他于 2003 年進(jìn)入 ADI 公司,從事視頻和顯示器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工作。 Lie  擁有中國復旦大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位和韋恩州立大學(xué)物 理學(xué)博士學(xué)位。

HDMI、HDMI  商標和High-Definition Multimedia Interface  是HDMI Licensing LLC  公司在美國及其他國家的商標或注冊商標。