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使用 HDMI 1.4收发器设计高性能的一体式家庭影院和条形组合音箱

作者: David McMahon,窦烈,数字视频产品线,Analog Devices


摘要

由于体积和厚度的限制大部分平板高清电视音频的质量都不尽人意。配备一体式家庭影院(Home Theater in a Box 或HTiB) 和新兴的条形组合音箱 (soundbars) 正成为克服这个问题的比较流行的解决方案。 随着平板高清电视尺寸的不断增大以及价格的不断降低,如何设计制造高质量同时又是低成本的一体式家庭影院和条形组合音箱变成了消费电子制造商的最大的挑战。 在本文中,我们讨论了一体式家庭影院和条形组合音箱 领域的发展趋势和一些像HDMI各个输入之间快速切换等必配的功能。我们亦介绍和分析了应用 Analog Devices (ADI) HDMI 1.4 收发器(HDMI Transceiver)去设计低成本高质量的一体式家庭影院和条形组合音箱解决方案。

引言

在未来一到两年中随着价格的不断走低大屏超薄的高清电视将会越来越普及。这将对电视厂商们带来一个极大的技术挑战:屏幕越大用户对音响影院效果的要求就会越来越高。而机体越薄的话而喇叭的效果则会越差或者说效果好而厚度薄的喇叭成本会很高。家庭影院,包括一体式家庭影院(HTiB)和新近几年兴起的条形音箱(soundbars)是解决此项难题的一个比较好的方案。由于相当的一些情况下一体式家庭影院和条形组合音箱是和大屏高清电视配合使用所以从整体设计上要求设计时尚,安装容易而且接线简单。我们下来将针对一体式家庭影院和条形组合音箱的音视频主要要求和设计趋势做些总结讨论。

一体式家庭影院(HTiB)

家庭影院是指家用电影播放系统。一般由支持多声道播放的音视频播放机(DVD或blu-ray播放机),多声道功率放大器(A/V receiver 或AVR)和含有多个扬声器的音箱系统组成。最基本的音箱系统应为5.1声道: 前左/右扬声器系统,位于前左和前右扬声器系统中间的中置扬声器系统,后左/右(环绕声)扬声器系统,和一个超低音扬声器系统.

一体式家庭影院则是将这三样系统集成“捆绑“在一起销售。它的特点是不需用户自己花精力搭配,安装相对简单,有较好的DVD、功放和音箱互相之间的功率匹配,大多数一体式家庭影院体积小,价格比较便宜而且外观设计时尚流畅。所以它是一般家用的最好选择。

从家庭影院的重要方面是听觉享受所以从设计特点来看,大部分的低价位的AVR(250美元以下)和HTiB都只做音频而不带有视频处理功能。



图1:典型的一体式家庭影院系统方框图

条形组合音箱(Sound Bar)

随着平面高清电视的大量普及条形组合音箱也在快速成长。它使用安装方便,性价比高, 外形设计时髦新颖并与平板电视外形十分搭配。这使得条形音箱成为与平面电视配套享受高品质音效的最佳选择。

先进的条形组合音箱大都采用多个扬声器并整合环绕解码功能。为了能够支持蓝光DVD播放器和游戏机新近的条形组合音箱一般都带有数个HDMI的输入和一个输出。其系统方框图则与一体式家庭影院基本相同

一体式家庭影院和条形组合音箱的视频连接发展趋势和设计中的挑战

一体式家庭影院和条形组合音箱由于主要是与高清电视配套结合使用所以将来它们的音视频输入输出将主要是HDMI。从现在和发展的趋势来看一体式家庭影院和条形组合音箱的HDMI应具有下列功能和特性:

  • 三到四个输入端口以供多个HDMI源使用(高清摄像机,蓝光DVD,高清机顶盒等)
  • 一个输出端连接高清电视
  • 能够支持HDMI1.4规范中的音频回传通道(Audio Return Channel)。
  • 能够支持HDMI1.4规范中的三维电视(3DTV)模式
  • 能够支持各个HDMI输入端之间的快速切变以及接收器和发射器之间的快速再连接 – Repeater Fast-switching

设计中的最大挑战是HDMI 中继器(repeater)中繁复的软件处理和接收器和发射器之间的兼容。另一个不仅只限于设计但很现实的挑战是降低系统成本。这也是因为高清电视的价格不断降低而带来的压力。

为了帮助业界和客户提供解决以上两个问题和挑战,Analog Devices 最近推出了世界上第一个HDMI收发器 (HDMI transceiver) - ADV7623。图2是HDMI 收发器 (ADV7623) 的简单原理图。它集成了四个HDMI 1.4 输入端和一个HDMI 1.4 HDMI 输出端并将音频信号从HDMI信号中解出供系统解码处理。音频信号解码处理完毕后可被放大并送往扬声器或被送回ADV7623和原先的视频重新组合成编码成HDMI信号然后由ADV7623的HDMI输出端送出。这样集成了接收器和发射器并有四个输入口所以ADV7623一颗芯片不但提供了原先由2-3颗芯片才能提供的功能,它也将原先由大量的软件完成的工作改由硬件完成。加上向客户提供完整的驱动软件程序。这使客户系统工程师的设计工作量大为减轻。



图2:HDMI 收发器简明原理图

HDMI 1.4 兼容的一体式家庭影院和条形音箱的设计

以上概述了一体式家庭影院和条形组合音箱的发展趋势和将来必备的功能。下面将针对上面所提的第三至第五条功能和特性,以HDMI1.4收发器为例对这两类产品的设计做一些具体的解析和讨论。

音频回传通道 (Audio Return Channel)和三维立体电视 (3DTV)

根据市场调查,在2009六月发布的最新的HDMI 标准HDMI 1.4各项所增加的功能中, 绝大部分厂家都会先选择在部分高端和中高端产品中支持“3DTV传输”和“音频回传通道”(Audio Return Channel 或ARC) 两项特性。 如果高清电视与一体式家庭影院或条形组合音箱 是用HDMI线相连接那么“音频回传通道” 主要应用于将播放电视调谐器中解出的SPDIF音频信号 “回传”给一体式家庭影院或条形组合音箱再经由一体式家庭影院或条形组合音箱处理放大后送往音箱。图3是一个典型的“音频回传通道”的应用实例。



图3:“音频回传通道”应用举例

一般用户通常的连接方式是DVD连接到一体式家庭影院的接收机(AV Receiver或AVR)上面,AVR通过HDMI连接到高清电视上。如果使用DVD的话音视频信号都是从AVR (源端) 的Tx流向电视(接收端)的Rx的。但如使用电视收看高清广播的话则电视接受了高清节目后其解出的音频信号可以通过电视的同轴音频输出端(SPDIF信号)送到AVR放大处理后送往扬声器。这样就至少需要一条同轴音频传输线连接电视和AVR.现在如果电视和AVR都具有HDMI 1.4的ARC功能的话这个音频信号就可以通过同一根HDMI 接线由电视向AVR回传。需要说明一点的是HDMI 1.4以前版本的协议定义的HDMI缆线就可以支持ARC功能。ADV7623就是利用HDMI线缆按照HDMI 1.4规定完成这项功能的。在ADV7623的HDMI Tx里集成有一个ARC接收器。它将从电视机(通过HDMI缆线)传来的ARC信号转换成一般的SPDIF信号然后将此信号通过ADV7623的一个AP输出管脚送到AVR里面的音频处理器进行处理放大。

三维立体电视(3DTV)被视为电视技术下一个大发展的动力。 它将使人们在家里就能够享受到立体电视和打三维游戏。HDMI 1.4 规定了必须支持的三维格式和选项支持的三维格式。ADV7623支持所有规定的三维电视的格式。下表是它所支持中比较常用的几个三维格式:

具体如何应用”Stereoscopic methods” 或“2D plus depth methods”去传输,接受,和显示三维图像。读者可以去参考HDMI 1.4 协议标准。

HDMI端口之间快速切换(Fast Switching)

如图4所示,家庭影院典型的连接方式是AVR或一体式家庭影院是上联机顶盒或DVD和下接电视。如果所有联接都是用HDMI并加有HDCP保护的话那么在HDMI协议里这些设备被称作HDMI中继器(HDMI Repeater)。HDMI中继器的功能是:

  • 解密和提取由HDMI中继器中的HDMI Rx 接收的视频和音频数据
  • 对音频进行处理放大等等。如果需要,对视频也进行处理
  • 然后对音视频按照协议标准重新打成信息包并加密
  • 转换成TMDS信号后通过HDMI中继器中的 HDMI Tx 发送



图4:家庭影院的连接

现在大部分一体式家庭影院和AVR都带有至少三个以上的HDMI 接口。发展趋势是以后还会更多。这是因为越来越多的电器尤其是便携式电器都将带有HDMI输出。很多情况下用户同时接几个源(机顶盒,高清摄相机 等等)到AVR并在使用中从一个源换到另一个源。这对于AVR来说是从一个HDMI输入端转换到另一个HDMI输入端。对这个切换的的时间是越短越好。切换延迟的原因在于 HDCP 协议的复杂性。受HDCP 版权保护的内容(音频和视频)由一个 HDMI 发射源设备(例如 蓝光DVD 播放器)发往 HDMI 接收器设备(如 AVR)时必须遵守 HDCP 的协议先进行相互的 HDCP “身份验证”(authentication)。这个“身份验证”时间取决于各个产品内部微程序控制结构和软件所以市场上的不同的产品会有极大的不同“身份验证”时间。 市面上有相当一部分AVR或一体式家庭影院 的HDMI 端口之间的转换有时可以要花 10 秒以上。这不仅太长可能会导致用户觉得设备有了问题。

通常以前所用的HDMI输入之间的快速切变仅限于HDMI 接收器。这样的快速切变可应用于电视但不适用于HDMI中继器或必须加入大量的软件操作。这不但增加了大量的前期软件设计工作量而且在系统运行过程中也大大赠加了系统MCU的工作负荷量。而带有快速切换的HDMI收发器则正好弥补了这个不足。下面以ADV7623 HDMI收发器为例来解释什么是中继器快速切换(repeater fast switching)以及在设计中如何实现和优化。

正如先前所说一个HDMI中继器 包括 HDMI 接收器 和 HDMI发射器。ADV7623 集成有四个端口的接收器和一个端口的发射器。在某一时刻一个接收器端口接收着一个从上端的源 (例如蓝光DVD 播放器)到下游的接收器(电视)已通过身份验证的数据流。这个正在接受和下传数据的(接收器)端口叫做“当前端口(Active port)”。另外的三个(接收器)的接接收端口,接有例如游戏机,高清机顶盒,和高清摄像机,则被称为“背景端口(Background port)”。也就是说这三个通道都在“背景”中等待着被接通。当当前端口接同时,ADV7623探测到从源端来的+5V信号并在进行当前端口通道HDCP验证的同时也对其他三个背景通道也进行了同样的认证。这样虽然在电视屏幕上只显示了当前通道的节目但ADV7623也将其他三个背景通道的HDCP论证过程进行完毕并保持。一旦用户将中继器切换到另一个背景端口(比方说连接着游戏机的一个),由于论证已经完成所以切换非常快。而原先的当前通道则变为背景通道而且保持了HDCP的论证。

顺便提一下我们以上讨论的是如何改进HDMI中继器的切换速度因为通常这个切换占时最长。但有时电视(或其他显示器)内部从TV主芯片(TV SoC)开始接收到视频信号到将其显示到屏幕上也需要时间。这个时间的长短则取决于电视主芯片锁定速度和处理速度而与HDCP无关。

结论

HDMI 1.4 收发器(HDMI Transceiver)HDMI将多输入的HDMI1.4接收器和HDMI1.4发射器集成在同一个芯片上。使用HDMI 1.4收发器不但可以减少家庭影院和条形组合音箱的材料部件成本同时也大大减轻了工程师设计软件和硬件的工作量进而实现设计低成本高质量HDMI1.4兼容的家庭影院和条形组合音箱。

作者简历:

David McMahon是 Analog Devices 数字视频产品线的产品应用工程师。 他于 1997年获得了爱尔兰Limerick大学的电子工程学士并加入ADI。 他在过去10年中主要承担视频解码器和HDMI 产品的设计评估和产品评估并负责客户支持。

窦烈博士毕业于复旦大学物理二系。1993年获美国WAYNE 州立大学理学博士。毕业后先后在半导体器件设计,半导体设备,视频等领域里担任过工程师,市场营销经理等职并发表论文20多篇。2003年1月加入Analog Devices,目前为数字视频产品线市场部经理。

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