作者: Ian Beavers 、Joe Triggs 、Lie Dou
簡介
今天,大屏幕 HDTV (高清電視)已獲得消費(fèi)者的廣泛認(rèn)可, 人們都在添置各種電子設(shè)備, 完善他們的家庭影院系統(tǒng)。單機(jī)家庭影院 (HTiB)、 SOUNDBAR 音箱和影音接收機(jī) (AVR) 能為用戶提供更加出色的音頻體驗(yàn)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上甄選硬件的一大關(guān)鍵。家庭影院系統(tǒng)現(xiàn)在能夠提供高清多媒體接口 (HDMI® )的所有最新特性(與設(shè)備無縫集成)。
對于 HTiB 、SOUNDBAR 音箱和 AVR 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言, 提高家庭影院的用戶體驗(yàn)就意味著不斷克服各種實(shí)施挑戰(zhàn)。最 新版 HDMI 標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)電子控制 (CEC) 協(xié)議的改進(jìn)。當(dāng)然, 消費(fèi)者都希望他們新買 的家庭影院設(shè)備能具備所有這些 HDMI 新特性, 并且物美價(jià)廉、操控簡易。因此, 家庭影院設(shè) 備的設(shè)計(jì)人員必須適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)還要縮減物料成本、開發(fā) 成本和上市時(shí)間。為了幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對此類挑戰(zhàn), 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(fù)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(yīng)該都需要彼此 獨(dú)立的 IC 及五花八門的固件,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(jié)省了板載面積、降低了固件 復(fù)雜程度、縮減了物料成本, 為家庭影院系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了 極大方便。
圖 1 HDMI 收發(fā)器功能框圖
單機(jī)家庭影院
HTiB 屬于完整的視頻播放系統(tǒng),一般采用多通道音頻放大器 和環(huán)繞聲音響系統(tǒng)來播放音頻。此外, 該系統(tǒng)通常還包括一個(gè) DVD 或 Blu-ray™視頻播放機(jī)。HTiB 簡化了視頻播放機(jī)、放大 器和揚(yáng)聲器的安裝和功率匹配, 它主要處理音頻, 視頻則通過 HDMI 接口傳送給電視機(jī)。圖 2 所示為一個(gè)典型的 HTiB 系統(tǒng)。
圖 2. 典型 HTiB 系統(tǒng)框圖
SOUNDBAR 音箱
隨著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(bǔ)充性的影音系統(tǒng)。這種音響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、安裝 方便, 音質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電視揚(yáng)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(nèi)置音頻處理系統(tǒng)和揚(yáng)聲器。圖 3 所示為典型的 SOUNDBAR 音箱系統(tǒng)。
圖 3. 帶 HDMI 集線器的典型 SOUNDBAR 音箱框圖
高級 SOUNDBAR 音箱裝有多個(gè)揚(yáng)聲器和放大器, 具備環(huán)繞聲 解碼能力, 其電子和聲學(xué)設(shè)計(jì)特性可以產(chǎn)生環(huán)繞聲效果, 而無 需在后面安置單獨(dú)的揚(yáng)聲器。中高端 SOUNDBAR 音箱系統(tǒng)包含 DVD 或藍(lán)光播放機(jī),從而形成與 HTiB 相似的系統(tǒng)架構(gòu)。
音頻回傳通道 (ARC )
作為 HDMI 規(guī)范中的新特性, 音頻回傳通道 (ARC)讓 HTiB 得以處理來自下游器件的音頻。如果要在沒有 ARC 的情況下收聽電視音頻,你需要一條單獨(dú)電纜(S/PDIF 光纖或同軸電纜) 將電視或調(diào)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 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(jī)頂盒或其他下游 HDMI 接收器件使用調(diào)諧器接收新 媒體內(nèi)容的情況下, ARC 就顯得意義重大。用戶如果不想再 聽性能一般的電視機(jī)揚(yáng)聲器聲音,可以輕松采用高保真的 HTiB 系統(tǒng)輸出。回傳的音頻數(shù)據(jù)通過 HDMI 電纜從電視傳遞 至HTiB(方向與傳統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)路徑相反) ,不用擔(dān)心對 HTiB 的視頻輸出在電纜上是否處于有效狀態(tài)。
擴(kuò)展顯示識(shí)別數(shù)據(jù) (EDID ) 復(fù)制
HDMI 收發(fā)器具有EDID 復(fù)制功能, 讓多個(gè) HDMI 端口共享一 個(gè)位置儲(chǔ)存器(即使 HTiB 處于省電模式)。該功能可以縮短 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間, 因?yàn)樗猩嫌?HDMI 源器件都可以在 HTiB 上 電之前合理配置其視頻輸出。EDID 復(fù)制功能只需+5 V/55 mA 的電源供電, 通過 HDMI 電纜提供。
3D 視頻
作為 3D 內(nèi)容來源(如游戲機(jī)、藍(lán)光播放機(jī)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(shè) 計(jì)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(tǒng)增添 3D 視頻體驗(yàn)。HDMI 標(biāo)準(zhǔn)的這一新特 性顯著提升了用戶體驗(yàn),成為刺激電視銷售的關(guān)鍵。
該規(guī)范定義了家庭播放 3D 視頻的基礎(chǔ)設(shè)施,支持一系列強(qiáng)制 性和可選視頻格式。在實(shí)際應(yīng)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(nèi)容時(shí)會(huì)通過 HDMI 協(xié)議命令告知 HtiB , HTiB 接著會(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 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(xiàng)配置等。用戶可使用屏幕顯示(OSD)功能直觀方便地控制這些復(fù)雜特性。OSD 一般通過專用器件實(shí)現(xiàn),但現(xiàn)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(jié)省了可觀的外部解決方案成本。另外, 還節(jié)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(tǒng)固件中的 設(shè)計(jì)工作。
消費(fèi)電子控制 (CEC ) 擴(kuò)展
消費(fèi)電子控制 (CEC) 通道屬于單線通信接口, 可實(shí)現(xiàn)家庭娛 樂系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)操作。例如, 單用一個(gè)遙控按鈕即可同時(shí)開關(guān)娛樂系統(tǒng)中的所有設(shè)備。 HDMI 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)擴(kuò)展支持 ARC 和 HDMI 以太網(wǎng)通道 (HEC)等新特性, HDMI 收發(fā)器內(nèi)的 CEC 命令 庫也隨之?dāng)U展提供支持。對于 HTiB 設(shè)計(jì)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 目前可以處理單線網(wǎng)絡(luò)上 ARC 和 HEC 會(huì)話的發(fā)現(xiàn)、協(xié)商、啟動(dòng)和終止。
音頻插入和提取
HDMI 收發(fā)器在 HTiB 內(nèi)的另一用途是提取 HDMI 音頻, 并用 數(shù)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(shù)據(jù)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)此類應(yīng)用的例子是將 iPod® 接入 HtiB,將其音頻與獨(dú)立的 視頻流混合在一起。
在家庭影院配置中,HTiB 系統(tǒng)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(lán)光播放器可用作輸入 HTiB 的源器件。要利用遠(yuǎn)高于電視揚(yáng)聲器的 HTiB 音質(zhì),就必 須在 HTiB 內(nèi)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HDMI 鏈路也能提供 2 通道 I2S 或 S/PDIF.視頻繼續(xù)傳送至電視或顯示 器, 完成系統(tǒng)路徑。只有 HDMI/HDCP (高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)) 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(shè)計(jì)中的一個(gè)最大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn) HDCP 中繼器功能。HTiB 實(shí)現(xiàn)的中繼器功能是內(nèi)容保護(hù)、EDID 管理和影音靜音的綜合。 HDMI 收發(fā)器將整個(gè)中繼器過程集成 到單一器件和固件中, 降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性。
隨著影音處理器件的復(fù)雜程度日益增加, 優(yōu)質(zhì)可靠的硬件抽象 化軟件庫和應(yīng)用程序編程接口 (API)成為設(shè)計(jì)人員的重大優(yōu) 勢——縮短上市時(shí)間并可從構(gòu)建良好的 HDMI 和 HDCP 兼容 平臺(tái)起步。如果從一開始便采用芯片廠商的共享編碼基數(shù), 可 進(jìn)一步節(jié)約成本: 在中高端 HTiB 中使用同一廠商的分立接收 器和發(fā)射器, 在后來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(jié)約成本的 2 層電路板設(shè)計(jì)
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方案。與較為復(fù)雜的球柵陣列(BGA)封 裝相比, 薄型LQFP 封裝可節(jié)約制造成本、降低復(fù)雜性并能簡 化成品檢查。 LQFP 很大程度上簡化了布局方面的問題,封裝 實(shí)際上可以布置在 2 層板上, 從而實(shí)現(xiàn)低成本, 同時(shí)還能滿足 所有必需的 HDMI 物理層兼容測試阻抗測量。
2 層板的設(shè)計(jì)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(dǎo): 對最小化傳輸差分信號(TMDS) 差分對輸入和 輸出所需的走線阻抗進(jìn)行布線。不過,通過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 廠商密切合作, 完全能夠出色地實(shí)現(xiàn)性能不打折扣的成功布局。
結(jié)論
HDMI 收發(fā)器能夠幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員降低家庭影院系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 成本和難度,并提供最新 HDMI 特性滿足消費(fèi)者的視聽體驗(yàn)需 求。使用此類收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn) 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(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜程度。在 HDMI 流內(nèi)提 取、處理和插入音頻這一功能提升了消費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的家庭影 院體驗(yàn)。在 HTiB 和 SOUNDBAR 系統(tǒng)用作 HDMI 中繼器的情 況下,新收發(fā)器的設(shè)計(jì)和固件可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無縫對接。HDMI 收發(fā)器布線可以在 2 層板上成功實(shí)現(xiàn),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(tǒng) 該系統(tǒng)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(nèi)容。然后, 將處理后的音 頻發(fā)送到放大器和揚(yáng)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(tǒng)設(shè)計(jì)中非常實(shí)用。 ADV7623 提供 EDID 復(fù)制、 HDCP 中繼器支持和 ARC 功能, 支持強(qiáng)制性 3D 視頻格 式。 ADV7623 現(xiàn)已面市, 采用 144 引腳 LQFP 封裝,便于 2 層 PCB 設(shè)計(jì)。
圖 4. 采用 ADV7623 HDMI 收發(fā)器的 HTiB 系統(tǒng)
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(shè)計(jì)中(包括 AVR 、HTiB 和 SOUNDBAR 音箱)將:
1. 降低系統(tǒng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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、高性能家庭視聽系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕佳選擇。
關(guān)于作者
Ian Beavers [ian.beavers@analog.com] , ADI 公司數(shù)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(dǎo)體行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)。他擁有美國北卡羅來納州立大學(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(shù)字視頻處理部(位于愛爾蘭利默里克) 資深應(yīng)用 工程師, 2007 年進(jìn)入公司, 負(fù)責(zé)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(xù)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(shù)字視頻產(chǎn)品部產(chǎn)品營銷經(jīng)理。他于 2003 年進(jìn)入 ADI 公司,從事視頻和顯示器產(chǎn)品營銷工作。 Lie 擁有中國復(fù)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(biāo)和High-Definition Multimedia Interface 是HDMI Licensing LLC 公司在美國及其他國家的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。 |
