利用HDMI收发器简化家庭影院系统设计
发布日期:2023-03-30
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简介
今天，大屏幕HDTV（高清电视）已获得消费者的广泛认可，人们都在添置各种电子设备，完善他们的家庭影院系统。单机家庭影院（HTiB）、SOUNDBAR音箱和影音接收机（AVR）能为用户提供更加出色的音频体验并令HDTV视频性能更臻完善。提取和处理高保真音频信号的能力是目前市场上甄选硬件的一大关键。家庭影院系统现在能够提供高清多媒体接口（HDMI）的所有最新特性（与设备无缝集成）。
对于HTiB、SOUNDBAR音箱和AVR的系统设计人员而言，提高家庭影院的用户体验就意味着不断克服各种实施挑战。最新版HDMI标准中又增添了新特性，如音频回传通道（ARC）、3D显示格式以及对消费电子控制（CEC）协议的改进。当然，消费者都希望他们新买的家庭影院设备能具备所有这些HDMI新特性，并且物美价廉、操控简易。因此，家庭影院设备的设计人员必须适应新标准，同时还要缩减物料成本、开发成本和上市时间。为了帮助设计人员应对此类挑战，ADI公司推出了集成这些新特性的HDMI收发器产品。
以ADV7623为例，这款HDMI收发器集成了4：1 HDMI输入多路复用器（mux）、HDMI接收器、屏幕显示（OSD）引擎和HDMI发射器。就个体而言，上述每种功能应该都需要彼此独立的IC及五花八门的固件，但一个收发器就可以将全部功能组合到一个综合解决方案中，节省了板载面积、降低了固件复杂程度、缩减了物料成本，为家庭影院系统设计人员带来了极大方便。
图1. HDMI收发器功能框图
单机家庭影院
HTiB属于完整的视频播放系统，一般采用多通道音频放大器和环绕声音响系统来播放音频。此外，该系统通常还包括一个DVD或Blu-ray视频播放机。HTiB简化了视频播放机、放大器和扬声器的安装和功率匹配，它主要处理音频，视频则通过HDMI接口传送给电视机。图2所示为一个典型的HTiB系统。
图2.典型HTiB系统框图
SOUNDBAR音箱
随着超薄大屏幕平板电视的日益普及，新兴的SOUNDBAR音箱成为一种补充性的影音系统。这种音响系统结构紧凑、安装方便，音质远远高于电视扬声器。大部分HTiB和SOUNDBAR音箱都与大屏幕HDTV配套使用，因此其音频和视频连接主要采用HDMI接口。SOUNDBAR音箱一般都拥有多个HDMI输入端用于各种信号源，拥有一个HDMI输出端用于连接电视，同时内置音频处理系统和扬声器。图3所示为典型的SOUNDBAR音箱系统。
图3.带HDMI集线器的典型SOUNDBAR音箱框图
高级SOUNDBAR音箱装有多个扬声器和放大器，具备环绕声解码能力，其电子和声学设计特性可以产生环绕声效果，而无需在后面安置单独的扬声器。中高端SOUNDBAR音箱系统包含DVD或蓝光播放机，从而形成与HTiB相似的系统架构。 音频回传通道（ARC）
作为HDMI规范中的新特性，音频回传通道（ARC）让HTiB得以处理来自下游器件的音频。如果要在没有ARC的情况下收听电视音频，你需要一条单独电缆（S/PDIF光纤或同轴电缆）将电视或调谐器的音频送回至HTiB.有了ARC，HDMI电缆就可以将2通道S/PDIF或多通道音频从电视回传到HTiB，无需使用额外的音频电缆。HDMI收发器在HDMI输出端口提供一个ARC接收器。
在电视、机顶盒或其他下游HDMI接收器件使用调谐器接收新媒体内容的情况下，ARC就显得意义重大。用户如果不想再听性能一般的电视机扬声器声音，可以轻松采用高保真的HTiB系统输出。回传的音频数据通过HDMI电缆从电视传递至HTiB（方向与传统的视频数据路径相反），不用担心对HTiB的视频输出在电缆上是否处于有效状态。
扩展显示识别数据（EDID）复制
HDMI收发器具有EDID复制功能，让多个HDMI端口共享一个位置储存器（即使HTiB处于省电模式）。该功能可以缩短系统启动时间，因为所有上游HDMI源器件都可以在HTiB上电之前合理配置其视频输出。EDID复制功能只需+5 V/55 mA的电源供电，通过HDMI电缆提供。
3D视频
作为3D内容来源（如游戏机、蓝光播放机和3D电视等）之间的连接桥梁，HTiB制造商必须时刻站在技术前沿，不断设计出能够提供新特性的源器件和接收器件，让顾客从中享受全部功能的长期利益。HDMI收发器采用了最新的HDMI技术，可为家庭影院系统增添3D视频体验。HDMI标准的这一新特性显着提升了用户体验，成为刺激电视销售的关键。
该规范定义了家庭播放3D视频的基础设施，支持一系列强制性和可选视频格式。在实际应用中，HTiB必须向连接源提交其支持的3D格式清单——从连接的电视读取并针对其本身的3D格式支持清单进行分析，然后，连接源在发送3D内容时会通过HDMI协议命令告知HtiB，HTiB接着会提取并输出高级音频格式，如Dolby TrueHD或DTS-HD Master Audio，这些格式通过HDMI链路发送，除非电视可能不具备支持功能。
屏幕显示（OSD）
HTiB具有许多用户控制功能，比如在多个输入之间选择、选择所需音频和视频格式以及高级音频处理选项配置等。用户可使用屏幕显示（OSD）功能直观方便地控制这些复杂特性。OSD一般通过专用器件实现，但现在HDMI收发器集成了OSD引擎，将所需的屏幕显示信息融合到输出视频上——为HTiB制造商节省了可观的外部解决方案成本。另外，还节省了器件成本和物料成本，同时减轻了将OSD软件集成到系统固件中的设计工作。
消费电子控制（CEC）扩展
消费电子控制（CEC）通道属于单线通信接口，可实现家庭娱乐系统联网操作。例如，单用一个�？匕磁ゼ纯赏笨赜槔窒低持械乃猩璞�。HDMI标准已经扩展支持ARC和HDMI以太网通道（HEC）等新特性，HDMI收发器内的CEC命令库也随之扩展提供支持。对于HTiB设计人员而言，支持最新的HDMI特性就要同时支持最新的CEC特性。HDMI收发器目前可以处理单线网络上ARC和HEC会话的发现、协商、启动和终止。
音频插入和提取
HDMI收发器在HTiB内的另一用途是提取HDMI音频，并用数字信号处理（DSP）芯片进行处理。这样，音频可重新插入HDMI流送往电视。由于很多电视无法处理多通道音频格式，而DSP芯片可以将音频下采样为立体声，然后将音频重新插入HDMI链路中送往电视。
或者，输入音频可由HTiB源的新数据流完全取代并嵌入HDMI信号中送往电视。这种情况下，只用音频插入特性即可。一个此类应用的例子是将iPod接入HtiB，将其音频与独立的视频流混合在一起。
在家庭影院配置中，HTiB系统可用作HDMI中继器，接受HDMI输入然后作为HDMI输出发送。例如，蓝光播放器可用作输入HTiB的源器件。要利用远高于电视扬声器的HTiB音质，就必须在HTiB内从HDMI信号中提取音频。最理想的情况是，音响发烧友一定希望HTiB能输出完全8通道I2S音频，不过HDMI链路也能提供2通道I2S或S/PDIF.视频继续传送至电视或显示器，完成系统路径。只有HDMI/HDCP（高带宽数字内容保护）中继器或收发器型器件才能处理这种音频提取。
固件/中继器支持
HTiB和SOUNDBAR音箱设计中的一个最大挑战是实现HDCP中继器功能。HTiB实现的中继器功能是内容保护、EDID管理和影音静音的综合。HDMI收发器将整个中继器过程集成到单一器件和固件中，降低了系统开发的复杂性。
随着影音处理器件的复杂程度日益增加，优质可靠的硬件抽象化软件库和应用程序编程接口（API）成为设计人员的重大优势——缩短上市时间并可从构建良好的HDMI和HDCP兼容平台起步。如果从一开始便采用芯片厂商的共享编码基数，可进一步节约成本：在中高端HTiB中使用同一厂商的分立接收器和发射器，在后来的升级中可以获得将收发器编码集成到中低端HTiB中的好处。
节约成本的2层电路板设计
新的HDMI收发器采用四方扁平封装（QFP）技术，提供高效的电路板布局和走线方案。与较为复杂的球栅阵列（BGA）封装相比，薄型LQFP封装可节约制造成本、降低复杂性并能简化成品检查。LQFP很大程度上简化了布局方面的问题，封装实际上可以布置在2层板上，从而实现低成本，同时还能满足所有必需的HDMI物理层兼容测试阻抗测量。
2层板的设计难点包括：管理收发器的电源路由并充分解耦；提供最佳热传导；对最小化传输差分信号（TMDS）差分对输入和输出所需的走线阻抗进行布线。不过，通过使用表面贴装分立器件，采用良好的布局原则以及同印刷电路板（PCB）和芯片厂商密切合作，完全能够出色地实现性能不打折扣的成功布局。
结论
HDMI收发器能够帮助系统设计人员降低家庭影院系统的设计成本和难度，并提供最新HDMI特性满足消费者的视听体验需求。使用此类收发器可以实现ARC和3D视频等HDMI特性。HDMI信号路径上集成了屏幕显示（OSD）引擎，降低了HTiB和SOUNDBAR音箱设计的成本和复杂程度。在HDMI流内提取、处理和插入音频这一功能提升了消费系统设计中的家庭影院体验。在HTiB和SOUNDBAR系统用作HDMI中继器的情况下，新收发器的设计和固件可以实现系统无缝对接。HDMI收发器布线可以在2层板上成功实现，从而降低物料成本。
图4所示为使用ADI公司ADV7623的典型HDMI收发器系统该系统将4路输入HDMI接收器（Rx）和具有音频提取功能的HDMI发射器（Tx）集成在一起。HDMI信号解码后，由SHARC音频DSP提取并处理音频内容。然后，将处理后的音频发送到放大器和扬声器或重新插入HDMI信号路径中。这款收发器还集成了OSD，可以省去分立OSD引擎的成本，在SOUNDBAR音箱系统设计中非常实用。ADV7623提供EDID复制、HDCP中继器支持和ARC功能，支持强制性3D视频格式。ADV7623现已面市，采用144引脚LQFP封装，便于2层PCB设计。
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