HDMI收發(fā)器簡化家庭影院系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：Ian Beavers、Joe Triggs和Lie Dou

現(xiàn)在，大屏幕HDTV（高清電視）已經(jīng)獲得廣泛接受，許多消費(fèi)者正在擴(kuò)大他們的電子產(chǎn)品收藏，以包括完整家庭影院系統(tǒng)的組件。盒裝家庭影院 （HTiB）、條形音箱和音頻/視頻接收器 （AVR） 通過卓越的音頻增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，同時(shí)補(bǔ)充 HDTV 視頻性能。提取和處理高保真音頻信號的能力是當(dāng)今市場上硬件選擇的關(guān)鍵差異化因素。家庭影院系統(tǒng)現(xiàn)在可以提供高清多媒體接口（HDMI）的所有最新功能，無縫集成到設(shè)備中。?

改善家庭影院體驗(yàn)的努力給 HTiB、條形音箱和 AVR 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了一些實(shí)施挑戰(zhàn)。最新版本的HDMI標(biāo)準(zhǔn)包括新的可選功能，例如音頻回傳通道（ARC），3D顯示格式以及對消費(fèi)電子控制（CEC）協(xié)議的增強(qiáng)。當(dāng)然，消費(fèi)者希望他們的新家庭影院設(shè)備能夠以更低的成本和更用戶友好的控制包含所有這些新的HDMI功能。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)降低物料清單 （BOM） 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)對這些挑戰(zhàn)，ADI公司開發(fā)了集成這些新功能的HDMI收發(fā)器產(chǎn)品。

HDMI收發(fā)器的一個(gè)例子是ADV7623，它集成了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。單獨(dú)而言，這些功能需要分立IC，每個(gè)IC都有自己獨(dú)特的固件，但收發(fā)器可以將所有這些功能組合在一個(gè)全面的解決方案中，從而減少家庭影院系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的電路板面積、固件復(fù)雜性和BOM成本。

圖1.HDMI 收發(fā)器的功能框圖。

盒裝家庭影院

HTiB 是完整的視頻播放系統(tǒng)。它們通常包括一個(gè)多聲道音頻放大器和一個(gè)用于播放音頻的環(huán)繞聲揚(yáng)聲器系統(tǒng)。此外，它們通常包括DVD或藍(lán)光?視頻播放器。HTiB 簡化了視頻播放器、放大器和揚(yáng)聲器之間的安裝和電源匹配。HTiB 主要處理音頻;視頻通過HDMI接口傳遞到電視。圖 2 描述了一個(gè)典型的 HTiB 系統(tǒng)。

圖2.典型 HTiB 系統(tǒng)的框圖。

條形音箱

隨著薄型大屏幕平板電視的日益普及，條形音箱正在成為補(bǔ)充視聽系統(tǒng)。這些是緊湊、易于設(shè)置的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，可提供比電視揚(yáng)聲器更好的音質(zhì)。由于大多數(shù)HTiB和條形音箱都與大屏幕高清電視一起使用，因此其音頻和視頻連接器主要使用HDMI。典型的條形音箱將具有多個(gè)HDMI輸入來處理各種源，用于連接電視的單個(gè)HDMI輸出，內(nèi)置音頻處理和揚(yáng)聲器。圖3所示為典型的條形音箱系統(tǒng)。

圖3.帶有HDMI集線器的典型條形音箱的框圖。

先進(jìn)的條形音箱包括多個(gè)揚(yáng)聲器和放大器，具有環(huán)繞聲解碼功能。它們的電子和聲學(xué)設(shè)計(jì)功能可以產(chǎn)生環(huán)繞聲效果，而無需在房間后面放置單獨(dú)的揚(yáng)聲器。中高端條形音箱系統(tǒng)通常包含DVD或藍(lán)光播放器，導(dǎo)致系統(tǒng)架構(gòu)類似于HTiB。

音頻回傳通道 （弧）

HDMI 規(guī)范中的一項(xiàng)新功能提供了音頻返回通道 （ARC），以允許 HTiB 處理來自下游設(shè)備的音頻。為了在沒有ARC的情況下收聽電視音頻，需要一根獨(dú)立的電纜（光纖S / PDIF或同軸）將音頻從電視或調(diào)諧器發(fā)送回HTiB。使用 ARC，HDMI 電纜可以將電視上的 2 聲道 S/PDIF 或多聲道音頻返回到 HTiB，而無需額外的音頻線。HDMI 收發(fā)器在 HDMI 輸出端口上提供 ARC 接收器。

在電視、機(jī)頂盒或其他下游 HDMI 接收器設(shè)備使用調(diào)諧器接收新媒體內(nèi)容的情況下，ARC 增加了重要的價(jià)值。用戶無需通過功率較小的內(nèi)置電視揚(yáng)聲器收聽音頻，而是可以輕松使用更高保真度的HTiB系統(tǒng)輸出。返回的音頻數(shù)據(jù)通過HDMI電纜從電視傳輸?shù)紿TiB（與傳統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)路徑相反），而不考慮輸出到HTiB的視頻是否在電纜上處于活動(dòng)狀態(tài)。

擴(kuò)展顯示標(biāo)識數(shù)據(jù) （EDID） 復(fù)制

HDMI 收發(fā)器提供 EDID 復(fù)制功能，即使在 HTiB 處于省電模式時(shí)，也能跨多個(gè) HDMI 端口再現(xiàn)單個(gè)位置存儲器。這樣可以縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，因?yàn)樗猩嫌蜨DMI源設(shè)備都可以在HTiB上電之前正確配置其視頻輸出。EDID復(fù)制所需的唯一電源由通過HDMI電纜從源提供的+5 V/55 mA提供。

3D 視頻

作為游戲機(jī)、藍(lán)光播放器和支持 3D 的電視等 3D 內(nèi)容提供源之間的橋梁，HTiB 制造商必須保持技術(shù)領(lǐng)先地位，使客戶能夠長期受益于其源和接收器設(shè)備提供的所有功能。采用最新版本HDMI技術(shù)的HDMI收發(fā)器支持3D視頻的實(shí)施，作為家庭影院體驗(yàn)的一部分。HDMI標(biāo)準(zhǔn)的這一新功能顯著增強(qiáng)了用戶體驗(yàn);這些功能對于激發(fā)電視銷售至關(guān)重要。

該規(guī)范定義了通過一系列強(qiáng)制性和可選視頻格式在家中傳輸 3D 視頻的基礎(chǔ)設(shè)施。在實(shí)際應(yīng)用中，HTiB 必須向連接的源提供支持的 3D 格式列表 - 從連接的電視檢索并根據(jù)其自己的支持的 3D 格式列表進(jìn)行分析。然后，連接的信號源通過 HDMI 協(xié)議命令向 HTiB 指示發(fā)送 3D 內(nèi)容的時(shí)間。然后，HTiB 可以提取和輸出通過 HDMI 鏈路發(fā)送的高級音頻格式，例如杜比 TrueHD 或 DTS-HD 主音頻，但電視可能不支持。??

屏幕顯示 （OSD）

HTiB 具有許多用戶可訪問的控件，例如在多個(gè)輸入之間進(jìn)行選擇、選擇所需的音頻和視頻格式以及配置高級音頻處理選項(xiàng)。為了以用戶友好的方式控制這些復(fù)雜功能，采用了屏幕顯示（OSD）。OSD 通常通過專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在 HDMI 收發(fā)器提供集成的 OSD 引擎，可將所需的屏幕顯示材料混合到輸出視頻上，與外部解決方案相比，HTiB 制造商可節(jié)省大量成本?？梢怨?jié)省組件成本和物料清單，并減少將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） 通道是一種單線通信接口，可促進(jìn)家庭娛樂系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。一個(gè)例子是單個(gè)遙控按鈕，它同時(shí)打開和關(guān)閉娛樂系統(tǒng)的所有組件。隨著HDMI標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到支持ARC和HDMI以太網(wǎng)通道（HEC）等新的可選功能，HDMI收發(fā)器中的CEC命令庫也已擴(kuò)展以支持它們。對于 HTiB 設(shè)計(jì)人員來說，支持最新的 HDMI 功能需要他們也支持最新的 CEC 功能。HDMI收發(fā)器現(xiàn)在通過單線網(wǎng)絡(luò)處理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

HTiB 中 HDMI 收發(fā)器的另一個(gè)用途是提取 HDMI 音頻，以便使用數(shù)字信號處理 （DSP） 芯片進(jìn)行處理。然后可以將音頻重新插入到電視的HDMI流中。由于許多電視無法處理多聲道音頻格式，DSP 芯片可以將音頻下采樣為立體聲，然后將音頻重新插入電視的 HDMI 鏈路中。

或者，輸入的音頻可以完全替換為來自另一個(gè)HTiB源的新流，并嵌入到電視的HDMI信號中。在這種情況下，將僅使用音頻插入功能。此應(yīng)用程序的一個(gè)例子可能是將iPod連接到HTiB，并將音頻與獨(dú)立的視頻流混合。?

在家庭影院配置中，HTiB 系統(tǒng)在接受 HDMI 輸入并將其作為輸出發(fā)送時(shí)，可以充當(dāng) HDMI 中繼器。例如，藍(lán)光播放器可以作為HTiB系統(tǒng)的輸入源。為了利用HTiB與連接電視相比的卓越音質(zhì)，必須從HTiB內(nèi)的HDMI信號中提取音頻。在最好的情況下，發(fā)燒友會(huì)想要一個(gè)完整的 8 聲道 I2S 音頻信號從 HTiB 輸出，但 2 通道 I2S 或 S/PDIF 也可從 HDMI 鏈路獲得。視頻繼續(xù)到電視或顯示器以完成系統(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)器類型的設(shè)備才能處理此音頻提取。

固件/中繼器支持

HTiB和條形音箱設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)之一是實(shí)現(xiàn)HDCP中繼器功能。HTiB 中實(shí)現(xiàn)的中繼器功能是內(nèi)容保護(hù)、EDID 管理以及視頻和音頻靜音的復(fù)雜組合。HDMI收發(fā)器將整個(gè)中繼器過程集成到單個(gè)設(shè)備和固件中，從而降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性。

隨著視頻和音頻處理設(shè)備復(fù)雜性的增加，合格的硬件抽象軟件庫和應(yīng)用程序編程接口 （API） 的可用性成為設(shè)計(jì)人員的主要優(yōu)勢 - 縮短上市時(shí)間，并使從結(jié)構(gòu)良好的 HDMI 和 HDCP 兼容平臺開始成為可能。通過最初采用芯片供應(yīng)商的共享代碼庫，可以進(jìn)一步節(jié)省成本：在中高端HTiB中使用同一供應(yīng)商的分立接收器和發(fā)射器時(shí)，在中低端HTiB中集成收發(fā)器代碼的回報(bào)可以從升級可能性中獲得。

2層電路板設(shè)計(jì)，節(jié)省成本

新型HDMI收發(fā)器通過使用四方扁平封裝（QFP）封裝提供高效的電路板布局和布線方案。與更復(fù)雜的球柵陣列 （BGA） 封裝相比，扁平的 LQFP 封裝降低了制造成本和復(fù)雜性，并簡化了制造后的檢測。LQFP簡化了布局挑戰(zhàn)，使封裝實(shí)際上可以布置在2層板上，實(shí)現(xiàn)了更低的成本，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)所有必需的HDMI物理層一致性測試阻抗測量。

2層板的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括管理到收發(fā)器的電源路由，并提供最佳的熱傳導(dǎo)，以及路由過渡最小化差分信號（TMDS）差分對輸入和輸出所需的走線阻抗。然而，通過使用表面貼裝分立器件，采用良好的布局原理，并與印刷電路板（PCB）和硅供應(yīng)商密切合作，可以實(shí)現(xiàn)不犧牲性能的成功布局。

結(jié)論

HDMI收發(fā)器為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了成本更低、復(fù)雜性更低的家庭影院系統(tǒng)，具有最新的HDMI功能，消費(fèi)者希望支持他們的視聽體驗(yàn)。使用這些收發(fā)器，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)ARC和3D視頻等HDMI功能。HDMI信號路徑中集成的屏幕顯示引擎降低了HTiB和條形音箱設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性。在HDMI流中提取、處理和插入音頻的能力增強(qiáng)了消費(fèi)類系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的家庭影院體驗(yàn)。HTiB和條形音箱系統(tǒng)可以用作HDMI中繼器，新的收發(fā)器設(shè)計(jì)和固件使實(shí)現(xiàn)無縫。可以在 2 層板上路由 HDMI 收發(fā)器，以降低 BOM 成本。

圖4所示為使用ADI公司ADV7623的典型HDMI收發(fā)器系統(tǒng)。它集成了一個(gè)四輸入HDMI接收器（Rx）和一個(gè)HDMI發(fā)射器（Tx）和音頻提取功能。 HDMI信號解碼后，音頻內(nèi)容由SHARC音頻DSP提取和處理。然后，處理后的音頻可以發(fā)送到放大器和揚(yáng)聲器，或者可以重新插入HDMI信號路徑。這種特殊的收發(fā)器還集成了OSD，使其可用于條形音箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗梢怨?jié)省使用分立OSD引擎的成本。ADV7623提供EDID復(fù)制、HDCP中繼器支持和ARC，并支持強(qiáng)制性3D視頻格式。ADV7623現(xiàn)已上市，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)器在單個(gè)芯片中集成了多輸入 HDMI 接收器和 HDMI 發(fā)射器，具有靈活的音頻提取和插入功能。將 HDMI 收發(fā)器用于 HDMI A/V 中繼器設(shè)計(jì)（包括 AVR、HTiB 和條形音箱）將：

降低系統(tǒng)物料清單成本 — 組件更少，PCB 面積更小，PCB 層數(shù)更少。

大大減少了硬件和HDMI中繼器系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)工作量，從而大大縮短了上市時(shí)間。

這些優(yōu)勢使HDMI收發(fā)器成為經(jīng)濟(jì)高效的高性能家庭音頻/視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕佳選擇。

審核編輯：郭婷