摘要
由于體積和厚度的限制大部分平板高清電視音頻的質量都不盡人意。配備一體式家庭影院(Home Theater in a Box 或HTiB) 和新興的條形組合音箱 (soundbars) 正成為克服這個問題的比較流行的解決方案。 隨著平板高清電視尺寸的不斷增大以及價格的不斷降低，如何設計制造高質量同時又是低成本的一體式家庭影院和條形組合音箱變成了消費電子制造商的最大的挑戰。 在本文中，我們討論了一體式家庭影院和條形組合音箱 領域的發展趨勢和一些像HDMI各個輸入之間快速切換等必配的功能。我們亦介紹和分析了應用 Analog Devices (ADI) HDMI 1.4 收發器(HDMI Transceiver)去設計低成本高質量的一體式家庭影院和條形組合音箱解決方案。
引言
在未來一到兩年中隨著價格的不斷走低大屏超薄的高清電視將會越來越普及。這將對電視廠商們帶來一個極大的技術挑戰：屏幕越大用戶對音響影院效果的要求就會越來越高。而機體越薄的話而喇叭的效果則會越差或者說效果好而厚度薄的喇叭成本會很高。家庭影院，包括一體式家庭影院(HTiB)和新近幾年興起的條形音箱(soundbars)是解決此項難題的一個比較好的方案。由于相當的一些情況下一體式家庭影院和條形組合音箱是和大屏高清電視配合使用所以從整體設計上要求設計時尚，安裝容易而且接線簡單。我們下來將針對一體式家庭影院和條形組合音箱的音視頻主要要求和設計趨勢做些總結討論。
一體式家庭影院(HTiB)
家庭影院是指家用電影播放系統。一般由支持多聲道播放的音視頻播放機(DVD或blu-ray播放機)，多聲道功率放大器(A/V receiver 或AVR)和含有多個揚聲器的音箱系統組成。最基本的音箱系統應為5.1聲道: 前左/右揚聲器系統，位于前左和前右揚聲器系統中間的中置揚聲器系統，后左/右(環繞聲)揚聲器系統，和一個超低音揚聲器系統.
一體式家庭影院則是將這三樣系統集成“捆綁“在一起銷售。它的特點是不需用戶自己花精力搭配，安裝相對簡單，有較好的DVD、功放和音箱互相之間的功率匹配，大多數一體式家庭影院體積小，價格比較便宜而且外觀設計時尚流暢。所以它是一般家用的最好選擇。
從家庭影院的重要方面是聽覺享受所以從設計特點來看，大部分的低價位的AVR(250美元以下)和HTiB都只做音頻而不帶有視頻處理功能。
圖1：典型的一體式家庭影院系統方框圖
條形組合音箱(Sound Bar)
隨著平面高清電視的大量普及條形組合音箱也在快速成長。它使用安裝方便，性價比高， 外形設計時髦新穎并與平板電視外形十分搭配。這使得條形音箱成為與平面電視配套享受高品質音效的最佳選擇。
先進的條形組合音箱大都采用多個揚聲器并整合環繞解碼功能。為了能夠支持藍光DVD播放器和游戲機新近的條形組合音箱一般都帶有數個HDMI的輸入和一個輸出。其系統方框圖則與一體式家庭影院基本相同
一體式家庭影院和條形組合音箱的視頻連接發展趨勢和設計中的挑戰
一體式家庭影院和條形組合音箱由于主要是與高清電視配套結合使用所以將來它們的音視頻輸入輸出將主要是HDMI。從現在和發展的趨勢來看一體式家庭影院和條形組合音箱的HDMI應具有下列功能和特性：
三到四個輸入端口以供多個HDMI源使用(高清攝像機，藍光DVD,高清機頂盒等)
一個輸出端連接高清電視
能夠支持HDMI1.4規范中的音頻回傳通道(Audio Return Channel)。
能夠支持HDMI1.4規范中的三維電視(3DTV)模式
能夠支持各個HDMI輸入端之間的快速切變以及接收器和發射器之間的快速再連接 – Repeater Fast-switching
設計中的最大挑戰是HDMI 中繼器(repeater)中繁復的軟件處理和接收器和發射器之間的兼容。另一個不僅只限于設計但很現實的挑戰是降低系統成本。這也是因為高清電視的價格不斷降低而帶來的壓力。
為了幫助業界和客戶提供解決以上兩個問題和挑戰，Analog Devices 最近推出了世界上第一個HDMI收發器 (HDMI transceiver) - ADV7623。圖2是HDMI 收發器 (ADV7623) 的簡單原理圖。它集成了四個HDMI 1.4 輸入端和一個HDMI 1.4 HDMI 輸出端并將音頻信號從HDMI信號中解出供系統解碼處理。音頻信號解碼處理完畢后可被放大并送往揚聲器或被送回ADV7623和原先的視頻重新組合成編碼成HDMI信號然后由ADV7623的HDMI輸出端送出。這樣集成了接收器和發射器并有四個輸入口所以ADV7623一顆芯片不但提供了原先由2-3顆芯片才能提供的功能，它也將原先由大量的軟件完成的工作改由硬件完成。加上向客戶提供完整的驅動軟件程序。這使客戶系統工程師的設計工作量大為減輕。
圖2：HDMI 收發器簡明原理圖
HDMI 1.4 兼容的一體式家庭影院和條形音箱的設計
以上概述了一體式家庭影院和條形組合音箱的發展趨勢和將來必備的功能。下面將針對上面所提的第三至第五條功能和特性，以HDMI1.4收發器為例對這兩類產品的設計做一些具體的解析和討論。
音頻回傳通道 (Audio Return Channel)和三維立體電視 (3DTV)
根據市場調查,在2009六月發布的最新的HDMI 標準HDMI 1.4各項所增加的功能中， 絕大部分廠家都會先選擇在部分高端和中高端產品中支持“3DTV傳輸”和“音頻回傳通道”(Audio Return Channel 或ARC) 兩項特性。 如果高清電視與一體式家庭影院或條形組合音箱 是用HDMI線相連接那么“音頻回傳通道” 主要應用于將播放電視調諧器中解出的SPDIF音頻信號 “回傳”給一體式家庭影院或條形組合音箱再經由一體式家庭影院或條形組合音箱處理放大后送往音箱。圖3是一個典型的“音頻回傳通道”的應用實例。
圖3：“音頻回傳通道”應用舉例
一般用戶通常的連接方式是DVD連接到一體式家庭影院的接收機(AV Receiver或AVR)上面，AVR通過HDMI連接到高清電視上。如果使用DVD的話音視頻信號都是從AVR (源端) 的Tx流向電視(接收端)的Rx的。但如使用電視收看高清廣播的話則電視接受了高清節目后其解出的音頻信號可以通過電視的同軸音頻輸出端(SPDIF信號)送到AVR放大處理后送往揚聲器。這樣就至少需要一條同軸音頻傳輸線連接電視和AVR.現在如果電視和AVR都具有HDMI 1.4的ARC功能的話這個音頻信號就可以通過同一根HDMI 接線由電視向AVR回傳。需要說明一點的是HDMI 1.4以前版本的協議定義的HDMI纜線就可以支持ARC功能。ADV7623就是利用HDMI線纜按照HDMI 1.4規定完成這項功能的。在ADV7623的HDMI Tx里集成有一個ARC接收器。它將從電視機(通過HDMI纜線)傳來的ARC信號轉換成一般的SPDIF信號然后將此信號通過ADV7623的一個AP輸出管腳送到AVR里面的音頻處理器進行處理放大。
三維立體電視(3DTV)被視為電視技術下一個大發展的動力。 它將使人們在家里就能夠享受到立體電視和打三維游戲。HDMI 1.4 規定了必須支持的三維格式和選項支持的三維格式。ADV7623支持所有規定的三維電視的格式。下表是它所支持中比較常用的幾個三維格式：
具體如何應用”Stereoscopic methods” 或“2D plus depth methods”去傳輸，接受，和顯示三維圖像。讀者可以去參考HDMI 1.4 協議標準。
HDMI端口之間快速切換(Fast Switching)
如圖4所示，家庭影院典型的連接方式是AVR或一體式家庭影院是上聯機頂盒或DVD和下接電視。如果所有聯接都是用HDMI并加有HDCP保護的話那么在HDMI協議里這些設備被稱作HDMI中繼器(HDMI Repeater)。HDMI中繼器的功能是：
解密和提取由HDMI中繼器中的HDMI Rx 接收的視頻和音頻數據
對音頻進行處理放大等等。如果需要，對視頻也進行處理
然后對音視頻按照協議標準重新打成信息包并加密
轉換成TMDS信號后通過HDMI中繼器中的 HDMI Tx 發送
圖4：家庭影院的連接
現在大部分一體式家庭影院和AVR都帶有至少三個以上的HDMI 接口。發展趨勢是以后還會更多。這是因為越來越多的電器尤其是便攜式電器都將帶有HDMI輸出。很多情況下用戶同時接幾個源(機頂盒，高清攝相機 等等)到AVR并在使用中從一個源換到另一個源。這對于AVR來說是從一個HDMI輸入端轉換到另一個HDMI輸入端。對這個切換的的時間是越短越好。切換延遲的原因在于 HDCP 協議的復雜性。受HDCP 版權保護的內容(音頻和視頻)由一個 HDMI 發射源設備(例如 藍光DVD 播放器)發往 HDMI 接收器設備(如 AVR)時必須遵守 HDCP 的協議先進行相互的 HDCP “身份驗證”(authentication)。這個“身份驗證”時間取決于各個產品內部微程序控制結構和軟件所以市場上的不同的產品會有極大的不同“身份驗證”時間。 市面上有相當一部分AVR或一體式家庭影院 的HDMI 端口之間的轉換有時可以要花 10 秒以上。這不僅太長可能會導致用戶覺得設備有了問題。
通常以前所用的HDMI輸入之間的快速切變僅限于HDMI 接收器。這樣的快速切變可應用于電視但不適用于HDMI中繼器或必須加入大量的軟件操作。這不但增加了大量的前期軟件設計工作量而且在系統運行過程中也大大贈加了系統MCU的工作負荷量。而帶有快速切換的HDMI收發器則正好彌補了這個不足。下面以ADV7623 HDMI收發器為例來解釋什么是中繼器快速切換(repeater fast switching)以及在設計中如何實現和優化。
正如先前所說一個HDMI中繼器 包括 HDMI 接收器 和 HDMI發射器。ADV7623 集成有四個端口的接收器和一個端口的發射器。在某一時刻一個接收器端口接收著一個從上端的源 (例如藍光DVD 播放器)到下游的接收器(電視)已通過身份驗證的數據流。這個正在接受和下傳數據的(接收器)端口叫做“當前端口(Active port)”。另外的三個(接收器)的接接收端口，接有例如游戲機，高清機頂盒，和高清攝像機，則被稱為“背景端口(Background port)”。也就是說這三個通道都在“背景”中等待著被接通。當當前端口接同時，ADV7623探測到從源端來的+5V信號并在進行當前端口通道HDCP驗證的同時也對其他三個背景通道也進行了同樣的認證。這樣雖然在電視屏幕上只顯示了當前通道的節目但ADV7623也將其他三個背景通道的HDCP論證過程進行完畢并保持。一旦用戶將中繼器切換到另一個背景端口(比方說連接著游戲機的一個)，由于論證已經完成所以切換非常快。而原先的當前通道則變為背景通道而且保持了HDCP的論證。
順便提一下我們以上討論的是如何改進HDMI中繼器的切換速度因為通常這個切換占時最長。但有時電視(或其他顯示器)內部從TV主芯片(TV SoC)開始接收到視頻信號到將其顯示到屏幕上也需要時間。這個時間的長短則取決于電視主芯片鎖定速度和處理速度而與HDCP無關。
結論
HDMI 1.4 收發器(HDMI Transceiver)HDMI將多輸入的HDMI1.4接收器和HDMI1.4發射器集成在同一個芯片上。使用HDMI 1.4收發器不但可以減少家庭影院和條形組合音箱的材料部件成本同時也大大減輕了工程師設計軟件和硬件的工作量進而實現設計低成本高質量HDMI1.4兼容的家庭影院和條形組合音箱。