HDMI增强音频回传通道(eARC),为未来的家庭影院互连解决方案实现无损的音频质量

2018-01-31 16:32:59 来源:莱迪思
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引言
HDMI 2.1是HDMI最新推出的HDMI标准。该标准的视频传输速度提高300%,压缩功能增强300%,视频带宽比HDMI 2.0的18 Gbps高9倍。HDMI 2.1标准增加了一系列新特性,包括动态HDR(Dynamic HDR)、可变刷新率(Variable Refresh Rate, VRR)和快速媒体切换(Quick Media Switching)。您需要购买新的视频输入设备和电视机才能体验上述全新功能。搭载这些全新功能的设备将在未来几年内陆续推出。单台设备无法提供上述所有功能。
 
由于搭载HDMI 2.1新功能的产品将在未来几年内逐步推出,届时音视频接收器(AV Receiver, AVR)等音频设备将无法兼容最新的产品。举个例子,如果游戏用户新购带有VRR功能的电视机和游戏机,则用于游戏机和电视机之间的AVR也需要升级,而升级AVR是非常昂贵的,哪怕是AVR最主要的音频功能并没有发生改变。如果AVR未部署在游戏机和电视机之间的HDMI链路中,则无法播放高级音频格式,例如Dolby®Atmos和DTS®:X。
 
为了能够让现有的AVR兼容新设备,HDMI 2.1标准带来了全新的增强音频回传通道(Enhanced Audio Return Channel, eARC)功能。eARC技术的引入可确保AVR与电视机的前向兼容性,实现更高的质量和更佳的易用性。
 
与现有的家庭影院音频互连方式相比,HDMI 2.1 eARC提供了多方面的提升:
1.eARC是唯一能够提供前向兼容性的解决方案,可确保AVR兼容新的电视机
2.提供无与伦比的完整音频质量,提供的宽带是光纤的近30倍
3.实现更好的跨品牌互操作性
4.卓越的易用性
5.简化互连
 
前向兼容性的挑战
在过去8年里,电视技术已经从1080p发展到了4K。伴随着4K技术的发展,新一代HDCP版权保护技术也应运而生用于保护4K视频内容。但是新功能的推广不是一蹴而就的,需要多年时间的逐步推进,就像当年4K AVR的发展历程一样:
1.支持HDCP 1.4版权保护技术的4K30视频应用
2.支持HDCP 2.2版权保护技术的4K30视频应用
3.支持HDCP 2.2版权保护技术的4K60视频应用
4.支持HDCP 2.2版权保护技术和高动态范围的4K60视频应用
 
在新功能逐步推向市场的进程中,大多数4K AVR将会变得无法兼容最新的4K视频产品,例如4K蓝光播放器。虽然上文中列出的4款AVR应用都是以“4K AVR”的名义销售,但只有最新一代AVR产品才能与当今的4K蓝光光盘和其他4K电影内容完全兼容。
 
保持前向兼容性是贯穿始终的挑战。对于购买AVR系统的客户而言这一点影响甚大,因为在大多数家庭影院系统中AVR通常是使用时间最长的。
 
HDMI 2.1 eARC旨在确保用户的AVR和回音壁设备免于随着HDMI 2.1标准逐步推广而过时。eARC技术也可显著提高家庭影院系统的整体质量、互操作性、可用性和互连。
 
提供前向兼容性
eARC通过从视频传输路径中剔除音频设备的参与来确保前向兼容性。使用传统AVR系统时,音频和视频都从输入源设备通过AVR传输到电视机。
 
图1:不使用eARC的传统AVR互连方式
 
而使用eARC时,设备直接连接到电视机,然后电视机将仅包含音频的eARC信号发送到AVR。这种互连方式可以避免视频格式带来的问题,可达大幅延长带有eARC功能的AVR的使用寿命。eARC能够为家庭影院系统实现品质始终如一的卓越音频体验。
 
要将带有eARC功能的AVR或回音壁连接到电视机,请将支持带有以太网功能的HDMI线缆从音频设备连接到电视的HDMI-eARC输入。然后,将其他HDMI设备连接到电视机。连接方式如下图所示:
 
图2:使用eARC的全新AVR互连方式
 
以这种方式实现家庭影院系统中设备的互连更加方便。eARC系统的用户只需使用电视遥控器即可处理所有输入切换,无需分别使用AVR遥控器切换AVR输入和使用电视机遥控器来切换电视机输入。上述功能不仅支持HDMI输入,还包括电视机内置应用以及任何其他输入,如模拟视频和电视机调谐器。  如果电视机和AVR支持CEC功能,用户使用电视机遥控器还可控制音频设备的开/关、音量增大/减小和静音功能。在使用eARC时,CEC并不是必需的。
 
以传统方式使用AVR也不会有问题,即输入设备连接到AVR。如果用户之后购买了超过AVR视频功能支持的高级设备,将其直接连接到电视机即可,eARC功能会将音频发送到AVR。
 
通常情况下,消费者购买的电视机和AVR往往来自不同的制造商。eARC可确保不同品牌的电视机和AVR在互连时的兼容性和互操作性。增强的兼容性是eRAC技术带来的第一项优势,视频不再经过AVR进行传输,eARC功能的发现机制是全新的并专用于音频设备和格式的发现,如下文所述。
 
HDMI eARC是消费者今后购买HDMI AVR或回音壁时必须要的功能,因为它是未来HDMI 2.1设备间互相兼容的唯一保障。除了保证设备间兼容性的优势之外,eARC还在易用性、音频性能和音频接口兼容性等方面带来实质性的改进,这还是将惠及未来几十年的设计。
 
技术细节
eARC工作原理
eARC功能使用支持以太网的HDMI线缆将高比特率音频信号从电视机传输到音频设备。该线缆是基于HDMI 1.4标准设计的。支持以太网的HDMI线缆的连接器和引脚与普通HDMI线缆是一样的。支持以太网的HDMI线缆的引脚14、15和19的结构为双绞屏蔽线对,设计用于HDMI以太网通道。在不支持以太网的HDMI线缆中,这些只是简单的直通引脚,不支持eARC信号传输。
 
电视机发送的eARC信号与SPDIF音频信号的格式类似,但是传输速率高达每秒98兆比特。除去协议开销,原始音频的最大传输速度大约为每秒37兆比特,支持8通道192 kHz 24位未压缩PCM音频。(8×192,000×24≈36,864,000比特每秒)
 
每秒1兆比特的双向数据信号被调制在eARC音频信号上。该双向信号用于eARC电视机发现eARC音频设备。该数据信号还有其他用处:它使得电视机能够读取音频设备支持的音频格式列表,允许电视机发送口形同步校正数据,并让音频设备定期向电视发送“心跳”信号,通知电视机应当将内置扬声器保持静音状态。在eARC设备中使用这些数据信号的规定是强制性的。这些信号在光纤(TOSLINK)或SPDIF音频链路中均不可用,并且在较早的HDMI-ARC音频链路中是可选的。
 
eARC与其他音频互连方式的比较
将音频从电视机传输到音频设备的方法还有其他几种,如光纤(TOSLINK)和HDMI-ARC。但是上述方法均具有局限性,而eARC则克服了这些限制。下方对照表展示了三种方法的差异。
 
 
eARC的一个主要优势是支持HDMI标准下的所有家庭影院格式。上一代HDMI 1.4 ARC功能仅支持通过单引脚以1 Mbit/s的速率传输音频输,已经不适合当今的高端音频标准。特别是在播放蓝光格式音频时,音频往往要使用超过TOSLINK和ARC支持范围的更高带宽,而eARC可提供所需的全部带宽。
 
与ARC相比,内建的eARC数据通道能够极大地提高可靠性和兼容性,同时本质上还是传统的“流式(flow-through)”AVR互连方法。尽管较早的HDMI-ARC标准也能提供与eARC相同的发现机制,提供相似的消息发送,但是消息功能是可选的,而且发现/消息发送方案基于HDMI-CEC。HDMI的CEC引脚支持设备间互相发送遥控命令。但目前的问题是,不同的制造商对CEC功能进行了不同的定制,在实际使用的时候可能发生未知的问题。在日常使用中,用户将多个不同品牌的设备连接到一起后,难以确保CEC正常工作。一会儿CEC功能打不开,一会儿打开之后又会引发一些预料之外的问题。因此,eARC在设计之初就不再依赖于CEC。如果其他设备不支持eARC,eARC设备可以设计为自动回退到ARC模式。eARC仅用于确保电视机和AVR(或回音壁)之间的兼容性。其他HDMI设备无需eARC支持。
 
一个常见的问题:如果eARC的设计克服了CEC的一些问题,那么为什么eARC还要使用CEC来实现自动化的用户遥控命令呢?这是因为eARC数据通道仅支持“隐形的(invisible)”操作,例如eARC链路的发现和设置、确定格式和口形同步。eARC数据通道不能发送音量增大/减小和静音等用户命令是有意设计的。这么设计的原因是现在已经有很多不同的方式来发送用户命令,如所有HDMI标准版本都内建的CEC功能、经过编程的通用遥控器或智能手机应用。所以,eARC没有将远程控制功能添加到eARC数据通道是有意为之,以防止潜在的可用性问题。此外,CEC引脚也具备独特优势,非常适合用于通过HDMI发送“开机(Power On)”消息,因此在支持CEC的系统中仍然可以使用该功能。而eARC音频方案的一大优势是可以在没有CEC的情况下完美运行,用户可以选择是否使用CEC进行设备控制。
 
eARC不仅可以绕过CEC,还可以绕过HDMI链路的其余部分。在从HDMI 2.0到HDMI 2.1的发展过程中,其他HDMI引脚上的大部分信号都发生了变化。而eARC没有这些担忧,可以确保最大的兼容性,特别是用户在购买新电视机时无需考虑太多。但是,要在(HDMI 1.4)ARC模式下使用兼容eARC的设备,例如一起使用HDMI-eARC AVR与HDMI-ARC电视机时必须启用CEC,因为CEC是ARC发现机制的一部分。
 
eARC可以降低音频设备的成本,因为AVR或回音壁无需支持4至8个超高速48G HDMI 2.1输入/输出端口。
 
eARC带宽
eARC支持的最高音频负载为36.8 Mb/s。正好支持8通道24位192 kHz未压缩音频。这是蓝光格式音频使用的最大音频带宽。它还支持4通道I2S接口的音频带宽,这是一种芯片到芯片的电子接口,常用于高端音频设备传输音频。最后,eARC还支持与现有的HDMI以太网线缆,后者的设计速率最高为100 Mb/s(以太网)。eARC功能除去协议开销,实际使用的带宽最高为98 Mb/s,完美适配现有的HDMI以太网线缆。
 
支持的音频格式
以下是eARC支持的音频格式列表:
 
未压缩格式:
·2至8通道,所有HDMI标准采样率,高达192 kHz频率和24位比特率
·高达32通道,采用降低的采样率,如16通道96 kHz和32通道48 kHz
 
Dolby格式:
·Dolby Digital (AC-3)
·AC-4
·Dolby Digital Plus (E-AC-3, 192 kHz x 2 ch x 16 位带宽)
·Dolby TrueHD
·Dolby Atmos
 
DTS格式:
·DTS
·DTS-HD Master Audio
·DTS:X
 
Fraunhofer格式:
·MP3
·AAC-LC
·HE-AAC
·HE-AACv2
·AAC-LC和HE-AAC,带有MPEG环绕支持
·MPEG-H 3D音频
 
HDMI没有定义或限制哪些格式可以或不可以使用,所以还可能支持的格式这里无法一一列举。但是,有两个音频格式可能会给使用eARC功能造成困难:DVD—Audio和超级音频CD(Super Audio CD)。这些音频专用的光盘基本已经过时了,要注意DVD-Audio与DVD电影的音频轨道不一样。大多数情况下,您可以通过将这些高端音频播放器直接连接功放来解决问题。
 
适用于eARC功能的莱迪思解决方案
SiI9437和SiI9438
莱迪思SiI9437 eARC接收器和SiI9438 eARC发送器是32引脚QFN IC,通过HDMI传输和接收eARC数据。这两款IC旨在帮助电视机、电脑显示器、AVR和回音壁制造商能够轻松地将eARC应用到现有的设计中,甚至将HDMI功能集成到片上系统中。 
 
这两款IC不发送或接收HDMI信号;它们只用于连接eARC引脚14和19。这样的话这两款IC就能集成到使用任何版本HDMI标准的现有HDMI发送器和接收器解决方案中,如下所示:
 
图3:适用于eARC功能的莱迪思SiI9437和SiI9438解决方案
 
这两款IC可在SPDIF/I2S音频接口和差分eARC信号之间进行桥接,速率最高可达98 Mb/s。SiLR9437/SiI9438器件支持IC上用于控制功能的I2C接口以及eARC数据通道桥接。 
 
SiI9437和SiI9438 eARC接收器和发送器目前已量产并且相应的开发套件CP9437和CP9438现已上市。
 
总结
eARC可用于确保未来设备的前向兼容性,在易用性、音频性能以及与任何其他音频接口的兼容性方面提供实质性的提升,为家庭影院声音体验带来了重大升级,并且将成为用户购买HDMI AVR或回音壁时的重要考量。在未来一两年的时间里,eARC很有可能进入大多数(也许是所有的)HDMI音频设备。
 
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