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。