打造高性能HTiB/條形音箱　HDMI收發器邁向高整合

本文討論一體式家庭影院和條形組合音箱領域的發展趨勢和高畫質多媒體介面(HDMI)各個輸入之間快速切換等必配的功能，亦介紹和分析應用HDMI 1.4收發器(Transceiver)設計低成本、高品質的一體式家庭影院和條形組合音箱解決方案。

高畫質薄型電視普及　音響效果要求提升

在未來12年，隨著價格的不斷下滑，大尺寸超薄的高畫質電視將會越來越普及。這將對電視廠商帶來一個極大的技術挑戰，螢幕越大使用者對音響效果的要求就會越來越高。而機體越薄，喇叭的效果則會越差，亦即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和新近幾年興起的條形音箱，是解決此項難題的一個比較好的方案。由於一體式家庭影院與條形組合音箱是和大螢幕高畫質電視配合使用，所以從整體設計上要求時尚、安裝容易而且接線簡單。接下來討論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。

一體式家庭影院安裝簡易

家庭影院是指家用電影播放系統(圖1)。一般由支援多聲道播放的音視頻播放機，如DVD或藍光光碟(Blu-ray)播放器，多聲道功率放大器(A/V接收器或AVR)，以及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，包括前左/右揚聲器系統、位於前左和前右揚聲器系統中間的中置揚聲器系統、後左/右(環繞聲)揚聲器系統，和一個超低音揚聲器系統。

圖1　典型的一體式家庭影院系統圖

一體式家庭影院則是將這三樣系統整合「捆綁」銷售。其特點是不需使用者花精力搭配，安裝相對簡單，有較好的DVD、功放和音箱互相間的功率匹配，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，所以是一般家用的最好選擇。

家庭影院的重要方面是聽覺享受，所以從設計特點來看，大部分低價位的AVR(250美元以下)和一體式家庭影院都只做音訊而不帶有視頻處理功能。

條形組合音箱搭上薄型高畫質電視熱潮

隨著平面高畫質電視的大量普及，條形組合音箱市場也在快速成長。條形組合音箱使用、安裝皆便利，且性價比高，外形設計時髦新穎並與平面電視外形十分搭配，使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採用多個揚聲器並整合環繞解碼功能。為能支援藍光DVD播放機和遊戲機，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，其系統則與一體式家庭影院基本相同。

HDMI扮演連接橋梁

一體式家庭影院和條形組合音箱由於主要是與高畫質電視配套使用，所以音視頻輸入輸出主要是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接口應具有下列功能和特性。

第一，須具備三到四個輸入埠以供多個HDMI源使用，如高解析度攝影機、藍光DVD及高畫質機上盒(STB)等。第二，HDMI須具備一個輸出端連接高畫質電視。第三，能支援HDMI 1.4規範中的音訊回傳通道(Audio Return Channel, ARC)，以及三維電視(3DTV)模式。最後，能支援各個HDMI輸入端間的快速切換，以及接收器和發射器間的快速再連接(Repeater Fast-switching)。

HDMI中繼器設計難度高

在家庭影院與條形音箱、電視機組成的影音系統，HDMI設計最大挑戰是中繼器(Repeater)中繁複的軟體處理及接收器和發射器間的相容。事實上，不僅只限於設計，降低系統成亦為很現實的挑戰。這也是因為高畫質電視的價格不斷降低帶來的壓力。

為解決上述問題和挑戰，亞德諾(ADI)發布高整合的HDMI收發器。圖2所示為簡單原理圖。該元件整合四個HDMI 1.4輸入端和一個輸出端，並將音訊訊號從HDMI訊號中解出，以供系統解碼處理。音訊訊號解碼處理完畢後可被放大並送往揚聲器或被送回HDMI收發器，再和原先的視頻重新組合並編碼成HDMI訊號，然後由HDMI輸出端送出。

圖2　HDMI收發器簡明原理圖

高整合的HDMI收發器由於具備四個輸入口，因此一顆晶片不但提供原先由二至三顆晶片才能提供的功能，也將原先由大量的軟體完成的工作改由硬體完成。加上向客戶提供完整的驅動軟體程式。可減輕系統工程師的設計工作量。

以下將針對一體式家庭影院和條形音箱的功能、特性，以HDMI 1.4收發器為例，對這兩類產品的設計具體的解析和討論。

多埠HDMI收發器滿足設計簡易與成本需求

根據市場調查，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援3DTV傳輸和音訊回傳通道兩項特性。如果高畫質電視與一體式家庭影院或條形組合音箱是用HDMI線相連，那麼ARC主要應用於將播放電視調諧器中解出的S/PDIF(Sony/Philips Digital Interface Format)音訊訊號，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後送往音箱。圖3是一個典型音訊回傳通道的應用實例。

圖3　音訊回傳通道應用舉例

一般使用者通常的連接方式是DVD連接到一體式家庭影院的接收機(AVR)上；AVR透過HDMI連接到高畫質電視上。如果使用DVD，音視訊訊號都是從AVR(源端)Tx流向電視(接收端)Rx。但如使用電視收看高畫質廣播，則電視接受高畫質節目後，其解出的音訊訊號可通過電視的同軸音訊輸出端(S/PDIF訊號)送到AVR放大處理後，送往揚聲器。這樣就至少需要一條同軸音訊廣播線連接電視和AVR。

如果電視和AVR都具有HDMI 1.4的ARC功能，這個音訊訊號就可通過同一根HDMI接線由電視向AVR回傳。須要說明的是，HDMI 1.4以前版本定義的HDMI纜線就可以支援ARC功能。因此業者的四通道HDMI收發器即利用HDMI 1.4規定完成這項功能。在HDMI收發器的HDMI Tx中，整合ARC接收器，可從電視機(通過HDMI纜線)傳來的ARC訊號轉換成一般的S/PDIF訊號，然後將此訊號透過功率放大器輸出接腳送到AVR裡的音訊處理器進行處理放大。

如何應用Stereoscopic methods或2D plus depth methods傳輸、接受，和顯示3D圖像。讀者可參考HDMI 1.4協定標準。

HDMI埠間切換越快越好

家庭影院典型的連接方式是AVR或一體式家庭影院上連機上盒或DVD和下接電視。若所有聯接都是用HDMI並加高頻寬數位內容保護(HDCP)，那麼在HDMI協定裡這些設備被稱作HDMI中繼器。HDMI中繼器的功能包括，解密和提取由HDMI中繼器中的HDMI Rx接收的視頻和音訊資料；對音訊進行處理放大等，如果需要，對視頻也進行處理。對音視頻按照協定標準重新打成資訊包並加密，以及轉換成最小化傳輸差分訊號(TMDS)訊號後，透過HDMI中繼器的Tx發送。

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介面，發展趨勢是以後還會更多。這是因為越來越多的電器尤其是可攜式產品都將帶有HDMI輸出。很多情況下，使用者同時接幾個輸出源(機上盒、高畫質攝影機等)到AVR，並在使用中從一個源換到另一個源，這對於AVR來說是從一個HDMI輸入端轉換到另一個HDMI輸入端，且切換的時間越短越好。

切換延遲的原因在於HDCP協定的複雜性。受HDCP版權保護的內容(音訊和視頻)由一個HDMI發射源設備，例如藍光DVD播放機發往HDMI接收器設備，如AVR時，必須遵守HDCP的協定先進行相互的HDCP身分驗證(Authentication)。

這個身分驗證時間取決於各個產品內部微程式控制結構和軟體，所以不同的產品會有極大不同身分驗證時間。市面上有相當一部分AVR或一體式家庭影院HDMI埠間的轉換有時可能花10秒以上，這不僅太長也可能會導致使用者覺得設備有問題。

通常以前所用的HDMI輸入間的快速切換僅限於HDMI接收器，可應用於電視但不適用於HDMI中繼器或必須加入大量的軟體操作。原因在於，這不但增加大量的前期軟體設計工作量，而且在系統運行過程中也大大提高系統微控制器(MCU)的工作負荷量。而帶有快速切換的HDMI收發器則正好彌補這個不足。以下將以HDMI收發器為例，解釋中繼器快速切換(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中繼器包括四個接收器和一個發射器。在某一時刻一個接收器埠接收一個從上端的源到下游的接收器(電視)已通過身分驗證的資料流程中。這個正在接受和下傳資料的接收器埠稱當前埠(Active Port)；另外的三個接收埠，接有如遊戲機、高畫質機上盒和高畫質攝影機，則被稱為背景埠(Background Port)。

也就是說，這三個通道都在背景中等待著被接通。當當前埠接通時，HDMI收發器探測到從源端來的+5伏特(V)訊號，並在進行當前埠通道HDCP驗證的同時，也對其他三個背景通道進行同樣的認證。

雖然在電視螢幕上只顯示當前通道的節目，但由於HDMI收發器也將其他三個背景通道的HDCP驗證過程進行完畢並保持，因此一旦使用者將中繼器切換到另一個背景埠，由於驗證已完成所以切換非常快，而原先的當前通道則變為背景通道且保持HDCP的驗證。

值得注意的是，電視或其他顯示器內部從電視機主晶片開始接收視訊訊號，到將其顯示到螢幕上也需要時間。這個時間的長短則取決於電視主晶片鎖定速度和處理速度而與HDCP無關。

HDMI 1.4收發器將多輸入的接收器和發射器整合在同一個晶片上。使用HDMI 1.4收發器，不但可減少家庭影院和條形組合音箱的材料部件，也可節省成本，同時也減輕工程師設計軟體和硬體的工作量，進而實現低成本、高品質HDMI 1.4相容的家庭影院和條形組合音箱。

(本文作者依序為亞德諾數位視頻產品線應用工程師、市場部經理)