HDMI收发器简化家庭影院系统的设计

作者：Ian Beavers、Joe Triggs和Lie Dou

现在，大屏幕HDTV（高清电视）已经获得广泛接受，许多消费者正在扩大他们的电子产品收藏，以包括完整家庭影院系统的组件。盒装家庭影院 （HTiB）、条形音箱和音频/视频接收器 （AVR） 通过卓越的音频增强用户体验，同时补充 HDTV 视频性能。提取和处理高保真音频信号的能力是当今市场上硬件选择的关键差异化因素。家庭影院系统现在可以提供高清多媒体接口（HDMI）的所有最新功能，无缝集成到设备中。®

改善家庭影院体验的努力给 HTiB、条形音箱和 AVR 的系统设计人员带来了一些实施挑战。最新版本的HDMI标准包括新的可选功能，例如音频回传通道（ARC），3D显示格式以及对消费电子控制（CEC）协议的增强。当然，消费者希望他们的新家庭影院设备能够以更低的成本和更用户友好的控制包含所有这些新的HDMI功能。因此，家庭影院设备的设计人员必须适应新标准，同时降低物料清单 （BOM） 成本、开发成本和上市时间。为了帮助设计人员应对这些挑战，ADI公司开发了集成这些新功能的HDMI收发器产品。

HDMI收发器的一个例子是ADV7623，它集成了4：1 HDMI输入多路复用器（mux）、HDMI接收器、屏幕显示（OSD）引擎和HDMI发射器。单独而言，这些功能需要分立IC，每个IC都有自己独特的固件，但收发器可以将所有这些功能组合在一个全面的解决方案中，从而减少家庭影院系统设计人员的电路板面积、固件复杂性和BOM成本。

图1.HDMI 收发器的功能框图。

盒装家庭影院

HTiB 是完整的视频播放系统。它们通常包括一个多声道音频放大器和一个用于播放音频的环绕声扬声器系统。此外，它们通常包括DVD或蓝光™视频播放器。HTiB 简化了视频播放器、放大器和扬声器之间的安装和电源匹配。HTiB 主要处理音频;视频通过HDMI接口传递到电视。图 2 描述了一个典型的 HTiB 系统。

图2.典型 HTiB 系统的框图。

条形音箱

随着薄型大屏幕平板电视的日益普及，条形音箱正在成为补充视听系统。这些是紧凑、易于设置的扬声器系统，可提供比电视扬声器更好的音质。由于大多数HTiB和条形音箱都与大屏幕高清电视一起使用，因此其音频和视频连接器主要使用HDMI。典型的条形音箱将具有多个HDMI输入来处理各种源，用于连接电视的单个HDMI输出，内置音频处理和扬声器。图3所示为典型的条形音箱系统。

图3.带有HDMI集线器的典型条形音箱的框图。

先进的条形音箱包括多个扬声器和放大器，具有环绕声解码功能。它们的电子和声学设计功能可以产生环绕声效果，而无需在房间后面放置单独的扬声器。中高端条形音箱系统通常包含DVD或蓝光播放器，导致系统架构类似于HTiB。

音频回传通道 （弧）

HDMI 规范中的一项新功能提供了音频返回通道 （ARC），以允许 HTiB 处理来自下游设备的音频。为了在没有ARC的情况下收听电视音频，需要一根独立的电缆（光纤S / PDIF或同轴）将音频从电视或调谐器发送回HTiB。使用 ARC，HDMI 电缆可以将电视上的 2 声道 S/PDIF 或多声道音频返回到 HTiB，而无需额外的音频线。HDMI 收发器在 HDMI 输出端口上提供 ARC 接收器。

在电视、机顶盒或其他下游 HDMI 接收器设备使用调谐器接收新媒体内容的情况下，ARC 增加了重要的价值。用户无需通过功率较小的内置电视扬声器收听音频，而是可以轻松使用更高保真度的HTiB系统输出。返回的音频数据通过HDMI电缆从电视传输到HTiB（与传统视频数据路径相反），而不考虑输出到HTiB的视频是否在电缆上处于活动状态。

扩展显示标识数据 （EDID） 复制

HDMI 收发器提供 EDID 复制功能，即使在 HTiB 处于省电模式时，也能跨多个 HDMI 端口再现单个位置存储器。这样可以缩短系统启动时间，因为所有上游HDMI源设备都可以在HTiB上电之前正确配置其视频输出。EDID复制所需的唯一电源由通过HDMI电缆从源提供的+5 V/55 mA提供。

3D 视频

作为游戏机、蓝光播放器和支持 3D 的电视等 3D 内容提供源之间的桥梁，HTiB 制造商必须保持技术领先地位，使客户能够长期受益于其源和接收器设备提供的所有功能。采用最新版本HDMI技术的HDMI收发器支持3D视频的实施，作为家庭影院体验的一部分。HDMI标准的这一新功能显着增强了用户体验;这些功能对于激发电视销售至关重要。

该规范定义了通过一系列强制性和可选视频格式在家中传输 3D 视频的基础设施。在实际应用中，HTiB 必须向连接的源提供支持的 3D 格式列表 - 从连接的电视检索并根据其自己的支持的 3D 格式列表进行分析。然后，连接的信号源通过 HDMI 协议命令向 HTiB 指示发送 3D 内容的时间。然后，HTiB 可以提取和输出通过 HDMI 链路发送的高级音频格式，例如杜比 TrueHD 或 DTS-HD 主音频，但电视可能不支持。®®

屏幕显示 （OSD）

HTiB 具有许多用户可访问的控件，例如在多个输入之间进行选择、选择所需的音频和视频格式以及配置高级音频处理选项。为了以用户友好的方式控制这些复杂功能，采用了屏幕显示（OSD）。OSD 通常通过专用设备实现，但现在 HDMI 收发器提供集成的 OSD 引擎，可将所需的屏幕显示材料混合到输出视频上，与外部解决方案相比，HTiB 制造商可节省大量成本。可以节省组件成本和物料清单，并减少将OSD软件集成到系统固件中的设计工作。

消费电子控制 （CEC） 扩展

消费电子控制 （CEC） 通道是一种单线通信接口，可促进家庭娱乐系统联网。一个例子是单个遥控按钮，它同时打开和关闭娱乐系统的所有组件。随着HDMI标准扩展到支持ARC和HDMI以太网通道（HEC）等新的可选功能，HDMI收发器中的CEC命令库也已扩展以支持它们。对于 HTiB 设计人员来说，支持最新的 HDMI 功能需要他们也支持最新的 CEC 功能。HDMI收发器现在通过单线网络处理ARC和HEC会话的发现、协商、启动和终止。

音频插入和提取

HTiB 中 HDMI 收发器的另一个用途是提取 HDMI 音频，以便使用数字信号处理 （DSP） 芯片进行处理。然后可以将音频重新插入到电视的HDMI流中。由于许多电视无法处理多声道音频格式，DSP 芯片可以将音频下采样为立体声，然后将音频重新插入电视的 HDMI 链路中。

或者，输入的音频可以完全替换为来自另一个HTiB源的新流，并嵌入到电视的HDMI信号中。在这种情况下，将仅使用音频插入功能。此应用程序的一个例子可能是将iPod连接到HTiB，并将音频与独立的视频流混合。®

在家庭影院配置中，HTiB 系统在接受 HDMI 输入并将其作为输出发送时，可以充当 HDMI 中继器。例如，蓝光播放器可以作为HTiB系统的输入源。为了利用HTiB与连接电视相比的卓越音质，必须从HTiB内的HDMI信号中提取音频。在最好的情况下，发烧友会想要一个完整的 8 声道 I2S 音频信号从 HTiB 输出，但 2 通道 I2S 或 S/PDIF 也可从 HDMI 链路获得。视频继续到电视或显示器以完成系统路径。只有 HDMI/HDCP（高带宽数字内容保护）中继器或收发器类型的设备才能处理此音频提取。

固件/中继器支持

HTiB和条形音箱设计的最大挑战之一是实现HDCP中继器功能。HTiB 中实现的中继器功能是内容保护、EDID 管理以及视频和音频静音的复杂组合。HDMI收发器将整个中继器过程集成到单个设备和固件中，从而降低了系统开发的复杂性。

随着视频和音频处理设备复杂性的增加，合格的硬件抽象软件库和应用程序编程接口 （API） 的可用性成为设计人员的主要优势 - 缩短上市时间，并使从结构良好的 HDMI 和 HDCP 兼容平台开始成为可能。通过最初采用芯片供应商的共享代码库，可以进一步节省成本：在中高端HTiB中使用同一供应商的分立接收器和发射器时，在中低端HTiB中集成收发器代码的回报可以从升级可能性中获得。

2层电路板设计，节省成本

新型HDMI收发器通过使用四方扁平封装（QFP）封装提供高效的电路板布局和布线方案。与更复杂的球栅阵列 （BGA） 封装相比，扁平的 LQFP 封装降低了制造成本和复杂性，并简化了制造后的检测。LQFP简化了布局挑战，使封装实际上可以布置在2层板上，实现了更低的成本，同时仍能实现所有必需的HDMI物理层一致性测试阻抗测量。

2层板的设计挑战包括管理到收发器的电源路由，并提供最佳的热传导，以及路由过渡最小化差分信号（TMDS）差分对输入和输出所需的走线阻抗。然而，通过使用表面贴装分立器件，采用良好的布局原理，并与印刷电路板（PCB）和硅供应商密切合作，可以实现不牺牲性能的成功布局。

结论

HDMI收发器为系统设计人员提供了成本更低、复杂性更低的家庭影院系统，具有最新的HDMI功能，消费者希望支持他们的视听体验。使用这些收发器，现在可以实现ARC和3D视频等HDMI功能。HDMI信号路径中集成的屏幕显示引擎降低了HTiB和条形音箱设计的成本和复杂性。在HDMI流中提取、处理和插入音频的能力增强了消费类系统设计中的家庭影院体验。HTiB和条形音箱系统可以用作HDMI中继器，新的收发器设计和固件使实现无缝。可以在 2 层板上路由 HDMI 收发器，以降低 BOM 成本。

图4所示为使用ADI公司ADV7623的典型HDMI收发器系统。它集成了一个四输入HDMI接收器（Rx）和一个HDMI发射器（Tx）和音频提取功能。 HDMI信号解码后，音频内容由SHARC音频DSP提取和处理。然后，处理后的音频可以发送到放大器和扬声器，或者可以重新插入HDMI信号路径。这种特殊的收发器还集成了OSD，使其可用于条形音箱系统设计，因为它可以节省使用分立OSD引擎的成本。ADV7623提供EDID复制、HDCP中继器支持和ARC，并支持强制性3D视频格式。ADV7623现已上市，采用144引脚LQFP封装，便于2层PCB设计。

图4.采用ADV7623 HDMI收发器的HTiB系统。

HDMI 收发器在单个芯片中集成了多输入 HDMI 接收器和 HDMI 发射器，具有灵活的音频提取和插入功能。将 HDMI 收发器用于 HDMI A/V 中继器设计（包括 AVR、HTiB 和条形音箱）将：

降低系统物料清单成本 — 组件更少，PCB 面积更小，PCB 层数更少。

大大减少了硬件和HDMI中继器系统软件的设计工作量，从而大大缩短了上市时间。

这些优势使HDMI收发器成为经济高效的高性能家庭音频/视频系统设计的绝佳选择。

审核编辑：郭婷