Granite River Labs, GRL Allen Chen陈明忠
多媒体消费性电子产品与其应用从90年代开始发展迄今已超过20多个年头，以HDMI规格发展来说，不论是界面规格或是其应用内容，到目前为止已经发展至能传送超高清的10K图像，并支持各种更贴近消费者需求的功能；随着规范更新，多媒体音频也有巨大的改变，除了维持原本的声音传送功能之外，为了增强消费者使用体验，透过简单的线缆连接设备，将多媒体音效在其他渲染功能强大的音效与影音接收装置上进行播放，消费者无需再重复过去复杂的专用音频线缆连接方式也能体验相同、甚至更具临场感的超高清影音多媒体内容。
这样的音频传送功能在HDMI界面的运用场景如下图所示，具有ARC或是eARC功能的电视，只需要一条具有该功能的HDMI线缆就能轻松的支持高达192KHz、24bit的High-bitrate audio音频格式，以及5.1、7.1或是32通道的未压缩音频。另外该功能还支持传送DTS-HD Master Audio™、DTS:X®、Dolby® TrueHD、Dolby Atmos®等音频压缩技术。
图1: ARC / eARC应用场景（来源：hdmi.org）
eARC
HDMI 2.1a规范定义了新的音频回传功能Enhanced Audio Return Channel（eARC），这是一种利用差分信号构架在eARC Rx与eARC Tx之间来回传音频数据的技术，此技术可在半双工通信模式下进行双向数据传送；此外，并非所有的HDMI线缆都支持eARC功能。若要找寻支持eARC功能的线缆，必须使用底下列举的HDMI线缆：
- HDMI Category 1 with HEAC线缆
- HDMI Category 2 with HEAC线缆
- HDMI Category 3线缆（UHS HDMI线缆）
若HDMI设备在沟通建立eARC功能失败时，可能是其中某个设备不支持该功能；此时可以选择回到ARC模式来回传音频，前提当然是两个设备都必须支持ARC功能。
eARC信道构架与编码
HDMI eARC与ARC都是使用相同的信号线（HPD/Utility）来传送回传的音频数据与控制信息，如图2；不同的是ARC必须透过HDMI 1.4规范的CEC功能来辅助，以支持Single Mode与Common Mode的信号传输方式；相较于ARC，eARC则在原本的信号脚位上采用新的差分信号传送构架，来回传音频数据与控制信息，并且不需要CEC功能的支持，而是透过共模信号来沟通eARC的控制信息。
图2: eARC音频传送信号线示意图（来源：keysight.com）
由于eARC功能主要是用于音频回传，从HDMI设备的类别和功能的意义来定义音频回传为单向传输，由支持eARC功能的Sink（eARC Tx）设备传送到Source（eARC Rx）设备；HDMI 2.1a规范定义了Differential Mode Audio Channel（DMAC：差分模式音频通道），用于单向回传音频数据，同时定义了Common Mode Data Channel（CMDC：共模数据信道），用于双向交换控制信息。
eARC音频回传采用IEC 60958-1标准定义的数据结构来回传音频，该标准由192个Frame组成一个数据内存块（Block），由固定编码（Preamble）可识别数据内存块；两个Sub-Frames构成一个Frame，每个Sub-Frame可传送包含原始音频在内总长度为32-bit的数据，相关音频数据结构请参考图3说明；该数位音频标准通道编码采用「Biphase-mark coding」，将Preamble之外的内容加以编码，以减少通道上传输的直流成分；另外运用了Falling Edge Modulation将数据内存块进行调变再透过差分信号传输方式将音频内容发送到HDMI线缆的eARC通道上。上述相关编码与调变方式请参考图4与图5。
图3: Frame format and Data Structure of eARC (IEC 60958-1 Digital Audio Interface)
图4: Channel coding – Biphase-mark of eARC (IEC 60958-1 Digital Audio Interface)
图5: Falling Edge Modulation of eARC
eARC合规测试（一致性测试）
进行eARC合规测试的目的是为了对支持eARC功能的发送和接收设备进行规格验证，包含电气与协议验证测试，测试项目如下表；另外想提醒读者，根据相关测试规范，若HDMI会员欲进行第一个eARC产品的合规测试，则必须交由HDMI Forum ATC来执行。
表1: eARC认证测试项目
接着我们来看看eARC信道上实际传送信号的样子（图6），利用示波器测量eARC通道上的单端信号，可以解析出DMAC通道的差分音讯与CMDC通道所交换的沟通控制信息；另外可将差分信号测量波形进行眼图分析（图7）。
图6: eARC通道上传送的信号
图7: Differential Mode Eye Diagram on eARC channel
结论
消费者对于图像多媒体应用的依赖与需求推动HDMI规范快速演进，无论是图像或者是音频内容都在几年间有着巨大的变化；本文先针对最新HDMI加强型音频回传功能（eARC）的构架、编码方式与合规测试做了基本介绍，未来我们将针对此功能分享更详细深入的规格解析与一致性测试内容。
参考文献
- High-Definition Multimedia Interface Specification Version 2.1a，February 7，2022
- IEC 60958-1 Digital Audio Interface–Part 1: General，Second edition 2004-03
- Keysight D9021HDMC HDMI Electrical Performance Validation and Compliance Software Data Sheet
作者
GRL台湾技术总监陈明忠Allen Chen
Allen在工研院、凌阳科技和鑫泽数字等企业服务超过15年。Allen专精于IP验证、SI/PI模拟、MIPI、HDMI、DisplayPort和DDR等技术。
本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。
发布日期: 2022/10/12 AN-221012-TW
