Granite River Labs, GRL
Allen Chen 陳明忠
マルチメディア家電製品およびそのアプリケーションは、90年代から20年以上にわたって発展してきました。HDMIの仕様においても、10Kの超高精細映像の伝送や、消費者の要求の変化に応じて様々な機能をサポートするために、インターフェースのハードウェア要件と、対応するアプリケーションコンテンツの両方が進化してきました。
オーディオも最近の仕様変更に伴い、大きく変化しています。本来の音声伝送機能はそのままに、ケーブル接続するだけで他の強力な音声・映像受信機器で音声を再生できるようになりました。消費者は、もはや複雑な専用オーディオケーブルの接続方法を解きほぐす必要はなく、同じ、もしくはそれ以上に臨場感あふれる超高精細なマルチメディアコンテンツを体験することができます。
このようなオーディオ伝送機能は、多くのHDMIインターフェースの使用場面において一般的になってきています。例えば、ARCやeARC機能を搭載したテレビでは、対応する機能を搭載したHDMIケーブル1本で、最大192KHz、24bit、5.1、7.1、32チャンネルの非圧縮オーディオの高ビットレート音声フォーマットに簡単に対応できます。また、DTS-HD Master Audio™、DTS:X®、Dolby® TrueHD、Dolby Atmos®などの音声圧縮技術の伝送もサポートします。
図1：ARC / eARCアプリケーションシナリオ（出典：hdmi.org）
Enhanced Audio Return Channel (eARC)は、HDMI 2.1a 仕様で定義された新しいオーディオリターン機能です。eARC RxとeARC Txの間でオーディオデータを返すために差動信号アーキテクチャを使用し、この技術は半二重通信モードで双方向にデータを伝送することができます。
なお、eARCに対応しているのは、以下のHDMIケーブルのみです。
HDMI機器での通信中にeARC機能を確立できないのは、通常、どちらかの機器内で機能がサポートされていないことが原因です。この場合、両方の機器がARCをサポートしていれば、ARCモードに切り替えて音声を戻すことができます。
図2に示すように、HDMI eARCとARCは、同じ信号線（HPD/Utility）を使って、オーディオデータと制御情報の返送を行います。
違いは、ARCはシングルモードとコモンモードの信号伝送方式をサポートするために、HDMI1.4仕様のCEC機能の補助が必要であることです。これに対し、eARCは、CEC機能の支援なしに、オーディオデータと制御情報を返すために、オリジナルの信号ピンで新しい差動信号伝送アーキテクチャを採用しています。その代わり、コモンモード信号で制御情報を通信します。
図2：eARCオーディオ伝送信号線図（出典：keysight.com）
eARCにおけるオーディオリターンとは、HDMI機器内のカテゴリーと機能に応じて、eARC機能をサポートするeARC Tx（Sink）機器からeARC Rx（Source）機器に音声を伝送する一方向の伝送と定義されています。HDMI 2.1a仕様では、音声を一方的に返すためのDMAC（Differential Mode Audio Channel）と、制御メッセージを双方向に交換するためのCMDC（Common Mode Data Channel）が定義されています。
eARC オーディオリターンのデータ構造は、IEC 60958-1 のオーディオリターン規格で定義されており、固 定エンコーディング（Preamble）で識別可能なデータブロック（Block）内の 192 フレームで構成されています。2つのSub-frameが1つのFrameを構成し、各Sub-frameはオリジナルのオーディオを含む最大32ビット長のデータを伝送します。
図3にて、関連するオーディオデータ構造を説明します。デジタルオーディオ規格のチャンネルエンコードでは、伝送路のDC成分を低減するため、Preamble外のコンテンツを「Biphase-mark coding」を用いてエンコードします。さらに、Falling Edge Modulationを使用してデータブロックを変調し、差動信号によってHDMIケーブル上のeARCチャネルにオーディオコンテンツを伝送します。関連する符号化方式と変調方式は、図4と図5をご参照ください。
図3 eARC（IEC 60958-1 Digital Audio Interface）のフレームフォーマットとデータ構造
図4 チャンネルコーディング - eARCのバイフェーズ・マーク（IEC 60958-1 Digital Audio Interface）
図5：eARCのFalling Edge変調
eARCコンプライアンステストは、エレクトリックテストとプロトコルテストを含み、eARCの送受信機能をサポートする製品がHDMI 2.1仕様に準拠していることを確認します。試験項目は以下の表の通りです。
表1：eARC コンプライアンステスト項目
次に、eARCチャネルで送信される実際の信号がどのように見えるかを紹介します（図6）。オシロスコープを使ってeARCチャネルのシングルエンド信号を測定すると、DMACチャネルの差動オーディオ信号とCMDCチャネルでやり取りされる通信制御メッセージを解析することができます。さらに、アイダイアグラムを用いて、差動オーディオの測定波形を解析することができます（図7）。
図6：eARCチャネルで送信される信号
図7：eARCチャネルの差動モードアイダイアグラム
消費者の信頼とマルチメディアアプリケーションの需要がHDMI仕様の急速な進化を促す中、ビデオとオーディオの両コンテンツは近年、大きな変化を遂げています。この記事では、最新のHDMI拡張オーディオリターンチャンネル（eARC）アーキテクチャ、エンコーディング方法、およびコンプライアンステストの基本的な紹介を行います。HDMIの最新仕様や整合性テストの内容など、より詳細な最新情報をお届けしますので、ぜひご覧ください。
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参考文献