Granite River Labs, GRL
Allen Chen 陳明忠
多媒體消費性電子產品與其應用從90年代開始發展迄今已超過20多個年頭，以HDMI規格發展來說，不論是介面規格或是其應用內容，到目前為止已經發展至能傳送超高清的10K影像，並支援各種更貼近消費者需求的功能；隨著規範更新，多媒體音頻也有巨大的改變，除了維持原本的聲音傳送功能之外，為了增強消費者使用體驗，透過簡單的線纜連接設備，將多媒體音效在其他渲染功能強大的音效與影音接收裝置上進行播放，消費者無需再重複過去複雜的專用音訊線纜連接方式也能體驗相同、甚至更具臨場感的超高清影音多媒體內容。
這樣的音訊傳送功能在HDMI介面的運用場景如下圖所示，具有ARC或是eARC功能的電視，只需要一條具有該功能的HDMI線纜就能輕鬆的支援高達192KHz、24bit的High-bitrate audio音頻格式，以及5.1、7.1或是32通道的未壓縮音訊。另外該功能還支援傳送DTS-HD Master Audio™、DTS:X®、Dolby® TrueHD、Dolby Atmos®等音訊壓縮技術。
圖1: ARC / eARC 應用場景（來源：hdmi.org）
eARC
HDMI 2.1a規範定義了新的音訊回傳功能Enhanced Audio Return Channel (eARC)，這是一種利用差分訊號架構在eARC Rx與eARC Tx之間來回傳音訊資料的技術，此技術可在半雙工通訊模式下進行雙向資料傳送；此外，並非所有的HDMI線纜都支援eARC功能。若要找尋支援eARC功能的線纜，必須使用底下列舉的HDMI線纜：
- HDMI Category 1 with HEAC線纜
- HDMI Category 2 with HEAC線纜
- HDMI Category 3 線纜（UHS HDMI線纜）
若HDMI設備在溝通建立eARC 功能失敗時，可能是其中某個設備不支援該功能；此時可以選擇回到ARC模式來回傳音訊，前提當然是兩個設備都必須支援ARC功能。
eARC通道架構與編碼
HDMI eARC與ARC都是使用相同的訊號線 (HPD/Utility) 來傳送回傳的音訊資料與控制資訊，如圖2；不同的是ARC必須透過HDMI 1.4規範的CEC功能來輔助，以支援Single Mode與Common Mode的訊號傳輸方式；相較於ARC，eARC則在原本的訊號腳位上採用新的差分訊號傳送架構，來回傳音訊資料與控制資訊，並且不需要CEC功能的支援，而是透過共模訊號來溝通eARC的控制資訊。
圖2: eARC音訊傳送訊號線示意圖（來源：keysight.com）
由於eARC功能主要是用於音訊回傳，從HDMI設備的類別和功能的意義來定義音訊回傳為單向傳輸，由支援eARC功能的Sink (eARC Tx) 設備傳送到Source (eARC Rx) 設備；HDMI 2.1a規範定義了Differential Mode Audio Channel（DMAC：差分模式音訊通道），用於單向回傳音訊資料，同時定義了Common Mode Data Channel（CMDC：共模資料通道），用於雙向交換控制訊息。
eARC音訊回傳採用IEC 60958-1標準定義的資料結構來回傳音訊，該標準由192個Frame組成一個資料區塊 (Block)，由固定編碼 (Preamble) 可識別資料區塊；兩個Sub-Frames構成一個Frame，每個Sub-Frame可傳送包含原始音訊在內總長度為32-bit的資料，相關音訊資料結構請參考圖3說明；該數位音訊標準通道編碼採用「Biphase-mark coding」，將Preamble之外的內容加以編碼，以減少通道上傳輸的直流成分；另外運用了Falling Edge Modulation將資料區塊進行調變再透過差分訊號傳輸方式將音訊內容發送到HDMI線纜的eARC通道上。上述相關編碼與調變方式請參考圖4與圖5。
圖3: Frame format and Data Structure of eARC (IEC 60958-1 Digital Audio Interface)
圖4: Channel coding - Biphase-mark of eARC (IEC 60958-1 Digital Audio Interface)
圖5: Falling Edge Modulation of eARC
eARC合規測試（一致性測試）
進行eARC合規測試的目的是為了對支援eARC功能的發送和接收設備進行規格驗證，包含電氣與協議驗證測試，測試項目如下表；另外想提醒讀者，根據相關測試規範，若HDMI會員欲進行第一個eARC產品的合規測試，則必須交由HDMI Forum ATC來執行。
表1: eARC認證測試項目
接著我們來看看eARC通道上實際傳送訊號的樣子（圖6），利用示波器量測eARC通道上的單端訊號，可以解析出DMAC通道的差分音訊與CMDC通道所交換的溝通控制訊息；另外可將差分音訊量測波形進行眼圖分析（圖7）。
圖6: eARC通道上傳送的訊號
圖7: Differential Mode Eye Diagram on eARC channel
結論
消費者對於影像多媒體應用的依賴與需求推動HDMI規範快速演進，無論是影像或者是音訊內容都在幾年間有著巨大的變化；本文先針對最新HDMI加強型音訊回傳功能(eARC)的架構、編碼方式與合規測試做了基本介紹，未來我們將針對此功能分享更詳細深入的規格解析與一致性測試內容。
參考文獻
- 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台灣 技術總監 陳明忠 Allen Chen
Allen在工研院、淩陽科技和鑫澤數碼等企業服務超過15年。Allen專精於IP驗證、SI/PI模擬、MIPI、HDMI、DisplayPort和DDR等技術。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2022/10/12 AN-221012-TW
