HDMI加強型音頻回傳功能eARC介紹

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，不論是界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圖像，并支持各種更貼近消費者需求的功能；隨著規范更新，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，消費者無需再重復過去復雜的專用音頻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。

這樣的音頻傳送功能在HDMI界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線纜就能輕松的支持高達192KHz、24bit的High-bitrate audio音頻格式，以及5.1、7.1或是32通道的未壓縮音頻。另外該功能還支持傳送DTS-HD Master Audio、DTSregistered:、Dolby TrueHD、Dolby Atmos等音頻壓縮技術。

圖1: ARC / eARC應用場景

eARC

HDMI 2.1a規范定義了新的音頻回傳功能Enhanced Audio Return Channel（eARC），這是一種利用差分信號構架在eARC Rx與eARC Tx之間來回傳音頻數據的技術，此技術可在半雙工通信模式下進行雙向數據傳送；此外，并非所有的HDMI線纜都支持eARC功能。若要找尋支持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持該功能；此時可以選擇回到ARC模式來回傳音頻，前提當然是兩個設備都必須支持ARC功能。

eARC信道構架與編碼

相信熟悉電腦的大家應該知道，獨立顯卡需要插在主板的PCIe插槽上才能正常使用，那么外接顯卡又要如何使用呢？

其實在外接顯卡盒內部，也有一個可供用戶插上顯卡的PCIe 3.0插槽，使用者需要將顯卡插在顯卡盒的PCIe插槽，并將顯卡電源接上后開啟，再透過Thunderbolt線纜將顯卡盒連接至筆記型電腦即可，此時Thunderbolt所使用的PCIe信道會通過一個儲存裝置PCH或者直接連至CPU的模式來讓筆記型電腦可以正常識別，并使用外接顯卡盒中所插入的獨立顯卡。

所有電腦都支持Thunderbolt顯卡盒嗎？

HDMI eARC與ARC都是使用相同的信號線（HPD/Utility）來傳送回傳的音頻數據與控制信息，如圖2；不同的是ARC必須透過HDMI 1.4規范的CEC功能來輔助，以支持Single Mode與Common Mode的信號傳輸方式；相較于ARC，eARC則在原本的信號腳位上采用新的差分信號傳送構架，來回傳音頻數據與控制信息，并且不需要CEC功能的支持，而是透過共模信號來溝通eARC的控制信息。

圖2: eARC音頻傳送信號線示意圖（來源：keysight.com）

由于eARC功能主要是用于音頻回傳，從HDMI設備的類別和功能的意義來定義音頻回傳為單向傳輸，由支持eARC功能的Sink（eARC Tx）設備傳送到Source（eARC Rx）設備；HDMI 2.1a規范定義了Differential Mode Audio Channel（DMAC：差分模式音頻通道），用于單向回傳音頻數據，同時定義了Common Mode Data Channel（CMDC：共模數據信道），用于雙向交換控制信息。

eARC音頻回傳采用IEC 60958-1標準定義的數據結構來回傳音頻，該標準由192個Frame組成一個數據內存塊（Block），由固定編碼（Preamble）可識別數據內存塊；兩個Sub-Frames構成一個Frame，每個Sub-Frame可傳送包含原始音頻在內總長度為32-bit的數據，相關音頻數據結構請參考圖3說明；該數位音頻標準通道編碼采用「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將數據內存塊進行調變再透過差分信號傳輸方式將音頻內容發送到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持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，根據相關測試規范，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信道上實際傳送信號的樣子（圖6），利用示波器測量eARC通道上的單端信號，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信息；另外可將差分信號測量波形進行眼圖分析（圖7）。

圖6: eARC通道上傳送的信號

圖7: Differential Mode Eye Diagram on eARC channel

結論

消費者對于圖像多媒體應用的依賴與需求推動HDMI規范快速演進，無論是圖像或者是音頻內容都在幾年間有著巨大的變化；本文先針對最新HDMI加強型音頻回傳功能（eARC）的構架、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。

審核編輯：劉清