重要新兴市场的介绍

Display Search预测在2005年，数字显示器的市场营收将超越传统的显示技术产品。数字液晶显示器（LCD）、数字电浆显示器（PDP）、数字光处理器（DLP）、以及其他相关产品，正迅速成为市场的主流显示技术。

本文将阐述这种趋势产生的原因以及过程中涉及的复杂性，然后将介绍数字显示系统所带来的挑战。文中将举数个具代表性的例子，说明可编程逻辑组件如何用来建置各种数字显示产品。

显示技术的数字化

什么力量推动市场转移至数字显示技术？其中有三项基本因素：

内容是最重要的因素。模拟电视变得比较廉价是由于它为广大的内容市场，例如广播电视。但情况已出现变化。新兴的PC、因特网、数字有线电视、以及卫星电视的问市，加上消费性DVD，为数字内容建立一个庞大的新市场。此外，随着潮流转移至数字广播电视（SDTV与HDTV），几乎整个显示领域都会以数字技术为发展方向。

在质量方面，数字内容有许多优势：

再者就是规格。若没有数字显示器，像是现今的笔记本电脑就不可能问市。同样的情况亦发生在壁挂式电视、PDA、飞机上的椅背电视以及数字相机的迷你屏幕。大多数数字显示技术成功的关键因素就是其平面的特性。这些应用若没有平面显示器就不可能实现。

打开潘多拉的盒子

虽然新兴的数字显示技术已带来显著的效益，但对于幕后的研发工作而言，却像是打开了潘多拉的盒子。在数字化的热潮中，各地区、产业以及供货商纷纷发明与重新发明各种新技术。结果就是存在多元化的标准、规格、法律、规章、衍生产品，都让研发工作更具挑战性。

为证明上述的复杂性，在此将一些大量的数字新兴产品中具代表性的数字技术、规格以及标准汇整成(图一)。

《图一 在大量数字新兴产品中所涉及的相关标准与技术》

严苛的挑战

问题还不仅于此，图一列出一项现今面临最严苛的挑战：风险与复杂性。支持哪一种功能才是正确？它们在不同市场会产生什么样的差异？在不同地区会面临什么样的变化？它们会如何演进？如何迅速且有效率地汇整各种功能？是否能有效率地支持一系列组态，以满足各种市场的需求？如何迅速推出产品以抢攻市占率？数字汇整促使这些技术以新的模式整合在一起，发展出各种新产品——只要将这些技术开发成实际的商品，理想就能成为现实。

数字显示器面临的独特挑战超越本身所含的复杂性，周遭的数字显示器还面临许多独特的挑战。其中包括达到目标应用的效能需求、针对特定技术的显示特性进行校正、以及为目标显示器产生趋动讯号。

对于各种数字元影像显示器而言，效能是一项特别严苛的挑战，因为这方面涉及极大的运算负荷。

更糟的是所有处理都必须实时完成，讯号的数据流必须达到25Mbps（串流HDTV）至1.5Gbps（未压缩的1080i HDTV显示数据）的速度。

管线的优化阶段本身就是一项挑战。数字影像数据在这里必须针对目标显示技术调整特定的属性。这是因为所有显示技术都运用类似的色彩科学，但每种显示器有其（非线性）行为特性。因此RGB数据（通常应用在CRT屏幕）必须经过处理后才能显示在LCD、PDP或是其他显示器上。这类的处理流程包括简单的色彩校正，也可能涉及各种算法，套用至比例缩放、对比、亮度、渐层平顺、轮廓锐利度、阴影强化等。几乎每种运算都可能涉及，因此会耗用可观的处理效能。

案例研究

为说明数字显示产品的设计挑战，在此将举一个数字投影机的例子来分析。这类产品以往都是采用模拟RGB作为影像输入讯号，并针对数据进行适当的处理，然后将讯号传送至投影机上显示。传统的系统都是采用各种模拟（蓝色）、数字（黑白）以及控制（绿色）组件，如(图二)所示。

《图二 一般的投影机系统设计》

在数字汇整的新兴潮流下，新一代产品需要支持直接输入数字讯号，其中包括接受与显示各种经过编码的文件格式。在这种前提下，所面临的难题是要支持哪些输入讯号与格式，然后必须整合适当的组件，并让设计产品能符合效能的需求。

(图三)显示一个设计范例，介绍如何支持高速序列USB 2.0以及802.11无线LAN技术。

《图三 数字汇整投影机显示系统设计》

这些简化的图标背后隐藏实际工作的复杂性，该如何在系统控制器中建置新的逻辑，并能管理新的数据流？在整合新组件时需要哪些接口与讯号标准？用户接口与控制软件需要开发哪些延伸技术？倘若分析需要建置与支持各种技术与方案，工作就会变得更加复杂。

可编程逻辑的价值

在因应这些挑战时，可编程逻辑是理想的解决方案。这些组件本身所具备的弹性，也正是这类产品最需要的属性。此外，FPGA是快速且有效率的研发平台，支持极迅速的研发周期。最后，现今的FPGA极具成本效益，因此几乎对于所有应用而言都是可行的投资方案。

(图四)显示FPGA型解决方案如何用来开发数字汇整投影机。这套设计中插入一组FPGA（标示红色）并在A/D转换器与现有的系统控制器之间置入相关的逻辑组件。在这套设计方案中，FPGA作为I/O仲裁器（Arbiter），负责接收所有三个讯号来源的输入数据。

《图四 基于可编程逻辑的数字汇整》

在实际运作时，传统的数字RGB讯号直接通过FPGA。在透过USB 2.0与802.11接收讯号时，FPGA完全控制这些新接口，并将流入的数据流编码成传统的数字RGB格式。译码工作完全由FPGA完成，或是搭配ASIC或ASSP（以黑色／红色区块标示）一同进行，这种模式有许多重要的优点：

《图五 FPGA在组件整合的应用》

(图五)组件的周围是系统I/O，每个I/O针脚都能进行程序化，以支持17种不同的讯号标准。但系统I/O的工作不仅限于此。除了基本的讯号参数外，它亦支持可程序化的驱动讯号以及多种电流回转率（Slew Rate）。这些功能让它能轻易处理不符合预期的PCB行为（制造出来的产品与设计理论不相符是常见情形），如(图六)所示。

《图六 系统I/O中可程序化趋动的效益》

某些FPGA，例如Xilinx Spartan-3系列组件，进一步支持LVDS、BLVDS、以及LVPECL差动讯号标准，每对针脚支持400Mbps的传输速度。这让系统能支持极高效能的组件互连，不需使用更高的针脚数量以及更昂贵的封装技术。此外，它能降低系统耗电率、减少EMI电磁干扰、并提高抗噪声的能力，如(图七)所示。

《图七 VDS讯号抑制噪声的能力》

图五亦显示FPGA中标准控制器IP模块的代表性例子。这些是商业质量的功能区块，能立即投入产品的研发。图一列出的所有技术大多数都可运用标准IP解决方案完成。

在缓冲区与FIFO方面，有丰富的芯片内建内存资源可以选择。其中包括200MHz的正反器、真正双埠的Block RAM、FPGA结构查询表（LUT）架构中的位移缓存器模式（SRL16）功能以及高可调性的分布式RAM。这些可为大多数芯片内建内存需求提供高效能且节省硅组件的解决方案。

在频率管理方面，Xilinx FPGA在每个组件中搭载四组或更多的延迟锁定回路（DLL）。这些组件提供必要的资源，将系统组件串连并加以同步化，并有效管理EMI。这些DLL的抗噪声能力远优于PLL，并拥有极佳的抖动规格，让设计工作更容易完成。(图八)显示一些应用范例。

《图八 DLL功能的例子》

最后，一个可配置逻辑区块（CLB）与内部互连资源的数组将所有组件链接在一起。情况如(图九)所示，它们也是FPGA组件的最基本的结构，同时也是FPGA发挥本身特色的要素。

《图九 FPGA CLB与互连资源》

利用FPGA进行设计

上述的例子中已很明显看出可编程逻辑的利益，但在设计中运用FPGA作为基础组件时，FPGA的价值才更加显现。(图十)显示数字汇整投影机以FPGA为基础进行设计时，数字汇整投影机（Covergence Projector）的呈现方式。

《图十 充份发挥可编程逻辑的价值》

这个套设计中，FPGA的弹性发挥出最大的优势。将系统控制器的核心逻辑直接设计至FPGA组件中，在选择其他必要组件时能获得更大的弹性——包括HSTL、SSTL、LVTTL、LVDS或其他组件，都能迅速且有效率地进行整合。

在这个例子中的另一项优势就是系统输入方面的模块化结构。在这套设计方案中，此设计支持一系列的组态，来满足不同地区与应用的需求。此外，没有理由不能以序列方式进行开发，让最重要的组态产品能率先问市。此外不同组态的产品，在核心设计中唯一会改变的就是FPGA内的编程位元流程序。

在数据信道中配置可编程逻辑组件，能针对实际的需求量身订制出适合的编码／译码、加密／解密、以及图像处理功能。更重要的是，还能获得充裕的弹性在日后需求改变时不断地升级。举串流影音的档案加密为例，现今市面上没有完全不变的标准，而且同一套标准在不同地区与内容供货商之间会产生改变。要注意的是，内容是最重要的主角，运用可编程组件作为加密引擎，能支持顾客现今与未来的需求。

可编程逻辑在作为显示趋动电路的核心时，可让设计方案支持两组或更多的显示讯号。这对于管理昂贵的零组件成本（许多产品甚至高于FPGA的成本），或是运用一套通用的核心设计方案来扩展市场版图而言，能带来极高的价值。此外，还可运用LVDS技术将这些讯号线路配置在背板上（通常会经过大型电路组件），并降低系统层级EMI以及噪声对于这些线路讯号所产生的影响。

FPGA亦适合用来为设计方案开发独特且具吸引力的用户接口。GPIO（通用型I/O）能建置各种微控制器（或甚至PowerPC微处理器）支持监控方面的应用。在现今高度竞争的市场，用户接口是一项最能突显产品特色的要素，FPGA让用户获得最大的创意空间。

最后，FPGA型解决方案永远不会冻结。若顾客要求稍微更新功能，或是新的组态，也可运用FPGA平台迅速且有效率地满足顾客的需求。当无法迅速修复各种错误与不兼容的问题时，亦可在现场迅速更新已建置的系统。这种模式能大幅降低支持与服务成本。若在生产阶段面临系统组件供货不足的问题，可发挥弹性寻找与支持替代方案让生产线持续运作，继续出货与获利。

结论

数字汇整的时代就在我们眼前上演。从图像到电子邮件，从音乐到新闻，整个世界都迈向数字化的领域。在迈入数字爆炸的时代，现今的系统需要更多的链接能力与智能功能。现在光是拥有最新的电子或显示设备已经不够，更重要的是具备数字链接与数据处理功能的电子或显示设备，能支持目标市场或地区的技术标准或格式——才能遥遥领先竞争对手。

在面对这项挑战时，可编程逻辑是一项宝贵的工具。它具备的弹性让它成为一套理想的方案，将新功能融入现有的设计中。其丰富的功能、高效率的研发流程、以及完备的IP支持，能简化工作以赶上最紧迫的时程安排。最新世代的组件是具成本效率的解决方案，适合支持几乎所有的设计产品。在一开始就作为设计架构中的基础组件时，这项技术能让配置模块化，为关键且成本高的组件提供充裕的弹性，并能针对实际需求量身订制适合的功能。

欲进一步了解数字元影像与数字元汇整技术，以及FPGA如何协助研发的工作，请参访Emerging Standards and Protocols（eSP）入口网站：www.xilinx.com/esp.。这个由Xilinx开发的网站提供数字系统设计业界宝贵的资源，专门协助业者处理这些具有挑战性的新技术。至今这个网站协助业者开发出网络、蓝芽、以及数字影音技术等方面的产品。

（作者任职于Xilinx）