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平面显示介面发展综观
迈向更高的频宽

【作者: Henry Zeng】2008年11月06日 星期四

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面板产业正加速朝向更高的解析度及更多的位元颜色发展。然而,唯有提升从主机到面板的整体资料传输速率,才有可能在解析度及颜色上取得突破,因此要摆脱此限制,进一步取得突破的重任,便落在面板显示介面的身上。


为了更准确地观察未来,我们将先概述面板显示介面标准的进展历程。从全面采用电晶体-电晶体逻辑(Transistor-Transistor Logic , TTL)到今天的DisplayPort数位显示介面,此文将检视从1960年代到2007年的面板显示介面,并鸟瞰新一代的标准。


《图一 显示接口发展历程:寻求更高的带宽。此图表显示自1994年以来显示带宽的增加。》
《图一 显示接口发展历程:寻求更高的带宽。此图表显示自1994年以来显示带宽的增加。》

电晶体-电晶体逻辑

典型的数位介面TTL是显示面板初次现身时所采用的介面标准。在当时,面板大小不超过10英吋,解析度为6位元颜色的VGA,频宽需求也仅有300 Mbps。 TTL IC代表了从小规模到大规模的整合,相较于今天的微处理整合了数千万个电晶体,当时每一晶片只包含了数百个电晶体。


TTL受到欢迎是因为德州仪器(TI)的7400系列IC。在TI的产品系列快速成为标准后,Motorola, Signetics, SGS-Thomson, National Semiconductor和其他业者相继推出自有产品,加入TI的行列。 TTL代表了低成本的IC,让具经济效益的数位技术可和类比解决方案匹敌。在1990年代的后半时期,随着面板尺寸成长至15英吋,解析度提升至XGA,且频宽也一跃达到850 Mbps。随之而来包括功耗和电磁干扰(EMI)在内的挑战,都让慢速的TTL介面成为显示面板中的瓶颈。


LVDS显示介面

低电压差动讯号传输(Low Voltage Differential Signaling , LVDS)显示介面(LDI)为一差动信号系统,在双绞铜缆上传输两种不同的电压。相较于TTL,此强度较小的信号,以及双绞线间的紧密耦合,能减少TTL所面对的功耗和EMI的挑战。


LVDS代表了一种电气信号传输方法,并能在廉价的铜缆上高速运作。为了在接收端运作两个不同的电压,LVDS利用电压的不同(一般为350 Mv)去进行讯息编码。电压的极性由接收器所感应,其决定了逻辑层级。由于信号的强度很小,且两条铜线间的耦合形成了紧密的电/磁区域,因此得以降低EMI。电线的平均电压是1.25伏特。此介面的采用始于1990年代的后半时期。



《图二 显示接口的例子:LVDS影像链接》
《图二 显示接口的例子:LVDS影像链接》

LVDS为主流的序列数据传输,而非平行传输。 LVDS结合了高速和频道内同步,使得大量的数据可透过为数较少的线缆传输。


基于LVDS,国家半导体公司在1999年发表了Open LDI规格,能将TTL的总电线数目由22条减少为8条,连接器和配线也得以缩减。更重要的是,LDI突破了TTL的瓶颈,并将频宽增加至将近2.8Gbps。做为一种开放标准,LDI没有专利费用,这让它在短时间内便成为实际在使用的面板显示介面标准。


再一次地,瓶颈又开始出现了。随着面板业者继续地增加面板尺寸并发展更丰富的色彩,40至50英吋、1080画素的面板开始成为主流。 8位元颜色的面板需要将近3 Gbps的频宽,这超出了4-pair LVDS介面的能力范围。甚至是具有数位电影院(Digital Cinema)4096x2160的解析度,且能显示更深度的10位元和12位元颜色的更大面板也出现了。为符合数位电影院解析度的频宽需求,便得使用8-Links和40对(808条电线)的汇流排宽度。


在此层级,挑战再度出现,包括复杂的连接器和配线,以及串音杂讯、数据失准及其他的问题等。 LDI现在已成为面板显示介面的瓶颈,而其他的介面创新则还在等待中。


最小转换差动信号传送

1990年代晚期,Silicon Image开始向显示产业推动该公司拥有专利的标准---最小转换差动信号传送(Transition Minimized Differential Signaling,TMDS),此标准沿袭PanelLink、数位影像介面(Digital Visual Interface ,DVI) ,和高解析多媒体传输介面(High-Definition Multimedia Interface,HDMI)的形式。在此标准中,传送器包含先进编码演算法,可降低铜线上的EMI,并可在接受端进行时脉回复。


此8位元/10位元编码为两阶段的过程,可将8位元的输入转换为10位元的编码。相似于LVDS,其使用差动信号,可减少EMI并加速精确的信号传输。同样类似于LVDS,TMDS也是一种序列传输方式。


此技术已由DVI成功实现于PC领域中,而HDMI也成功实现于消费性电子产业中。然而,TDMS还无法成为一种被广泛采用的面板介面标准。取而代之地,没有专利费用的LVDS则被广泛采用。此外,现行版本的DVI无法升级,且有其物理、功能和成本上的限制。


DisplayPort

舞台上的新角色是DisplayPort,这是由视讯电子标准协会(Video Electronics Standards Association,ESA)所提出的一种数位显示介面标准,其在2006年通过初始认证,1.1版本则在2007年4月2日通过认证。此标准建议使用于电脑和萤幕间,或是电脑和家庭剧院系统间的连结。


DisplayPort包含有一个单向主连线(Ma​​in Link),以传输音讯/视讯串流;以及一个半双工双向辅助通道(AUX CH),用以随插即用。主连线和AUX CH由AC耦合差动对线所构成。主连线具有1、 2或4对线或线路,而AUX CH则有一对,且毋需连接时脉。这让差动对线可发挥最大的用处。例如,1680 x 1050的面板解析度将可能透过一个单一主连线线路便可达成。就现阶段而言,DisplayPort规格可支援高达10.8 Gbps的频宽,并可经由15公尺线缆提供WQXGA(2560 x 1600)的解析度。



《图三 DisplayPort数据传输信道(数据源:VESA)》
《图三 DisplayPort数据传输信道(数据源:VESA)》

DisplayPort为特别针对电脑和显示萤幕间的连结提供音讯/视讯互连,且没有权利金及专利金的问题。 DisplayPort已获得AMD/ATI、Dell、IDT、Genesis、HP、Intel、Lenovo、Quantum Data、Molex,和NVIDIA的支持,且这些公司支持此标准继续扩充。 DisplayPort也已被面板业者接受成为面板显示介面标准,并已开始应用在产品上。


DisplayPort的优点包括能让液晶萤幕的价格更便宜,加上更佳的效能扩充性,能符合从入门等级到高效能显示器的广泛需求和应用。透过微封包架构,DisplayPort更可支援未来的创新。 DisplayPort现在已被电脑萤幕所采用。


表一显示Displayport和其他标准间的差异。在逐项检视下可清楚发现DisplayPort提供诸多优势,特别是针对目前的市场。


(表一) DisplayPort和LVDS、 DVI及HDMI间的比较

 

DisplayPort

LVDS
(dual channel)

DVI
(single)

HDMI

Data pairs

1,2 or 4 (selectable)

8

3

3

Clock pairs

None (embedded)

2

1

1

Bit rate per pair

2.7 or 1.62 Gbit/s (extensible)

945 Mbits/s (135MHz clock)

Max 1.65 Gbits/s

Max 2.25 Gbits/s

Total raw bandwidth

10.8 Gbits/s

7.56 Gbits/s

4.95 Gbits/s

6.75 Gbits/s

Color depth (bit-per-color / bit-per-pixel)

6/18, 8/24, 10/30, 12/36, 16/48

8/24

8/24

8/24, 10/30, 12/36, 16/48

Audio support

Yes

No

No

Yes

Channel coding

ANSI8B/10B

None

TMDS

TMDS

Aux channel

1Mbps Aux CH

None

DDC

DDC

Content protection

HDCP (optional)

None

HDCP (optional)

HDCP (mandatory)

Interface type

External & Internal,
AC-coupled

Internal,
DC-coupled

External,
DC-coupled

External,
DC or AC-coupled


结论

虽然面板显示技术不断进步,但现阶段的显示介面标准却遭逢频宽的瓶颈。在过去十年间主导显示介面的LVDS,如今已渐失动力。技术上的瓶颈,正为个人电脑、笔记型电脑显示,以及液晶电视带来巨大的架构变革。拥有更高的效能以及产业的支持,采用DisplayPort的产品已准备就绪,将成为驱动显示介面市场的下一个技术。


--作者Henry Zeng为Integrated Device Technology(IDT)数位显示部门的应用工程和技术行销总监。 --


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