重要新興市場的介紹

Display Search預測在2005年，數位顯示器的市場營收將超越傳統的顯示技術產品。數位液晶顯示器（LCD）、數位電漿顯示器（PDP）、數位光處理器（DLP）、以及其他相關產品，正迅速成為市場的主流顯示技術。

本文將闡述這種趨勢產生的原因以及過程中涉及的複雜性，然後將介紹數位顯示系統所帶來的挑戰。文中將舉數個具代表性的例子，說明可編程邏輯元件如何用來建置各種數位顯示產品。

顯示技術的數位化

什麼力量推動市場轉移至數位顯示技術？其中有三項基本因素：

內容是最重要的因素。類比電視變得比較廉價是由於它為廣大的內容市場，例如廣播電視。但情況已出現變化。新興的PC、網際網路、數位有線電視、以及衛星電視的問市，加上消費性DVD，為數位內容建立一個龐大的新市場。此外，隨著潮流轉移至數位廣播電視（SDTV與HDTV），幾乎整個顯示領域都會以數位技術為發展方向。

在品質方面，數位內容有許多優勢：

再者就是規格。若沒有數位顯示器，像是現今的筆記型電腦就不可能問市。同樣的情況亦發生在壁掛式電視、PDA、飛機上的椅背電視以及數位相機的迷你螢幕。大多數數位顯示技術成功的關鍵因素就是其平面的特性。這些應用若沒有平面顯示器就不可能實現。

打開潘朵拉的盒子

雖然新興的數位顯示技術已帶來顯著的效益，但對於幕後的研發工作而言，卻像是打開了潘朵拉的盒子。在數位化的熱潮中，各地區、產業以及供應商紛紛發明與重新發明各種新技術。結果就是存在多元化的標準、規格、法律、規章、衍生產品，都讓研發工作更具挑戰性。

為證明上述的複雜性，在此將一些大量的數位新興產品中具代表性的數位技術、規格以及標準匯整成(圖一)。

《圖一　在大量數位新興產品中所涉及的相關標準與技術》

嚴苛的挑戰

問題還不僅於此，圖一列出一項現今面臨最嚴苛的挑戰：風險與複雜性。支援哪一種功能才是正確？它們在不同市場會產生什麼樣的差異？在不同地區會面臨什麼樣的變化？它們會如何演進？如何迅速且有效率地匯整各種功能？是否能有效率地支援一系列組態，以滿足各種市場的需求？如何迅速推出產品以搶攻市佔率？數位匯整促使這些技術以新的模式整合在一起，發展出各種新產品——只要將這些技術開發成實際的商品，理想就能成為現實。

數位顯示器面臨的獨特挑戰超越本身所含的複雜性，週遭的數位顯示器還面臨許多獨特的挑戰。其中包括達到目標應用的效能需求、針對特定技術的顯示特性進行校正、以及為目標顯示器產生趨動訊號。

對於各種數位元影像顯示器而言，效能是一項特別嚴苛的挑戰，因為這方面涉及極大的運算負荷。

更糟的是所有處理都必須即時完成，訊號的資料流必須達到25Mbps（串流HDTV）至1.5Gbps（未壓縮的1080i HDTV顯示資料）的速度。

管線的最佳化階段本身就是一項挑戰。數位影像資料在這裡必須針對目標顯示技術調整特定的屬性。這是因為所有顯示技術都運用類似的色彩科學，但每種顯示器有其（非線性）行為特性。因此RGB資料（通常應用在CRT螢幕）必須經過處理後才能顯示在LCD、PDP或是其他顯示器上。這類的處理流程包括簡單的色彩校正，也可能涉及各種演算法，套用至比例縮放、對比、亮度、漸層平順、輪廓銳利度、陰影強化等。幾乎每種運算都可能涉及，因此會耗用可觀的處理效能。

案例研究

為說明數位顯示產品的設計挑戰，在此將舉一個數位投影機的例子來分析。這類產品以往都是採用類比RGB作為影像輸入訊號，並針對資料進行適當的處理，然後將訊號傳送至投影機上顯示。傳統的系統都是採用各種類比（藍色）、數位（黑白）以及控制（綠色）元件，如(圖二)所示。

《圖二　一般的投影機系統設計》

在數位匯整的新興潮流下，新一代產品需要支援直接輸入數位訊號，其中包括接受與顯示各種經過編碼的檔案格式。在這種前提下，所面臨的難題是要支援哪些輸入訊號與格式，然後必須整合適當的元件，並讓設計產品能符合效能的需求。

(圖三)顯示一個設計範例，介紹如何支援高速序列USB 2.0以及802.11無線LAN技術。

《圖三　數位匯整投影機顯示系統設計》

這些簡化的圖示背後隱藏實際工作的複雜性，該如何在系統控制器中建置新的邏輯，並能管理新的資料流？在整合新元件時需要哪些介面與訊號標準？使用者介面與控制軟體需要開發哪些延伸技術？倘若研判需要建置與支援各種技術與方案，工作就會變得更加複雜。

可編程邏輯的價值

在因應這些挑戰時，可編程邏輯是理想的解決方案。這些元件本身所具備的彈性，也正是這類產品最需要的屬性。此外，FPGA是快速且有效率的研發平臺，支援極迅速的研發週期。最後，現今的FPGA極具成本效益，因此幾乎對於所有應用而言都是可行的投資方案。

(圖四)顯示FPGA型解決方案如何用來開發數位匯整投影機。這套設計中插入一組FPGA（標示紅色）並在A/D轉換器與現有的系統控制器之間置入相關的邏輯元件。在這套設計方案中，FPGA作為I/O仲裁器（Arbiter），負責接收所有三個訊號來源的輸入資料。

《圖四　基於可編程邏輯的數位匯整》

在實際運作時，傳統的數位RGB訊號直接通過FPGA。在透過USB 2.0與802.11接收訊號時，FPGA完全控制這些新介面，並將流入的資料流編碼成傳統的數位RGB格式。解碼工作完全由FPGA完成，或是搭配ASIC或ASSP（以黑色／紅色區塊標示）一同進行，這種模式有許多重要的優點：

《圖五　FPGA在元件整合的應用》

(圖五)元件的週圍是系統I/O，每個I/O針腳都能進行程式化，以支援17種不同的訊號標準。但系統I/O的工作不僅限於此。除了基本的訊號參數外，它亦支援可程式化的驅動訊號以及多種電流迴轉率（Slew Rate）。這些功能讓它能輕易處理不符合預期的PCB行為（製造出來的產品與設計理論不相符是常見情形），如(圖六)所示。

《圖六　系統I/O中可程式化趨動的效益》

某些FPGA，例如Xilinx Spartan-3系列元件，進一步支援LVDS、BLVDS、以及LVPECL差動訊號標準，每對針腳支援400Mbps的傳輸速度。這讓系統能支援極高效能的元件互連，不需使用更高的針腳數量以及更昂貴的封裝技術。此外，它能降低系統耗電率、減少EMI電磁幹擾、並提高抗雜訊的能力，如(圖七)所示。

《圖七　VDS訊號抑制雜訊的能力》

圖五亦顯示FPGA中標準控制器IP模組的代表性例子。這些是商業品質的功能區塊，能立即投入產品的研發。圖一列出的所有技術大多數都可運用標準IP解決方案完成。

在緩衝區與FIFO方面，有豐富的晶片內建記憶體資源可以選擇。其中包括200MHz的正反器、真正雙埠的Block RAM、FPGA結構查詢表（LUT）架構中的位移暫存器模式（SRL16）功能以及高可調性的分散式RAM。這些可為大多數晶片內建記憶體需求提供高效能且節省矽元件的解決方案。

在時脈管理方面，Xilinx FPGA在每個元件中搭載四組或更多的延遲鎖定迴路（DLL）。這些元件提供必要的資源，將系統元件串連並加以同步化，並有效管理EMI。這些DLL的抗雜訊能力遠優於PLL，並擁有極佳的抖動規格，讓設計工作更容易完成。(圖八)顯示一些應用範例。

《圖八　DLL功能的例子》

最後，一個可配置邏輯區塊（CLB）與內部互連資源的陣列將所有元件連結在一起。情況如(圖九)所示，它們也是FPGA元件的最基本的結構，同時也是FPGA發揮本身特色的要素。

《圖九　FPGA CLB與互連資源》

利用FPGA進行設計

上述的例子中已很明顯看出可編程邏輯的利益，但在設計中運用FPGA作為基礎元件時，FPGA的價值才更加顯現。(圖十)顯示數位匯整投影機以FPGA為基礎進行設計時，數位匯整投影機（Covergence Projector）的呈現方式。

《圖十　充份發揮可編程邏輯的價值》

這個套設計中，FPGA的彈性發揮出最大的優勢。將系統控制器的核心邏輯直接設計至FPGA元件中，在選擇其他必要元件時能獲得更大的彈性——包括HSTL、SSTL、LVTTL、LVDS或其他元件，都能迅速且有效率地進行整合。

在這個例子中的另一項優勢就是系統輸入方面的模組化結構。在這套設計方案中，此設計支援一系列的組態，來滿足不同地區與應用的需求。此外，沒有理由不能以序列方式進行開發，讓最重要的組態產品能率先問市。此外不同組態的產品，在核心設計中唯一會改變的就是FPGA內的編程位元元流程式。

在資料通道中配置可編程邏輯元件，能針對實際的需求量身訂製出適合的編碼／解碼、加密／解密、以及影像處理功能。更重要的是，還能獲得充裕的彈性在日後需求改變時不斷地升級。舉串流影音的檔案加密為例，現今市面上沒有完全不變的標準，而且同一套標準在不同地區與內容供應商之間會產生改變。要注意的是，內容是最重要的主角，運用可編程元件作為加密引擎，能支援顧客現今與未來的需求。

可編程邏輯在作為顯示趨動電路的核心時，可讓設計方案支援兩組或更多的顯示訊號。這對於管理昂貴的零組件成本（許多產品甚至高於FPGA的成本），或是運用一套通用的核心設計方案來擴展市場版圖而言，能帶來極高的價值。此外，還可運用LVDS技術將這些訊號線路配置在背板上（通常會經過大型電路元件），並降低系統層級EMI以及雜訊對於這些線路訊號所產生的影響。

FPGA亦適合用來為設計方案開發獨特且具吸引力的使用者介面。GPIO（通用型I/O）能建置各種微控制器（或甚至PowerPC微處理器）支援監控方面的應用。在現今高度競爭的市場，使用者介面是一項最能突顯產品特色的要素，FPGA讓使用者獲得最大的創意空間。

最後，FPGA型解決方案永遠不會凍結。若顧客要求稍微更新功能，或是新的組態，也可運用FPGA平臺迅速且有效率地滿足顧客的需求。當無法迅速修復各種錯誤與不相容的問題時，亦可在現場迅速更新已建置的系統。這種模式能大幅降低支援與服務成本。若在生產階段面臨系統元件供貨不足的問題，可發揮彈性尋找與支援替代方案讓生產線持續運作，繼續出貨與獲利。

結論

數位匯整的時代就在我們眼前上演。從圖像到電子郵件，從音樂到新聞，整個世界都邁向數位化的領域。在邁入數位爆炸的時代，現今的系統需要更多的連結能力與智慧功能。現在光是擁有最新的電子或顯示裝置已經不夠，更重要的是具備數位連結與資料處理功能的電子或顯示裝置，能支援目標市場或地區的技術標準或格式——才能遙遙領先競爭對手。

在面對這項挑戰時，可編程邏輯是一項寶貴的工具。它具備的彈性讓它成為一套理想的方案，將新功能融入現有的設計中。其豐富的功能、高效率的研發流程、以及完備的IP支援，能簡化工作以趕上最緊迫的時程安排。最新世代的元件是具成本效率的解決方案，適合支援幾乎所有的設計產品。在一開始就作為設計架構中的基礎元件時，這項技術能讓配置模組化，為關鍵且成本高的元件提供充裕的彈性，並能針對實際需求量身訂製適合的功能。

欲進一步瞭解數位元影像與數位元匯整技術，以及FPGA如何協助研發的工作，請參訪Emerging Standards and Protocols（eSP）入口網站：www.xilinx.com/esp.。這個由Xilinx開發的網站提供數位系統設計業界寶貴的資源，專門協助業者處理這些具有挑戰性的新技術。至今這個網站協助業者開發出網路、藍芽、以及數位影音技術等方面的產品。

（作者任職於Xilinx）