面板產業正加速朝向更高的解析度及更多的位元顏色發展。然而,唯有提升從主機到面板的整體資料傳輸速率,才有可能在解析度及顏色上取得突破,因此要擺脫此限制,進一步取得突破的重任,便落在面板顯示介面的身上。
為了更準確地觀察未來,我們將先概述面板顯示介面標準的進展歷程。從全面採用電晶體-電晶體邏輯(Transistor-Transistor Logic , TTL)到今天的DisplayPort數位顯示介面,此文將檢視從1960年代到2007年的面板顯示介面,並鳥瞰新一代的標準。
![《圖一 顯示介面發展歷程:尋求更高的頻寬。此圖表顯示自1994年以來顯示頻寬的增加。》](/art/2008/11/061526316178/p1.gif)
《圖一 顯示介面發展歷程:尋求更高的頻寬。此圖表顯示自1994年以來顯示頻寬的增加。》 |
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電晶體-電晶體邏輯
典型的數位介面TTL是顯示面板初次現身時所採用的介面標準。在當時,面板大小不超過10英吋,解析度為6位元顏色的VGA,頻寬需求也僅有300 Mbps。TTL IC代表了從小規模到大規模的整合,相較於今天的微處理整合了數千萬個電晶體,當時每一晶片只包含了數百個電晶體。
TTL受到歡迎是因為德州儀器(TI)的7400系列IC。在TI的產品系列快速成為標準後,Motorola, Signetics, SGS-Thomson, National Semiconductor和其他業者相繼推出自有產品,加入TI的行列。TTL代表了低成本的IC,讓具經濟效益的數位技術可和類比解決方案匹敵。在1990年代的後半時期,隨著面板尺寸成長至15英吋,解析度提升至XGA,且頻寬也一躍達到850 Mbps。隨之而來包括功耗和電磁干擾(EMI)在內的挑戰,都讓慢速的TTL介面成為顯示面板中的瓶頸。
LVDS顯示介面
低電壓差動訊號傳輸(Low Voltage Differential Signaling , LVDS)顯示介面(LDI)為一差動信號系統,在雙絞銅纜上傳輸兩種不同的電壓。相較於TTL,此強度較小的信號,以及雙絞線間的緊密耦合,能減少TTL所面對的功耗和EMI的挑戰。
LVDS代表了一種電氣信號傳輸方法,並能在廉價的銅纜上高速運作。為了在接收端運作兩個不同的電壓,LVDS利用電壓的不同(一般為350 Mv)去進行訊息編碼。電壓的極性由接收器所感應,其決定了邏輯層級。由於信號的強度很小,且兩條銅線間的耦合形成了緊密的電/磁區域,因此得以降低EMI。電線的平均電壓是1.25伏特。此介面的採用始於1990年代的後半時期。
LVDS為主流的序列數據傳輸,而非平行傳輸。LVDS結合了高速和頻道內同步,使得大量的數據可透過為數較少的線纜傳輸。
基於LVDS,國家半導體公司在1999年發表了Open LDI規格,能將TTL的總電線數目由22條減少為8條,連接器和配線也得以縮減。更重要的是,LDI突破了TTL的瓶頸,並將頻寬增加至將近2.8Gbps。做為一種開放標準,LDI沒有專利費用,這讓它在短時間內便成為實際在使用的面板顯示介面標準。
再一次地,瓶頸又開始出現了。隨著面板業者繼續地增加面板尺寸並發展更豐富的色彩,40至50英吋、1080畫素的面板開始成為主流。8位元顏色的面板需要將近3 Gbps的頻寬,這超出了4-pair LVDS介面的能力範圍。甚至是具有數位電影院(Digital Cinema)4096x2160的解析度,且能顯示更深度的10位元和12位元顏色的更大面板也出現了。為符合數位電影院解析度的頻寬需求,便得使用8-Links和40對(808條電線)的匯流排寬度。
在此層級,挑戰再度出現,包括複雜的連接器和配線,以及串音雜訊、數據失準及其他的問題等。LDI現在已成為面板顯示介面的瓶頸,而其他的介面創新則還在等待中。
最小轉換差動信號傳送
1990年代晚期,Silicon Image開始向顯示產業推動該公司擁有專利的標準---最小轉換差動信號傳送(Transition Minimized Differential Signaling,TMDS),此標準沿襲PanelLink、數位影像介面(Digital Visual Interface ,DVI),和高解析多媒體傳輸介面(High-Definition Multimedia Interface,HDMI)的形式。在此標準中,傳送器包含先進編碼演算法,可降低銅線上的EMI,並可在接受端進行時脈回復。
此8位元/10位元編碼為兩階段的過程,可將8位元的輸入轉換為10位元的編碼。相似於LVDS,其使用差動信號,可減少EMI並加速精確的信號傳輸。同樣類似於LVDS,TMDS也是一種序列傳輸方式。
此技術已由DVI成功實現於PC領域中,而HDMI也成功實現於消費性電子產業中。然而,TDMS還無法成為一種被廣泛採用的面板介面標準。取而代之地,沒有專利費用的LVDS則被廣泛採用。此外,現行版本的DVI無法升級,且有其物理、功能和成本上的限制。
DisplayPort
舞台上的新角色是DisplayPort,這是由視訊電子標準協會(Video Electronics Standards Association,ESA)所提出的一種數位顯示介面標準,其在2006年通過初始認證,1.1版本則在2007年4月2日通過認證。此標準建議使用於電腦和螢幕間,或是電腦和家庭劇院系統間的連結。
DisplayPort包含有一個單向主連線(Main Link),以傳輸音訊/視訊串流;以及一個半雙工雙向輔助通道(AUX CH),用以隨插即用。主連線和AUX CH由AC耦合差動對線所構成。主連線具有1、 2或4對線或線路,而AUX CH則有一對,且毋需連接時脈。這讓差動對線可發揮最大的用處。例如,1680 x 1050的面板解析度將可能透過一個單一主連線線路便可達成。就現階段而言,DisplayPort規格可支援高達10.8 Gbps的頻寬,並可經由15公尺線纜提供WQXGA(2560 x 1600)的解析度。
![《圖三 DisplayPort數據傳輸通道(資料來源:VESA)》](/art/2008/11/061526316178/p3.gif)
《圖三 DisplayPort數據傳輸通道(資料來源:VESA)》 |
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DisplayPort為特別針對電腦和顯示螢幕間的連結提供音訊/視訊互連,且沒有權利金及專利金的問題。DisplayPort已獲得AMD/ATI、Dell、IDT、Genesis、HP、Intel、Lenovo、Quantum Data、Molex,和NVIDIA的支持,且這些公司支持此標準繼續擴充。DisplayPort也已被面板業者接受成為面板顯示介面標準,並已開始應用在產品上。
DisplayPort的優點包括能讓液晶螢幕的價格更便宜,加上更佳的效能擴充性,能符合從入門等級到高效能顯示器的廣泛需求和應用。透過微封包架構,DisplayPort更可支援未來的創新。DisplayPort現在已被電腦螢幕所採用。
表一顯示Displayport和其他標準間的差異。在逐項檢視下可清楚發現DisplayPort提供諸多優勢,特別是針對目前的市場。
(表一) DisplayPort和LVDS、 DVI及HDMI間的比較
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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 |
結論
雖然面板顯示技術不斷進步,但現階段的顯示介面標準卻遭逢頻寬的瓶頸。在過去十年間主導顯示介面的LVDS,如今已漸失動力。技術上的瓶頸,正為個人電腦、筆記型電腦顯示,以及液晶電視帶來巨大的架構變革。擁有更高的效能以及產業的支持,採用DisplayPort的產品已準備就緒,將成為驅動顯示介面市場的下一個技術。
--作者Henry Zeng為Integrated Device Technology(IDT)數位顯示部門的應用工程和技術行銷總監。--