簡(jiǎn)介
電視機(jī)的發(fā)展在過(guò)去15年來(lái)進(jìn)步神速。諸如液晶顯示器(LCD)和電漿顯示器(plasma)等平面面板技術(shù)的出現(xiàn)，讓冷陰極管和背投影產(chǎn)品逐漸消失。屏幕尺寸快速增加而厚度卻越來(lái)越薄，讓電視機(jī)變成可以掛在墻上欣賞的藝術(shù)品。然而，不只是我們從外觀上可以觀察到的屏幕構(gòu)造產(chǎn)生變化，內(nèi)部的影像接口也不斷在改變。模擬已經(jīng)被數(shù)字所取代，為使用者帶來(lái)一種難以匹敵的觀賞經(jīng)驗(yàn)。
當(dāng)然，就跟每種新興技術(shù)一樣，消費(fèi)者的需求遲早會(huì)超過(guò)系統(tǒng)能達(dá)到的性能。當(dāng)影像格式和屏幕尺寸變大時(shí)，用來(lái)支持它們的頻寬也必須隨之增加。這就在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)上增加了新的需求，一種越來(lái)越難滿足的需求。
TranSwitch推出HDwire進(jìn)入這個(gè)具挑戰(zhàn)性的市場(chǎng)。以榮獲許多一級(jí)多媒體產(chǎn)品采用的先進(jìn)智能財(cái)產(chǎn)權(quán)(IP)高速接口核心和集成電路(IC)聞名的TranSwitch,以突破電視機(jī)中的頻寬瓶頸為目標(biāo)而研發(fā)了HDwire.
但是在我們探究這項(xiàng)最新的技術(shù)發(fā)展之前，讓我們先快速瀏覽一下我們到達(dá)目前發(fā)展程度的方式及原因。
電視技術(shù)的演進(jìn)
約翰洛吉貝爾德(John Logie Baird) 在1925年首次展示行動(dòng)影像的傳輸，這個(gè)突破性的進(jìn)展被公認(rèn)為是電視的首次真正展示。后續(xù)的幾十年間，這個(gè)系統(tǒng)無(wú)疑地有許多更精細(xì)的改進(jìn)，包括廣播方式的進(jìn)步，但電視的基礎(chǔ)仍然相同：接收一個(gè)模擬訊號(hào)然后顯示在玻璃屏幕上。彩色取代了黑白、背投影產(chǎn)品補(bǔ)足了冷陰極管(CRT)的不足、纜線和衛(wèi)星變成傳輸?shù)拿浇�，但是最終電視還是一臺(tái)模擬的顯示器。
所有的一切在1990年代中期全世界第一臺(tái)高分辨率平面電視出現(xiàn)之后發(fā)生了變化。使用電漿技術(shù)的新電視，厚度只有CRT的一小部分。緊接著很快出現(xiàn)新的接口技術(shù)，例如數(shù)字影像接口(DVI)和高分辨率多媒體界面(HDMI)，這些都預(yù)告了模擬電視轉(zhuǎn)變成數(shù)字電視的趨勢(shì)。
然而，這只是個(gè)開(kāi)端。HDMI讓播放格式尺寸不斷增加的高分辨率影像可以在我們的家用娛樂(lè)系統(tǒng)上顯示。對(duì)頻寬的要求開(kāi)始增加，現(xiàn)有電視構(gòu)造的限制開(kāi)始越加明顯。
平面電視構(gòu)造
如果我們簡(jiǎn)單看看平面電視的主要零件，將會(huì)發(fā)現(xiàn)：
- 顯示面板 (電漿、液晶顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管)
- 時(shí)序控制器(Tcon)板，用來(lái)驅(qū)動(dòng)面板
- 影像處理器板，上面有系統(tǒng)單芯片(SoC)IC.負(fù)責(zé)把自訊號(hào)源接收進(jìn)來(lái)的信息流轉(zhuǎn)換成Tcon的正確格式。
- 電源供應(yīng)模塊
圖1:一般平面電視拆解圖
當(dāng)平面電視的尺寸還很小的時(shí)候，SoC和Tcon可以固定在同一塊印刷電路板(PCB)上。不過(guò)，當(dāng)屏幕尺寸增加之后，繼續(xù)用一塊大型的PCB就變得太昂貴(也太重)，因而逐漸形成兩塊板子的解決方案。
當(dāng)SoC和Tcon放在不同的PCB之后，就需要一種相互連接的技術(shù)來(lái)傳輸他們之間的訊號(hào)，在1990年代中期，電視制造商采用LVDS接口技術(shù)做為實(shí)際上的標(biāo)準(zhǔn)。
LVDS技術(shù)
LVDS(低電壓差分信號(hào))是由國(guó)家半導(dǎo)體在1990年代初所研發(fā)的，于1996年首次使用在電視機(jī)中。16年后，它仍然是此項(xiàng)應(yīng)用的主導(dǎo)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的真實(shí)名稱實(shí)際上是平面顯示器連結(jié)(FPD-Link)，但是因?yàn)樗荓VDS的第一個(gè)大型應(yīng)用，因此很多工程師將FPF-Link和LVDS做為同義詞使用。
LVDS被定義在ANSI/TIA/EIA-644-A標(biāo)準(zhǔn)中，這是由數(shù)據(jù)傳輸接口委員會(huì)TR30.2于1995
年發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。它是低電壓、低功率的差分技術(shù)，主要使用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)連接的接線驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。此標(biāo)準(zhǔn)建議最大數(shù)據(jù)率655 Mbps,但最近推出的高速LVDS的限制已增加到大約1.2Gbps.
LVDS是設(shè)計(jì)為每個(gè)時(shí)脈可驅(qū)動(dòng)7 個(gè)資料位。每5條資料信道就需要一條單獨(dú)的時(shí)鐘信道，而這就表示要增加大約16%的纜線固定成本。
LVDS及其擴(kuò)充性
LVDS已經(jīng)在業(yè)界盛行多年，近來(lái)分辨率和播放格式的進(jìn)展已經(jīng)導(dǎo)致頻寬增加不少。具有60Hz和120Hz更新頻率的電視已經(jīng)在商店內(nèi)販?zhǔn)郏?012年的CES展甚至還陳列了4Kx2K的電視。因此，用來(lái)支持這些頻寬的LVDS線路的數(shù)目已增加頗多，導(dǎo)致電視制造商增加更多生產(chǎn)上的成本和復(fù)雜性。
隨著市場(chǎng)預(yù)估有較高更新頻率的電視出貨數(shù)目會(huì)穩(wěn)定成長(zhǎng)，LVDS的限制將變得更加明顯。成本壓力和工程限制將會(huì)迫使電視制造商尋求替代的解決方案。
圖2:60/120/240Hz電視出貨預(yù)估
HDwire-取代LVDS的終極方案
TranSwitch所研發(fā)的HDwire提供了一個(gè)可替代LVDS 的先進(jìn)方案。HDwire使用進(jìn)階的信
號(hào)技術(shù)，可以用低價(jià)且簡(jiǎn)單的扁平電纜取代多條LVDS纜線。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)能以少量線材和更簡(jiǎn)易的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化面板的相互連接方式。
HDwire接口可包含多達(dá)12條、每一條可支持5.0Gpbs的順向信息信道，和可支持1.25/2.50Gpbs的可選用的反向數(shù)據(jù)信道。這個(gè)接口可以支持每個(gè)色彩12位、分辨率4K x 2K、更新頻率120Hz(53.5Gpbs)，以及每個(gè)色彩12位、分辨率8K x 4K、更新頻率30Hz(53.5Gpbs)的顯示面板。HDwire提供比其它技術(shù)更低的EMI,因此不只簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)還能降低成本。HDwire被設(shè)計(jì)為可透過(guò)FR4 FPCB、FFC軟排線和現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)纜線，在使用最低功耗、低位錯(cuò)誤率(BER)的情況下即可讓超高速影像運(yùn)作。
圖3:HDwire系統(tǒng)應(yīng)用
當(dāng)我們拿HDwireTM和LVDS解決方案相比，只需要一半頻寬(1080p、240Hz、 12位色彩產(chǎn)出、26.7Gbps)的HDwireTM接口，其簡(jiǎn)單及具成本效益的優(yōu)勢(shì)就變得更明顯了。
圖4:針對(duì)1080p/240Hz電視(SoC板附畫(huà)面頻率變頻器)的LVDS解決方案
HDwireTM有一項(xiàng)比LVDS更佳的優(yōu)勢(shì)，它的連結(jié)包括一條高速反向頻道，可以自Tcon板將數(shù)據(jù)傳送到SoC板。一般這個(gè)功能是透過(guò)使用I2C執(zhí)行，但是這個(gè)通訊協(xié)議的頻寬量有限，每秒只有數(shù)個(gè)兆位。HDwireTM采用的反向信道是以和順向信息信道相同的技術(shù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1.25/2.5Gbps.這個(gè)高速反向連結(jié)有許多用處，例如可以用來(lái)將電視前框上的照相機(jī)連接到應(yīng)用處理器，可以讓整體視訊會(huì)議的流程更順暢。觸控面板的資料也可以透過(guò)反向信道傳送，讓使用這種新興功能變的更簡(jiǎn)單。
使用更便宜的纜線
HDwire技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一就是它可以透過(guò)低成本的纜線完成高速的信號(hào)傳輸。排除對(duì)高成本LVDS排線的需求，使得HDwire解決方案省下不少成本。TranSwitch的技術(shù)展示是使用軟排線(FFC)作為高速媒介，HDwire的設(shè)計(jì)可以透過(guò)這種最長(zhǎng)達(dá)1公尺的簡(jiǎn)單線材運(yùn)作。FFC和線材端子的相加成本比具備相同效用的LVDS成本要低很多，不需要降低任何最新款屏幕必備的高分辨率畫(huà)質(zhì)就能輕易省下這些成本。
維持低功耗
隨著消費(fèi)者的環(huán)保意識(shí)日漸增加，電視的消耗功率現(xiàn)在也變成前所未見(jiàn)的熱門話題。屏幕尺寸的增加，加上實(shí)際的顯示技術(shù)，意味著現(xiàn)在購(gòu)買新電視時(shí)，屏幕的消耗功率變成一個(gè)重要的考量因素。能源之星(Energy Star)在他們最近將于2012年5月發(fā)表的規(guī)格中(版本5.0)，將32吋電視的開(kāi)機(jī)時(shí)最大功率限制為55W,而50吋電視則是108W(相較之下，版本3.0的數(shù)字高達(dá)120W和353W)。這表示在分配系統(tǒng)的功率限額時(shí)，電視中的每個(gè)電路都會(huì)受到嚴(yán)密的檢查。
幸好，HDwire技術(shù)的功率消耗本來(lái)就很低。此設(shè)計(jì)使用預(yù)驅(qū)動(dòng)器，以比不歸零編碼(NRZ)還低的頻率運(yùn)作，可減少訊號(hào)源的功率消耗。這會(huì)幫助減少二重像和纜線輻射。此外，采用的訊號(hào)傳輸方法是使用多重訊號(hào)層，多數(shù)訊號(hào)是在低于完全電壓的層產(chǎn)生的。這也更加降低了系統(tǒng)的功率消耗。
反向信息信道
除了順向數(shù)據(jù)頻道之外，HDwire還整合了反向數(shù)據(jù)信道，可將數(shù)據(jù)從面板傳送到SoC.此信道可以1.25/2.50Gbps的速度運(yùn)作，是將整合在電視面框上的相機(jī)連接到應(yīng)用處理器的理
想導(dǎo)管。這個(gè)反向信道比目前大多數(shù)電視使用的獨(dú)立I2C連結(jié)更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗乃俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)I2C連結(jié)可提供的少量的Mbps.此外，因?yàn)樗呛同F(xiàn)有的設(shè)計(jì)和纜線整合在一起
,因此反向信道可節(jié)省額外成本并降低復(fù)雜度。
EMI優(yōu)勢(shì)
除了HDwire單純功能上的優(yōu)點(diǎn)之外，這項(xiàng)技術(shù)在電磁干擾(EMI)的也大大的改善。EMI是雙絞線發(fā)射出來(lái)的輻射電場(chǎng)。它是因?yàn)樯a(chǎn)纜線時(shí)的小瑕疵所造成的，卻會(huì)對(duì)電視設(shè)計(jì)者造成大問(wèn)題。發(fā)射出的干擾會(huì)造成電視機(jī)內(nèi)部的電路以及鄰近的電器受到干涉。因此，降低EMI成為CE產(chǎn)品的關(guān)鍵要求也就不令人意外了。
一條雙絞線共享訊號(hào)發(fā)射出的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度可以下列公式表示：
E =從距離線材R的位置測(cè)出的電場(chǎng)強(qiáng)度[V/m]
f = 共享電流零件的正弦波頻率[Hz]
Icomm = 共享電流[A]
Len = 散發(fā)輻射的雙絞線長(zhǎng)度[m]
R =從線材到電場(chǎng)量測(cè)位置的距離[m]
因?yàn)榫�材不是完美的(例如，差分對(duì)內(nèi)延遲差)，差動(dòng)發(fā)射訊號(hào)造成共享訊號(hào)(SCD11)。差動(dòng)發(fā)射漏電至到共享訊號(hào)，可以透過(guò)散射參數(shù)SCD11, SCD22 , SCD21 和 SCD12量測(cè)出來(lái)。根據(jù)前述公式，共模訊號(hào)輻射成為共模訊號(hào)的EMI.共模訊號(hào)的EMI比差模訊號(hào)的EMI更強(qiáng)，在EMI量測(cè)中更加重要。
HDwireTM使用先進(jìn)的信號(hào)傳輸技術(shù)，和其它技術(shù)使用的不歸零編碼(NRZ)相比，EMI可大幅降低。分析顯示，和NRZ相比，EMI輻射可降低約5.5dB,降低對(duì)抑制EMI技術(shù)的需求，也可以幫助簡(jiǎn)化電視設(shè)計(jì)。EMI輻射和發(fā)射器頻譜及頻寬具有等比例的關(guān)系，HDwireTM的EMI表現(xiàn)改善可以歸因?yàn)橐韵聨醉?xiàng)重要因素：
- 信號(hào)傳輸頻寬比NRZ少
- 功率強(qiáng)度比NRZ低
- 升/降時(shí)間比NRZ慢
下圖說(shuō)明EMI的改善成果
圖5:HDwire EMI表現(xiàn)與NRZ EMI表現(xiàn)之比較
為了判定EMI成果，首先必須要使用網(wǎng)絡(luò)分析儀量測(cè)一般雙絞線的S參數(shù)。這個(gè)S參數(shù)會(huì)使用在Matlab的仿真中，以決定產(chǎn)生共模EMI的差模-共模訊號(hào)的效用。從上圖中可看出結(jié)果顯示HDwire信號(hào)傳輸在關(guān)鍵的2.5GHz-3.5GHz頻率產(chǎn)生非常少的EMI.
HDwire成本優(yōu)勢(shì)
HDwire優(yōu)于LVDS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在前述文章中詳加討論過(guò)了。不過(guò)，許多電視制造商感興趣的是轉(zhuǎn)換到這項(xiàng)新技術(shù)可省下的成本。下圖顯示出一臺(tái)4Kx2K電視的HDwire和LVDS的一般生產(chǎn)成本的比較。
圖6:使用HDwire的4K電視系統(tǒng)的節(jié)省成本
確切減少的成本無(wú)疑地是取決于許多變量(例如數(shù)量)，但是上述圖標(biāo)可用來(lái)說(shuō)明哪些部份可省下成本。使用HDwire橋接IC結(jié)合現(xiàn)有的SoC和Tcon芯片可以減少多達(dá)一半的零件成本。 不過(guò)，當(dāng)個(gè)別整合HDwire發(fā)射器和接收器IP(智能財(cái)產(chǎn)權(quán))核心在SoC和Tcon時(shí)，可能省下的成本會(huì)大大地增加。
HDwire特色功能列表
下圖是HDwire橋接IC技術(shù)的部份關(guān)鍵特色(圖標(biāo)為接收器)：
- 整合6條順向信息信道(可擴(kuò)充至12條)，每條信道傳輸率5Gbps,以及1條反向信息信道
- 支持最大達(dá)100cm的FPCB,BER低于10-12
- 符合顯示面板的大范圍像素時(shí)脈
- 支持60Hz、120Hz和240Hz的面板更新頻率
- 異步HDwire輸入和4信道LVDS輸出- 虛擬隨機(jī)模式產(chǎn)生電路(PRBS)
- 支持低擺幅LVDS以降低EMI和功耗- 整合8051 MCU和RAM及ROM- 功率下降模式
圖7: HDwire電路圖及特色表
HDwire系統(tǒng)
下圖8說(shuō)明一般的HDwire系統(tǒng)，顯示如何將HDwire橋接IC整合到現(xiàn)有的板子設(shè)計(jì)中以支持此新接口。
圖8: 一般使用橋接IC的HDwire系統(tǒng)
TranSwitch的HDwire產(chǎn)品也可以透過(guò)智能財(cái)產(chǎn)權(quán)(IP)核心的方式提供。讓SoC和Tcon廠商可以將此新技術(shù)整合到他們的IC中，代表這些裝置可以供應(yīng)給內(nèi)含HDwire的電視/面板制造商。如此的整合方式帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)及附加價(jià)值對(duì)生產(chǎn)商將會(huì)非常有益。
競(jìng)爭(zhēng)力分析
既然已知LVDS的限制，那么出現(xiàn)其它與LVDS競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)也就不足為奇了。以下是作者寫(xiě)作本文時(shí)為作者所知的可替代LVDS的技術(shù)：
‐ HDwire
‐ V‐by‐One / V‐by‐One HS
‐ eDP
‐ iDP
V-by-One / V-by-One HS
V-by-One是由Thine電子公司研發(fā)的技術(shù)，用以取代LVDS.雖然目前V-by-One的市場(chǎng)占有率還很小，但是已經(jīng)有一些電視制造商轉(zhuǎn)換到這個(gè)相對(duì)新的技術(shù)。LG是其中一個(gè)制造商，他們?cè)?011年宣布改用V-by-One.
Thine意識(shí)到顯示器格式需要更大的頻寬，在2011年12月發(fā)表V-by-One 的1.4版 V-by-One HS.此規(guī)格的HS版本支持最高4Gbps數(shù)據(jù)傳輸率(有效傳輸率3.2Gbps)。
這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵特色如下：
·可擴(kuò)充順向資料和時(shí)脈的Serdes組(序列器/解除序列器)數(shù)量，目前IC支持2條順向信道。
·支持最高4K x 2K、更新頻率240Hz、每個(gè)色彩12位(使用于多個(gè)IC上的32條信道)
·嵌入式時(shí)脈，接收器不再需要參考時(shí)脈。
eDP
嵌入式DisplayPort(eDP)是VESA推出的以DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的技術(shù)，用以取代LVDS.1.0版本于2008年12月推出，2011年2月發(fā)表1.3版本。eDP似乎是在筆電市場(chǎng)較有進(jìn)展，在電視領(lǐng)域好象不太成功。
這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵特色如下：
·支持最高順向信道的4組Serdes及時(shí)脈，每組傳輸速率5.4Gbps(有效數(shù)據(jù)傳輸率為每組4.3Gbps)。
·有1條做為控制功能使用的1Mbps的回傳信道
·目前支持的最大面板分辨率為8位4Kx2K@60Hz.
iDP
iDP(內(nèi)部DisplayPort)是另一個(gè)VESA標(biāo)準(zhǔn)，此規(guī)格的版本1于2010年4月發(fā)表，用以取代LVDS.此技術(shù)是以簡(jiǎn)化的DP通訊協(xié)議為基礎(chǔ)。
iDP的關(guān)鍵特色如下：
·每條信道數(shù)據(jù)傳輸率固定為3.24Gbps
·沒(méi)有AUX信道
·嵌入式時(shí)脈(8B10B編碼)
·彈性頻寬(每數(shù)據(jù)庫(kù)最多16組，可超過(guò)1個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù))
·根據(jù)VESA網(wǎng)站資料顯示，iDP是以大型屏幕顯示器內(nèi)的連接為目標(biāo)，而eDP則是針對(duì)筆記型計(jì)算機(jī)的GFx和面板間的連接。
自從iDP標(biāo)準(zhǔn)在2010年第一次發(fā)表之后，就沒(méi)有其它新版本繼續(xù)發(fā)表。而且ST Micro網(wǎng)站上和iDP有關(guān)的最新新聞發(fā)布是2010年11月(LVDS-iDP Bridge ICs)。因此，這項(xiàng)技術(shù)看來(lái)似乎是已經(jīng)暫停了。
下列表為和LVDS相關(guān)的每項(xiàng)技術(shù)的比較表
表：面板互相連接之技術(shù)比較
HDwire的每個(gè)IC總計(jì)有30G
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