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10G傳輸競爭:DisplayPort vs. HDMI
高畫質傳輸介面再升級

【作者: 歐敏銓】   2008年07月04日 星期五

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今日的數位產品,不論是電腦、電視或消費性產品,對於內部和外部數據傳輸的速度要求愈來愈高,目前已進入10Gbps的高速傳輸等級,而且被要求採數位方式來傳輸。在此情況下,傳統的VGA及上一代的DVI、LVDS等規格已顯得不敷使用。2002年推出的高解析度多媒體介面(High-Definition Multimedia Interface;HDMI)已成為數位電視必要的介面技術,目前已有1億多台數位電視採用了HDMI介面,預估到了2010底將可達到2.5億。在此基礎下,HDMI正積極將市場擴展到可攜性的消費性電子產品領域,如數位相機、可攜式媒體播放器(PMP)和手機等。


在此同時,DisplayPort也蓄勢待發,準備在PC、筆記型電腦和液晶顯示器領域中替代已過時的VGA、DVI和LVDS等介面技術。就長遠來看,DisplayPort也以數位電視應用為目標。在去年DisplayPort仍只是一個計畫中的技術名詞,不過,今年起已進入商品化的階段,包括AMD、英特爾(Intel)、IDT(Integrated Device Technology)、Genesis Microchip和Parade Technologies等公司都陸續推出可用的晶片,例如用於新型顯示器的時序控制器(timing controller;TCON)和其它支援性晶片,而包括戴爾(Dell)、三星(Samsung)都已推出採用DisplayPort的液晶顯示器或投影機。


此外,英特爾針對PC和筆記型電腦推出的新一代Cantiga PC晶片組,可同時支援HDMI、DVI、VGA和DisplayPort,而DisplayPort被定義為英特爾主機板與外部連接埠的主要互連技術。英特爾已明確指出,該公司所有主流的PC晶片組未來都將支援DisplayPort。加上AMD也同樣支持DisplayPort,預估到了今年底時,主流的PC、筆記型電腦和顯示器中都會開始採用DisplayPort。


這是一個每年達數千萬出貨量的市場,所以DisplayPort確實有與HDMI一爭長短的條件。相較於HDMI,DisplayPort不收取專利費,也不要求OEM廠商嚴格限制其應用領域,因此未來電視業者也可能轉而支援DisplayPort,用於內部或外部的連結。以下將介紹DisplayPort的技術特性,以及與HDMI的異同比較。


強調開放性的VESA組織

DisplayPort是由視訊電子標準協會(Video Electronics Standards Association;VESA)所核定的新一代視訊輸出介面,其發展的目的是為了在PC與零組件間提供一種互通性的數位連接介面標準,此標準符合開放性並具有延伸性。加入此組織的重要廠商如下:


  • ●晶片廠商:Intel、AMD、nVidia、Genesis、Analogix


  • ●系統廠商:Dell、HP、Lenovo


  • ●顯示器廠商:Samsung、LG.Philips


  • ●連接器/纜線廠商:Molex、JAE


  • ●測試廠商:安捷倫、太克、Unigraf和Quantum data



由於有這麼多大廠進場背書,也讓DisplayPort的支持度看漲,過去四年來VESA的企業成員數目以每年超過20%的成長率持續增加,目前已有超過180家的會員廠商。


身為DisplayPort的制定組織,VESA強調其獨立色彩,以類似IEEE的透明程序來制定及修正推動標準的更新。除了允許所有的VESA會員可以針對未來的標準提出建議改善和投票外,也對非會員採取開放態度,提供合理而非差別待遇的授權。


除了制訂DisplayPort規範外,VESA也訂定了DisplayPort的一致性測試(compliance test)標準,並在去年舉辦了三場的DisplayPort插拔測試大會(Plugtests)。DisplayPort工作小組目前已完成DisplayPort電器介面與數據協定一致性的測試規範。這些測試包括一部分的DisplayPort標誌(logo)計畫。此計畫的管理為一致性測試的諮詢公司VTM,另外在全球各地成立授權測試實驗室,如台灣的百佳泰(Allion),這些單位採用經認證過的測試儀器為廠商的產品進行一致性測試。


DisplayPort技術特性

在PC、筆記型電腦的領域,過去的數位多媒體介面有對外及對內兩種標準,外部box-to-box採用DVI,而內部Chip-to-chip連結則採用LVDS。DisplayPort的出現,即訴求以更高的頻寬線路比來一統江湖,並能減少傳輸線的使用、簡化設計的複雜度、提供彈性的傳輸效能,以及提供創新的功能。DisplayPort由三部份組成,分別為主鏈路(Main Link)、輔助通道(AUX CH)和熱插拔訊號檢測(Hot Plug Detect;HPD),請參考圖一,其中熱插拔訊號實現終端設備(Sink Device)中斷請求,主鏈路、輔助通道和其它特性簡介如下:



《圖一 DisplayPort組成及運作架構 》
《圖一 DisplayPort組成及運作架構 <資料來源:Analogix>》

主鏈路

DisplayPort的主鏈路由4條線路(Lane)組成,每條線路為交流耦合(AC-coupled)的差分對線(differential pair),並支援兩種傳輸速率:2.7Gbps或1.62Gbps。採用DisplayPort可以彈性使用1、2或4條線路,若採用4條2.7Gbps的線路,可以實現最高10.8Gbps的傳輸速率。設備業者可依實際應用的頻寬需求、Tx/Rx功能和通道品質來決定需要用到幾條線路。


這種彈性讓DisplayPort可應用於各種顯示畫質,請參考表一,而不同線路數與傳輸率可達到不同的畫質表現,請參考表二。此外,各種色深(color depth)、解析度和畫面刷新頻率都可以自由轉換,當使用2.7Gbps的傳輸速率,DisplayPort可以支援最高視訊解析度請參考表三。



《表一 DisplayPort可彈性應用於各種顯示畫質》 - BigPic:926x272
《表一 DisplayPort可彈性應用於各種顯示畫質》 - BigPic:926x272

《表二 不同線路數與傳輸率可達到的畫質表現》 - BigPic:923x217
《表二 不同線路數與傳輸率可達到的畫質表現》 - BigPic:923x217

《表三 使用2.7Gbps的傳輸速率,DisplayPort可以支援最高視訊解析度》 - BigPic:923x218
《表三 使用2.7Gbps的傳輸速率,DisplayPort可以支援最高視訊解析度》 - BigPic:923x218

輔助通道

輔助通道是由一對交流耦合差分線組成的雙向、半雙工通道,用於傳輸狀態資訊、控制命令等。在DisplayPort的傳輸中採主從架構,所有通訊都必須由源端設備(Source Device)發起,終端設備(Sink Device)也可以透過熱插拔訊號來提出通訊請求。輔助通道在15公尺的傳輸距離上能提供1Mbps的穩定傳輸頻寬,此頻寬遠高於目前廣泛用於HDTV遙控器的100Kbps HDMI-CEC控制機制。它同時要求傳輸延遲需做到在500us內完成,其突發數據(burst data)相當或小於16Byte。


分層結構

DisplayPort分層結構包含實體層(PHY layer)及鏈路層(Link layer),其中,終端設備傳輸層的DisplayPort配置數據(DisplayPort Configuration Data;DPCD)描述了該設備的能力,並儲存鏈路的相關資訊,如鏈路是否同步等。鏈路與設備服務透過讀取終端設備DPCP和延伸顯示辨識碼(Extended Display Identification Data;EDID),識別其工作能力和狀態,分別在鏈路級和設備級配置和維護傳輸。


由於DisplayPort傳輸線路採用交流耦合,發送端和接收端有不同的共模電壓,這使晶片可以擁有更小的特徵尺寸,也方便了DisplayPort與其它新興高速數位介面(如PCI Express)的連接、耦合。


接頭、連接器與線長

DisplayPort的目的是取代對內及對外的傳統連接線,因此有內部及外部兩種接頭。內部接頭僅寬26.3mm、高1.1mm,尺寸比LVDS小30%,內接DisplayPort允許的線路長度達610mm,這在設計大尺寸DTV時非常有用。外部接頭有兩種,一種是標準型,尺寸為16×4.7mm,與HDMI type A相似(~14×4.5mm),但多了一個可讓接頭反扣於連接處的牢固設計;另一種則是小尺寸的低矮型(Low Profile),適合超薄型筆記型電腦及特殊需求PC使用。


外部連接器用於PC、筆記型電腦、顯示卡和顯示器等設備的連結,它有20個Pin腳;內部連接器則用來連接設備內部的繪圖引擎和面板驅動裝置,它有32個Pin腳。以50/60Hz來傳輸1080p(24bpp)解析度視訊,DisplayPort最長可傳輸15公尺;若採用全頻寬傳送,則可達3公尺。其線材可以是銅線,也可以是光纖。


Direct Drive

直接驅動(Direct Drive)為DisplayPort的一項關鍵性技術。傳統的顯示架構中,在PC的顯示卡端,必須在北橋中支援Graphic PLL和RAMDAC的功能,而且需外掛HDMI或DVI的發射器(Tx),在顯示器端也得外加一些額外的元件,如ADC、接收器(Rx)、OSD、縮放控制器(Scaling)、MCU、LVDS Tx等,相當複雜。在DisplayPort的直接驅動架構下,OSD和Scaling的功能都交給PC端,可以大幅減少電腦的顯示技術架構,而且能降低LCD顯示器的成本,並設計生產尺寸更小、更便宜的液晶顯示器。兩種架構的比較請參考圖二。在今年的Computex已有廠商推出此種架構的產品。



《圖二 Direct Drive直接驅動架構與傳統方式比較 》
《圖二 Direct Drive直接驅動架構與傳統方式比較 <資料來源:Analogix>》

DisplayPort vs. HDMI:異同比較

DisplayPort和HDMI有許多的技術相似性,兩者皆屬於傳輸未經壓縮、全數位化音訊/視訊的介面,透過單一纜線就能同步整合影音訊號。在像素色深(color depth)上每個色彩元件可達16位元(48bpp),內容保護機制上同樣支援HDCP,也支援CEA861的數位音訊封包格式。兩者同樣支援24,30,36位元的RGB或YCbCr色域標準,但HDMI已開始支援新一代色域標準xvYCC,使得色彩呈現範圍更加寬廣,其色彩顯示為目前色域範圍的1.8倍,能夠實現更接近自然色的逼真畫面。其他的重要差異還包括:


編碼方式

相較HDMI採用專屬的最小化傳輸差分訊號(TMDS)編碼方式,DisplayPort的主鏈路上採用業界標準的ANSI 8B/10B編碼,此技術的好處是時脈信號已內嵌於資料線路內,而HDMI每組鏈結還需要額外1組時脈對線來配合傳輸。兩種技術各有優缺點,都需針對電磁干擾(EMI)做出防治:在高速傳輸下較容易產生偏斜(skew),TMDS可在維持直流平衡之下,將訊號0與訊號1變化壓到最低,可有效減少電磁干擾;採用8B/10B編碼方式的DisplayPort,其訊號0與訊號1變化次數多,因此必須運用展頻(Spread Spectrum)時脈技術來抑制電磁雜訊峰值。


微封包vs.交換式傳輸

DisplayPort的另一個特色為採用微封包架構(Micro-Packet Architecture),也就是將視訊、音訊數據串流都被封包化為微封包,再在主鏈路上傳送。相較於HDMI以類似交換式的光柵掃描(Raster Scan)即時方式傳輸視訊,DisplayPort採用真正的封包方式傳輸,使數據完整性得到了大幅提升,可達1E-12,超過了HDMI標準的1E-9。不僅如此,微封包架構允許在同一條線路中傳輸多組視訊,相較之下,交換式傳輸限定一條鏈路只能傳輸一組視訊。請參考圖三。



《圖三 DisplayPort的微封包架構 vs. HDMI的光柵掃描架構 》
《圖三 DisplayPort的微封包架構 vs. HDMI的光柵掃描架構 <資料來源:Analogix>》

收費策略

除了技術上的差異,另一個備受關注的議題在於兩大制定組織的收費策略。HDMI最為人垢病的地方,即是進入的費用門檻太高,參與HDMI Licensing組織的年費達1萬美金,此外還要負擔龐大的權利金與測試費用。相對於VESA,HDMI組織顯得封閉性相當高,該組織由7個主要創始公司主導,使用者必須支付授權費和權利金。VESA則強調為非營利組織,與HDMI最大的不同處即在於使用者不需支付權利金(royalty-free)(連接器製造商例外,必須支付Molex公司專利費),而且在使用上不會有限制。


應用領域

目前HDMI已廣泛應用於數位電視、機上盒、DVD播放機、電視遊樂器、擴大機、數位音響等家庭娛樂產品中,並積極拓展其應用領域,如PC/筆記型電腦和可攜式消費性電子產品。相較之下,DisplayPort仍是初生之犢,其應用仍鎖定在PC顯示的領域,主要是顯示器、筆記型電腦和視訊源端(如顯示卡)的應用。


以顯示器來說,目前通常採用VGA或DVI介面來連結顯示器,此架構中的顯示面板需採用LVDS來驅動時序控制器(TCON),使得顯示器主板的設計相當複雜,若採用上述的直接驅動(Direct Drive)架構,則可以大幅簡化顯示器的內部設計。


採用先進的高速DisplayPort也有助於簡化筆記型電腦的設計。由於筆記型電腦鉸鏈(Hinge)空間有限,而LVDS的每組對線僅有0.945Gbps的傳輸率,若採用LVDS要做到WUXGA的畫質,必須使用20條傳輸線才能做到,這將造成設計上的困擾;換成採用DisplayPort,那只要8條線路即可做到,不但能簡化設計,還能節省空間,讓筆記型電腦有更多空間可利用,或設計出更小尺寸的產品。請參考圖四。



《圖四 採用DisplayPort能簡化Notebook設計 》
《圖四 採用DisplayPort能簡化Notebook設計 <資料來源:Analogix>》

兩大標準未來展望

HDMI

隨著HDTV的盛行,可攜式設備也開始訴求能傳輸full HD(1080p)的視訊內容,這時就有需要延伸HDMI的介面來提供高頻寬數位內容保護(HDCP)技術來傳輸加密的高畫質視訊。美商晶像(Silicon Image)在今年初推出其行動高畫質連結(Mobile High-Definition Link;MHL)晶片,其目的就是要滿足這項訴求,這是該公司提出的個人娛樂網路(Personal Entertainment Network;PEN)計畫的一環。


MHL將標準HDMI連結中的三個最小化傳輸差分訊號通道縮減成一個,並在行動設計中嵌入一個最新型發射器,以及將一個全HDMI橋接晶片置於一個單獨的接線式支架(wired cradle)中,能為行動設備實現平均功耗只有60mW、速度達到2.25Gbps的連接,而且這個鏈路貫穿了所有5個接腳,可以傳輸到設備上任何現有的連接器。不過MHL的價格仍然太高,遠遠超過消費者可接受的範圍,分析師預估至少要三年時間來降低成本。


HDMI的另一個發展是與USB的結合。USB Implementer論壇準備在2008年推出USB的修改版,將應用於在顯示設備和行動設備之間,進行壓縮高畫質視訊的傳輸。該組織表示,該技術將是傳輸未壓縮視訊的HDMI技術的補充,其開發人員將把HDMI的HDCP編碼作為該新版USB的最重要部份。不過,USB與PC及PC周邊(如印表機)的關聯性更大,因此讓USB與電視連結的訴求看來仍不明顯。


DisplayPort

DisplayPort雖然是新出爐的技術,但其規格仍在不斷地增強及延伸中。VESA預計在2008、2009年提出2X的新速率標準,屆時Main Link將達21.6Gbps,輔助通道也可能提升到480Mbps,可望使之成為類似USB的連接器。然而這些提升都不需要再對接頭、接線進行變更。


此外,VESA組織日前發表最新的DisplayID和行動顯示數位介面(MDDI)標準,以及延伸顯示辨識碼(EDID)的1.4版規範。VESA也在開發一種尺寸很小的小型連接器,讓一個4晶片、半尺寸繪圖卡可以容納四個這種連接器,這將適用於行動產品之中。


結論

今日的數位世界,為了原音、原影的重現,整個產業鏈的規格不斷向上提升,而傳輸介面正是其中的一環,目前已進入10Gbps的高速時代。當然,今日的高速在明日可能又顯得落伍了,但這畢竟是一個劃時代的速度,讓我們能體驗HD的畫質與高傳真的音訊。在HDMI獨佔鰲頭多年後,DisplayPort終於登場了。它顯然不是省油的燈,除卻技術的特性,在開放性和royalty-free的訴求,以及PC市場的廣大基石上,絕對是HDMI不容輕忽的競爭對手。


(作者為電子技術資深自由作者)


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