LCD顯示器的模擬和數字接口

LCD顯示器的模擬和數字接口

1 模擬接口

模擬和數字視頻信源已經存在了很長時間，模擬視頻常用於臺式機，而數字視頻則在筆記本電腦中比較流行。當前大量計算機使用的模擬視頻輸出，因此保證了模擬接口支持能夠滿足未來幾年的需求。但是最近數字連通性的進展是否意味着模擬數字接口完全可以取代模擬方式，但是醫學超聲和X射線的應用對灰度有嚴格的要求，至少在這兩種應用上暫時不能用數字取代模擬。

使用模擬LCD接口能夠對各種RGB輸入電壓採樣，並保持該採樣信息，然後直接提供給顯示器中每個子象素的驅動晶體管。理論上，在採樣RGB信息時，這一無限高的精度應該有無窮多的灰度級。相反地，數字屏提供的電壓必須是以數字尋址電壓步長爲單位的電壓，不能是任意連續變化的。

模擬接口還簡化了從視頻控制器到LCD間的信號傳送，並且在很長的電纜上都有效，允許顯示器安裝在遠離視頻源的地方。模擬接口只需要5條線（不包括地線）就能運行，即紅、綠、藍、水平同步（Hsync），和垂直同步（Vsync），或者把同步信號和綠色信號加在同一條線上，只需四條線（圖2）。這種簡單接口適用於從VGA到UXGA的寬廣的顯示分辨率範圍。然而，模擬LCD必須接受紅、綠、藍、水平同步和垂直同步信息，然後對水平同步信號採樣，利用LCD接口的鎖相環（PLL）電路來產生象素時給顯示屏提供彩色信息的時間。由於高分辨率需要高信息通量，因此，當今的高分辨屏需要較頻繁和精確的採樣。彩色信息或採樣點的任何不精確都會導致視頻效果很差。彩色信息不精確可能是由於阻抗不匹配、在RGB三基色線上產生反射和過量瞬時擾動的結果。採樣不精確可能是因爲時鐘抖和相位、頻率漂移等問題所致。

模擬屏的設置比數字屏微複雜些。終端用戶必須設置模擬屏的水平線總數(horizontl total)、水平和垂直位置，並且根據視頻卡（video-card）特性來調整時鐘相位。而數字接口不需要這些調整，監視器能自動對中和度量屏幕上的圖像。但數字接口的這個優點只是一個小小的優勢，因爲模擬接口只需要用戶在LCD顯示器第一次與視頻源連接時進行調整就行了。

顯然，所有基於計算機的視頻都源於數字信息。目前的顯示卡必須將數字視頻轉換爲模擬視頻，並且在數字LCD的情況下，監視器須將視頻轉換回數字形式。正如所有轉換過程一樣，這些轉換並不理想。因爲用於數字LCD的數字接口保留了原始的視頻信息，避免了轉換過程，所以極具吸引力。

3 數字接口

最近在連通性、色深度、價格等技術方面的進步推動了數字接口的工業化。在PC市場上出於提高性價比的要求，使得減少電路和降低成本變得尤其重要。將本來的數字視頻信號轉變爲模擬信號，再轉化回LCD監視器中的數字信號，這顯然要比直截了當地用數字信號驅動LCD的耗費要大得多。

由於LCD顯示器的價格已經下降到接近普通計算機用戶的購買能力範圍，因此，數字/模擬/數字轉換接口在價格中所佔比例就成爲更重要的考慮因素。爲了繼續衝擊臺式機市場，LCD必須採用低價位的數字接口。

前幾代數字屏每彩色採用6位，與模擬屏相比，它能顯示的彩色有限。隨着每彩色8位數字驅動器的引進，最新的屏能顯示16.7×106種彩色，可與模擬屏相抗衡（見表1）。

表1 顯示的彩色數 每色位數

每色位數	總彩色位	灰度級	彩色數
6	18	64	262.144
8	24	256	16,777,216
模擬	3模擬	>256	16×106

4 數字連接

數字LCD接口的主要目標是儘量減少導線的數量，降低顯示子系統的總成本。但是，如果採用簡單的並行接口，導線數量就成爲問題（圖3）。例如，爲了支持6位彩色顯示，在加入保證信號完整及抗電磁干擾所必須的屏蔽和（或）多重地線之前，未編碼的接口有22條信號線。

信號編碼能夠簡化難以實用的接口。同時，因爲編碼促使製造商選擇一種編碼方案，又使接口更複雜化。幾家公司和組織曾建議採用低壓差分信號(low-votage ifferential signaling)(LVDS)。這類方案的基礎都是接受和處理低壓差分信號，每種方案具體的實施方式可能不同。
LVDS最初被用於筆記本電腦及工業設備，這種情況下，製造商可完全控制視頻信號源與LCD間的接口。LVDS方案將信號減至只有5組（圖4）。對於筆記本電腦LVDS是一種理想的方案，因爲它工作電壓低，在保證功耗和電磁干擾最小的同時又做到高速數據傳遞，並且由於發送的是差分信號，比起普通信號來，它產生的噪音最小。

由於許多原因，LVDS方案沒有直接用於其它顯示，特別是臺式機的顯示器。首先，分別來自國家半導體公司和德克薩斯儀器公司的兩個最早的LVDS方案互不兼容。但這不是所有的原因。該方案是對視頻源至顯示器距離最短的封閉環境優化的，其有限的帶寬支持的分辨率只有XGA那麼高。這種進步使LVDS很難作爲一種工業上的通用標準。現在通過引進另一種接口技術，已經解決了這個問題。但如果你問某些公司，那麼他採用的技術可能會使LVDS方案更復雜。這種新技術被稱爲轉換最小化差分信號（TMDS）方案，由Silicon Image公司開發並用於該公司的產品PaneLinkTM投入了市場。TMDS與LVDS類似，都採用了小電壓振幅和差分信號傳送。TMDS加上了一個專利協議，實現了直流平衡，並且採用了"異或"（XOR）和"異或非"（XNOR）運算，減少了由高到低和由低到高信號轉換的次數。

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TMDS比LVDS需要更少的信號線(圖5)。此外，TMDS呈現出較高的耐扭曲性、時鐘邊界獨立性(clock-dege independence)和易測量性，支持從VGA到UXGA的單個信號接口。TMDS採用雙股銅線電纜能使數據可靠地傳輸好幾米，採用光纖還可以大大延長傳輸距離。Genesis Microchip公司已經用10m視頻電纜成功地測試了它的接收器/定標器(receiver/scalar)芯片。

自TMDS方案啓動後，國家半導體公司和德克薩斯儀器公司就爲臺式機監視器開發了一種稱爲Open LDI的執行方案。其它一些包括Sony的Gbit視頻接口（GVIF）也曾被提出並付諸實現。

5 標準化幫助

TMDS有一個關鍵的優勢，就是由幾個研究組對其進行了標準化。首先是視頻標準協會（UESA）的插件和顯示(Plug and Display)（P&D）小組，另兩個產業界小組也應允使用TMDS，他們是Compaq公司領導的數字平面(DFP)小組和英特爾、康柏、富士通、惠普、IBM、NEC和Silicom Image等領導的數字顯示工作組（DDWG）。DDWG登記的項目名稱爲數字可視接口（DVI）。這些接口的細節是有差別的，在連通器結構以及是由監視器還是由視頻卡定標等方面有着顯示的區別。然而他們都信賴TMDS，使這些差異在大多數情況下都能利用適配器來相互協調。目前的徵兆是平板顯示行業廣泛採用DVI作爲數字接口。Dell公司推出了裝配有DVI的平面監視器和系統，其集成的視頻子系統有DVI端口，儘管爲安全起見子系統還保留了RGB三基色模擬接口。而其中一個重要的轉變是TI包含的數字可視接口（DVI）中有一系列的多個芯片。

DVI的另一個令人注目的進展是英特爾的高帶寬數字內容保持（HDCP）方案。HDCP致力於解決影響任何視頻源與顯示器之間接口之間的問題，即未保護的接口允許盜版者調走視頻資源（例如從DVD中）。爲了保持DVI輸出信息不被複制，HDCP提供了加密和確認程序，以證實某顯示器件可以接收受保護的內容。該方案的設計保持了圖像的質量，並且其操作對用戶是透明的。有了這種保持，就可考慮用DVI作電視機的機頂盒、數字衛星接收器、高清晰度電視（HDTV）以及PC機的接口等。該接口最初能有支持4.9Gbit/sec的視頻資源，遠遠超過了HDTV的要求，而HDTV的要求，而DVI高達9.9Gbit/sec的雙連接版本則提供了龐大的帶寬淨空間。（DVI的詳細說明請瀏覽www.ddwg.org）

6 支持各種應用

象大多數平板顯示器製造商一樣，筆者所在的NEC公司支持市場所選擇的任何接口。NEC的特殊地位在於它是唯一同時生產模擬接口和數字接口LCD顯示器的廠家。這就給我們提供了一個獨特的視角，由此我們清楚地看到，不同的應用需要不同的接口。綜上所述，NEC認爲DVI是解決許多應用的極好方案，並將支持該方案。

兼顧不同的需求的一種方法是讓LCD中有一個"自身"的LVDS接口來直接支持封閉環境中的應用。對於開放環境則需要一個象DVI這樣的接口，而這只需要一個低價位的標量接收/發送板就很容易解決問題。

無論對何種應用，數字接口的前景都比較看好。這類接口有助於簡化系統的設計，能充分利用AMLCD和其它高分辨平板器提供的高質量圖像。