便攜式設(shè)計(jì)的高速視頻總線(xiàn)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

猶記在1980年的時(shí)候，一位朋友在Commodore 64屏幕上繪制出第一幅萬(wàn)寶路煙盒的計(jì)算機(jī)圖像。他利用DOS操作系統(tǒng)編寫(xiě)出一套軟件程序，將各個(gè)像素和像素域的色彩值及地址輸出到 CRT 屏幕上，花費(fèi)幾小時(shí)的時(shí)間完成紅、黑和白三色影像。如今，技術(shù)的發(fā)展完全不可同日而語(yǔ)！不論是專(zhuān)業(yè)的美工人員，還是對(duì)于如何正確調(diào)整像素位置一竅不通的門(mén)外漢，都能設(shè)計(jì)出影像。顯示設(shè)備不只配備高級(jí)的電子組件，更有引人注目的美學(xué)設(shè)計(jì)和可移植性。數(shù)字顯示技術(shù)使得彩色影像無(wú)處不在，客廳里視頻管線(xiàn)所能達(dá)到的傳輸速率如今已接近令人難以置信的330×1010b/s。那段煙味彌漫和充斥DOS影像的日子已經(jīng)一去不復(fù)返，相當(dāng)令人慶幸！

行動(dòng)產(chǎn)品視頻發(fā)展歷程回顧
由于數(shù)字處理技術(shù)不斷演進(jìn)，嶄新的個(gè)人計(jì)算世界才得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而引起大流量數(shù)據(jù)傳輸管線(xiàn)的需求。在投影技術(shù)主要采用CRT屏幕的年代，視頻數(shù)據(jù)大多被編碼為模擬信號(hào)，并且在阻抗受到控制的環(huán)境中可達(dá)到絕佳的傳輸效果。但模擬顯示器并不適用于便攜式電子產(chǎn)品。直到液晶顯示器的問(wèn)世，便攜設(shè)備才真正能顯示視頻，視頻接口從此便完全數(shù)字化。對(duì)屏幕分辨率要求較低的小屏幕而言，CPU接口是最常見(jiàn)的解決方案。這只是一種從視頻來(lái)源到顯示器的平行數(shù)據(jù)總線(xiàn)，驅(qū)動(dòng)的方式與內(nèi)存總線(xiàn)相同。顯示器內(nèi)部的區(qū)域單元格緩沖器(local frame buffer)可支持速度相當(dāng)慢的微處理器。

第二代顯示技術(shù)造就出彩色顯示器，由于需要速度更快的數(shù)據(jù)管線(xiàn)，再加上體積外型日益縮小的手機(jī)設(shè)計(jì)，使得顯示器成為適應(yīng)性強(qiáng)和具吸引力的設(shè)計(jì)組件。再者，連接處理器與可旋轉(zhuǎn)顯示器的線(xiàn)路必須更少、更快速。當(dāng)時(shí)，有些公司運(yùn)用數(shù)據(jù)串行化的概念來(lái)克服這一瓶頸，像是National Semiconductor的MPL技術(shù)，以及Fairchild的μSerdes技術(shù)。它們的基本原理都是在圖形來(lái)源附近安裝離散發(fā)送器(序列器)，并且在顯示器面板附近安裝離散接收器(解序列器)。后者通常直接安裝在軟性印刷電路板(FPC)纜在線(xiàn)，而FPC將主運(yùn)算處理板與顯示器面板相互連接。這一系統(tǒng)的目標(biāo)分辨率可達(dá)到QVGA等級(jí)，但色彩分辨率不超過(guò)16位/像素。

有了先進(jìn)的顯示技術(shù)，便能夠呈現(xiàn)更高的分辨率和更鮮明的色彩。其中的顯示分辨率是QVGA的2～6倍，并高達(dá)24位/像素色彩分辨率，因此需要再次增加數(shù)據(jù)處理量。此時(shí)，區(qū)域單元格緩沖器變得體積龐大且成本高昂，使用于筆記本電腦中的RGB視頻接口便取代了原先的CPU接口。然而，與筆記本電腦相比，手機(jī)需要更長(zhǎng)的待機(jī)和運(yùn)作時(shí)間，也就需要比筆記本電腦技術(shù)更低功耗的解決方案。為了克服這個(gè)瓶頸，德州儀器將FlatLink3G技術(shù)導(dǎo)入該公司的OMAP應(yīng)用處理器平臺(tái)中，同時(shí)推出獨(dú)立式發(fā)送器和接收器IC。此項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)得到多家顯示驅(qū)動(dòng)器和面板設(shè)計(jì)廠商的支持，其他一些公司也采取類(lèi)似的方法解決這個(gè)問(wèn)題，例如，Qualcomm運(yùn)用行動(dòng)顯示數(shù)字接口(MDDI)技術(shù)，視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(VESA)接著也采用MDDI。而Maxim決定使用獨(dú)立式橋接解決方案，將纜線(xiàn)的數(shù)目減少為一條，只將頻率嵌入于資料中?，F(xiàn)有的 CPU 接口序列器解決方案也開(kāi)始提供RGB視頻接口。最終，行動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員希望能找到一種方法，將發(fā)送器整合于繪圖引擎，并且將接收器整合于顯示器。

圖1 智能型手機(jī)使用離散序列器(發(fā)送)和解序列器 (接收)的實(shí)例

只有少數(shù)解決方案(例如，MDDI和FlatLink3G)能真正達(dá)到這樣的整合，幾種同類(lèi)型概念的產(chǎn)品都使用復(fù)雜的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)(如MPL)，雖然能夠降低功耗，但是要使之整合于標(biāo)準(zhǔn)CMOS發(fā)送器技術(shù)或高壓顯示驅(qū)動(dòng)器技術(shù)則相當(dāng)困難。

有了上述全部技術(shù)后，卻出現(xiàn)一個(gè)新的問(wèn)題：系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如何在不同的廠商之間選擇正確的組件，并將這些組件互相連接？這需要將所有技術(shù)相互整合的解決方案。為了解決這個(gè)問(wèn)題，囊括移動(dòng)產(chǎn)業(yè)中大多數(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠商的移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟開(kāi)發(fā)出顯示串行接口(DSI)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)將移動(dòng)產(chǎn)品內(nèi)的繪圖引擎與顯示器相互連接，同時(shí)結(jié)合CPU和RGB視頻接口的優(yōu)點(diǎn)。透過(guò)數(shù)據(jù)的封包化，DSI的功效變得相當(dāng)強(qiáng)大，不但能協(xié)助發(fā)送器整合于應(yīng)用處理器，且能將DSI接收器整合于顯示驅(qū)動(dòng)器。然而，DSI的離散橋接解決方案仍不甚理想，因?yàn)榉獍嫦喈?dāng)昂貴，而且會(huì)增加更多功耗。FlatLink3G之類(lèi)的專(zhuān)屬替代方法就顯得極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且不需使用任何軟件。[!--empirenews.page--]

IT產(chǎn)品和視頻
處理器和ASIC廠商一直面臨控制設(shè)備管腳數(shù)的問(wèn)題，序列視頻相互連接能讓管腳數(shù)減少，這點(diǎn)極具吸引力。Intel率先采用DVO輸出而淘汰GPU輸出并行總線(xiàn)，使得總線(xiàn)寬度減少將近50%。接著，Intel推出真正只需運(yùn)用四條差動(dòng)線(xiàn)路的串行接口SDVO。

圖像處理產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重大瓶頸是顯示器面板輸入。如今幾乎所有大型圖像面板(指德州儀器的 FlatLink或National Semiconductor的PanelLink)都采用7:1數(shù)據(jù)壓縮比的LVDS序列器。筆記本電腦顯示器面板主要采用18位/像素的色彩分辨率。其中，使用三個(gè)差動(dòng)數(shù)據(jù)線(xiàn)路和一條頻率線(xiàn)路，將數(shù)據(jù)和其他三個(gè)同步信號(hào)傳輸至面板。監(jiān)視器和電視面板需要各像素具有24位、30位甚至高達(dá)48位的色彩分辨率。這通常會(huì)運(yùn)用相同的7:1 LVDS串行化技術(shù)，LVDS通道的數(shù)量也會(huì)從四個(gè)差動(dòng)對(duì)隨之增加為五對(duì)、六對(duì)或七對(duì)。

顯示器面板有不同的色彩分辨率(16位和48位)，也有不同的屏幕分辨率(QVGA和FHD)。不斷提高的面板分辨率能夠轉(zhuǎn)換為更為快速的像素時(shí)鐘速率，而且需要更多的數(shù)據(jù)處理量。LVDS序列器能夠以大約135MHz的像素頻率速度達(dá)到最大的數(shù)據(jù)傳輸速率。為了達(dá)到更快速的時(shí)鐘速率，像素傳輸可區(qū)分為奇、偶像素?cái)?shù)據(jù)，并透過(guò)兩個(gè)平行LVDS聯(lián)結(jié)進(jìn)行傳輸。目前最大的電視使用多達(dá)32個(gè)差動(dòng)信號(hào)對(duì)，使得像素時(shí)鐘速率達(dá)到540MHz成為可能，而處理如此大量的LVDS信號(hào)讓EMI處理變得極具挑戰(zhàn)性。雖然7:1 LVDS串行化架構(gòu)被明確地限定為技術(shù)層級(jí)，不過(guò)仍相當(dāng)受到歡迎，有多種途徑可取得這項(xiàng)技術(shù)。

使用7:1 LVDS SERDES作為內(nèi)部接口時(shí)，數(shù)字視頻接口(DVI)則成為外部連接設(shè)備的對(duì)應(yīng)。進(jìn)行串行化之前，會(huì)先將數(shù)據(jù)編碼。其中，采用的編碼機(jī)制是最小化傳輸差動(dòng)信號(hào)(TMDS)，這是Silicon Image所研發(fā)的技術(shù)。TMDS不只提供AC平衡信號(hào)，而且能夠在提高時(shí)鐘速率時(shí)降低數(shù)據(jù)線(xiàn)路的EMI。第三項(xiàng)類(lèi)似的技術(shù)是高畫(huà)質(zhì)多媒體接口(HDMI)，HDMI將 DVI概念予以延伸，在TMDS信號(hào)加入音頻和數(shù)據(jù)加密。LVDS串行化、DVI和HDMI都有一個(gè)重大的設(shè)計(jì)缺陷，就是像素頻率信號(hào)與數(shù)據(jù)為并行傳輸。由于接收器使用此頻率信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)原(DLL)，使得聯(lián)結(jié)的設(shè)定和控制時(shí)間變得極為重要，對(duì)于內(nèi)建信號(hào)歪斜修正(deskew)功能的接收器，甚至?xí)档推渥畲髷?shù)據(jù)傳輸速率。

將時(shí)鐘信號(hào)嵌入數(shù)據(jù)的序列器技術(shù)能夠達(dá)到最高的數(shù)據(jù)傳輸速率，THine的V-by-One便是其中一例，然而專(zhuān)屬性解決方案限制了這一技術(shù)的使用。DisplayPort(DP)成為未來(lái)PC業(yè)界優(yōu)先采用的顯示相互連接方式。DP是一種結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)放技術(shù)，擴(kuò)充性相當(dāng)高，而且使用8B10B編碼，具備數(shù)據(jù)擾頻(data scrambling)、SSC、信道間信號(hào)歪斜修正及嵌入式計(jì)時(shí)等功能。DP能夠提供低功耗且高處理量的低 EMI 視頻接口。從去年起直接驅(qū)動(dòng)顯示器已開(kāi)始采用DP，并且逐漸取代筆記本電腦的LVDS顯示連接。

在2007年時(shí)，消費(fèi)性電子產(chǎn)業(yè)對(duì)iPhone的成功以及UltraMobilePC激增的銷(xiāo)售佳績(jī)感到震撼，這些產(chǎn)品都是采用移動(dòng)處理器來(lái)支持低功耗的PC引擎。顯示器面板廠商如今正借由動(dòng)態(tài)背光源的運(yùn)用及OLED顯示技術(shù)的提升來(lái)開(kāi)發(fā)可降低功耗的解決方案。能夠驅(qū)動(dòng)大型彩色筆記本電腦面板的行動(dòng)處理器即將實(shí)現(xiàn)，不過(guò)這讓行動(dòng)處理器設(shè)計(jì)人員不易選擇正確的視頻接口，因?yàn)轵?qū)動(dòng)手機(jī)HDMI的需求正日益增加，而且DSI、HDMI、LVDS SERDES和DP之間開(kāi)始出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象。

另外，透過(guò)光纖及無(wú)線(xiàn)連接進(jìn)行視頻傳輸?shù)男枨蟪霈F(xiàn)。不只影像畫(huà)面需要無(wú)線(xiàn)連接，壁掛式超薄型LCD電視也同樣需要。透過(guò)現(xiàn)有的設(shè)備并利用MPEG譯碼來(lái)傳輸經(jīng)過(guò)壓縮的視頻實(shí)屬不易，尤其在大型電視屏幕上播放電影和視頻更是如此。以往只有并行總線(xiàn)可用，如今大多數(shù)視頻架構(gòu)仍然使用低串行化密度，并維持像素頻率與資料的平行?，F(xiàn)在，改用頻率嵌入于數(shù)據(jù)的完全優(yōu)化序列聯(lián)機(jī)終于開(kāi)始出現(xiàn)，透過(guò)適應(yīng)接收器的等化和傳輸預(yù)加重技術(shù)(transmit pre-emphasis)的使用，線(xiàn)路的數(shù)量將可進(jìn)一步減少。

未來(lái)趨勢(shì)如何變化
電視產(chǎn)業(yè)中Full HD高畫(huà)質(zhì)屏幕的發(fā)展趨勢(shì)不容小覷，而且一般人都很樂(lè)意透過(guò)大型屏幕與朋友分享個(gè)人設(shè)備中的內(nèi)容。之前，18位色彩和QVGA分辨率被誤認(rèn)為對(duì)便攜式低功耗產(chǎn)品已經(jīng)綽綽有余，如果忽視3D電影近期的成長(zhǎng)或3D DLP電視的商業(yè)量產(chǎn)上市，將錯(cuò)過(guò)這一發(fā)展趨勢(shì)。例如，夢(mèng)工廠電影制作公司(DreamWorks)已定立多項(xiàng)計(jì)劃，從2009年開(kāi)始就以3D方式制作所有新電影。3D圖像處理需要加倍的數(shù)據(jù)處理量，以及更進(jìn)階的信號(hào)處理技術(shù)。全像技術(shù)(holographic techniques)使得設(shè)計(jì)人員能夠制作出具有影像投影功能的眼鏡，不只質(zhì)量輕，而且外型美觀，顯示袖珍型影像投影技術(shù)如今已逐漸實(shí)現(xiàn)。另外，目前已首度證實(shí)，筆記本電腦的電池供電可支持30英寸的投影，這一尺寸的屏幕需要高于VGA等級(jí)的分辨率。