作者：Falk Alicke，德州仪器

便携式设计的高速视频总线设计挑战

犹记在 1980 年代的时候，一位朋友在 Commodore 64 屏幕上绘制出第一幅万宝路烟盒的计算机图像，他利用 DOS 操作系统编写出一套软件程序，将各个像素和像素域的色彩值及地址输出到 CRT 屏幕上，花费几小时的时间完成红、黑和白三色影像。如今，技术的发展完全不可同日而语！不论是专业的美工人员，还是对于如何正确调整像素位置一窍不通的门外汉，都能设计出影像。显示设备不只配备高级的电子组件，更有引人注目的美学设计和可移植性。数字显示技术使得彩色影像无处不在，客厅里视频管线所能达到的传输速度如今已接近令人难以置信的 330 亿位/秒。那段烟味弥漫和充斥 DOS 影像的日子已经一去不复返，相当令人庆幸！

行动产品视频发展历程回顾

由于数字处理技术不断演进，崭新的个人计算世界才得以实现，进而引起大流量数据传输管线的需求。在投影技术主要采用 CRT 屏幕的年代，视频数据大多被编码为模拟讯号，并且在阻抗受到控制的环境中可达到绝佳的传输效果。但模拟显示器并不适用于便携式电子产品。直到液晶显示器的问世，便携设备才真正能显示视频，模拟视频接口从此便完全数字化。对屏幕分辨率要求较低的小屏幕而言，CPU 接口是最常见的解决方案。这只是一种从视频来源到显示器的平行数据总线，驱动的方式与内存总线相同。显示器内部的区域单元格缓冲器 (local frame buffer) 可支持速度相当慢的微处理器。

第二代显示技术造就出彩色显示器，由于需要速度更快的数据管线，再加上体积外型日益缩小的手机设计，使得显示器成为适应性强和具吸引力的设计组件。再者，连接处理器与可旋转显示器的线路必须更少、更快速，当时有些公司运用数据串行化的概念来克服这一瓶颈，像是 National Semiconductor 的 MPL™ 技术，以及 Fairchild 的 μSerdes™ 技术。它们的基本原理都是在图形来源附近安装离散发送器 (序列器)，并且在显示器面板附近安装离散接收器 (解序列器)。后者通常直接安装在软性印刷电路板 (FPC) 缆在线，而FPC将主运算处理板与显示器面板相互连接。这一系统的目标分辨率可达到 QVGA 等级，但色彩分辨率不超过 16 位/像素。

有了先进的显示技术，便能够呈现更高的分辨率和更鲜明的色彩。其中的显示分辨率是 QVGA 的两倍到六倍，并高达 24 位/像素色彩分辨率，因此需要再次增加数据处理量。此时，区域单元格缓冲器变得体积庞大且成本高昂，使用于笔记本电脑中的RGB 视频接口便取代了原先的 CPU 接口。然而，与笔记本电脑相比，手机需要更长的待机和运作时间，也就需要比笔记本电脑技术更低功耗的解决方案。为了克服这个瓶颈，德州仪器将 FlatLink3G 技术导入该公司的 OMAP™ 应用处理器平台中，同时推出独立式发送器和接收器 IC。此项技术的开发得到多家显示驱动器和面板设计厂商的支持，其他一些公司也采取类似的方法解决这个问题，例如 Qualcomm 运用行动显示数字接口 (MDDI) 技术，视频电子标准协会 (VESA™) 接着也采用 MDDI。而 Maxim 决定使用独立式桥接解决方案，将缆线的数目减少为一条，只将频率嵌入于资料中。现有的 CPU 接口序列器解决方案也开始提供 RGB 视频接口。

最终，行动设备设计人员希望能找到一种方法，将发送器整合于绘图引擎，并且将接收器整合于显示器。

图 1：智能型手机使用离散序列器 (发送) 和解序列器 (接收)的实例，其中将整个手机的缆线从 28 个讯号减少至仅存两个差动数据对。

只有少数解决方案 (例如 MDDI 和 FlatLink3G) 能真正达到这样的整合，几种同类型概念的产品都使用复杂的模拟设计技术 (例如 MPL™)，虽然能够降低功耗，但是要使之整合于标准 CMOS 发送器技术或高压显示驱动器技术则相当困难。

有了上述全部技术后，却出现一个新的问题：系统设计人员如何在不同的厂商之间选择正确的组件，并将这些组件互相连接？这需要能够将所有技术相互整合的解决方案。为了解决这个问题，囊括移动产业中大多数领导厂商的移动产业处理器接口 (MIPI) 联盟开发出显示串行接口 (DSI) 技术。这项技术将移动产品内的绘图引擎与显示器相互连接，同时结合 CPU 和 RGB 视频接口的优点。透过数据的封包化，DSI 的功效变得相当强大，不但能协助发送器整合于应用处理器，且能将 DSI 接收器整合于显示驱动器。然而，DSI 的离散桥接解决方案仍不甚理想，因为封包引擎相当昂贵，而且会增加更多功耗。FlatLink™3G 之类的专属替代方法就显得极具竞争优势，而且不需使用任何软件。

IT 产品和视频

图 2：大多数摄影机和显示接口都是以 RGB格式传输像素资料。此图显示从摄影机传感器到应用处理器以及从处理器到显示器的像素数据流。摄影机传感器输出10 位/像素的原始数据，各像素只包含单一个色彩分量的信息。视频引擎将邻近像素的色彩信息数字化，以还原像素的 30 位 RGB 真实色彩值，而显示器输出路径平行地传输各像素的所有三色分量。各像素的 24 位输出值代表 R、G 和 B 色彩分量的 8 位数据。

处理器和 ASIC 厂商一直面临控制设备管脚数的问题，序列视频相互连接能让管脚数减少，这点极具吸引力。Intel 率先采用 DVO 输出而淘汰 GPU 输出并行总线，使得总线宽度减少将近 50%。接着，Intel 推出真正只需运用四条差动线路的串行接口 SDVO。

图像处理产业的一个重大瓶颈是显示器面板输入。如今几乎所有大型图像面板 (指德州仪器的 FlatLink™ 或 National Semiconductor 的 PanelLink™) 都采用 7:1 数据压缩比的 LVDS 序列器。笔记本电脑显示器面板主要采用 18 位/像素的色彩分辨率。其中使用三个差动数据线路和一条频率线路，将数据和其他三个同步讯号传输至面板。监视器和电视面板需要各像素具有 24 位、30 位甚至高达 48 位的色彩分辨率。这通常会运用相同的 7:1 LVDS 串行化技术，LVDS 通道的数量也会从四个差动对随之增加为五对、六对或七对。

显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)。不断提高的面板分辨率能够转换为更为快速的像素时钟速率，而且需要更多的数据处理量。LVDS 序列器能够以大约 135MHz 的像素频率速度达到最大的数据传输速率。为了达到更快速的时钟速率，像素传输可区分为奇、偶像素数据，并透过两个平行 LVDS 连结进行传输。目前最大的电视使用多达 32 个差动讯号对，使得像素时钟速率达到 540MHz成为可能，而处理如此大量的 LVDS 讯号让 EMI 处理变得极具挑战性。虽然 7:1 LVDS 串行化架构被明确地限定为技术层级，不过仍相当受到欢迎，有多种途径可取得这项技术。

使用 7:1 LVDS SERDES 做为内部接口时，数字视频接口 (DVI™) 则成为外部连接设备的对应。进行串行化之前，会先将数据编码。其中采用的编码机制是最小化传输差动讯号 (TMDS™)，这是 Silicon Image 所研发的技术。TMDS 不只提供 AC 平衡讯号，而且能够在提高时钟速率时降低数据线路的 EMI。第三项类似的技术是高画质多媒体接口 (HDMI™)，HDMI将 DVI 概念予以延伸，在 TMDS 讯号加入音频和数据加密。LVDS串行化、DVI 和 HDMI 都有一个重大的设计缺陷，就是像素频率讯号与数据为并行传输。由于接收器使用此频率讯号进行数据复原 (DLL)，使得连结的设定和控制时间变得极为重要，对于内建讯号歪斜修正 (deskew)功能的接收器，甚至会降低其最大数据传输速率。

将时钟信号嵌入数据的序列器技术能够达到最高的数据传输速率，THine 的 V-by-One™ 便是其中一例，然而专属性解决方案限制了这一技术的使用。DisplayPort™ (DP) 已成为未来 PC 业界优先采用的显示相互连接方式。DP 是一种结合历史经验的开放技术。此技术的扩充性相当高，而且使用 8B10B 编码，具备数据搅和 (data scrambling)、SSC、信道间讯号歪斜修正及嵌入式计时等功能。DP 能够提供低功耗且高处理量的低 EMI 视频接口。从去年起直接驱动显示器已开始采用 DP，并且逐渐取代笔记本电脑的 LVDS 显示连接。

在 2007 年时，消费性电子产业对 iPhone 的成功以及 UltraMobilePC 激增的销售佳绩感到震撼，这些产品都是采用移动处理器来支持低功耗的 PC 引擎。显示器面板厂商如今正藉由动态背光源的运用及OLED 显示技术的提升来开发可降低功耗的解决方案。能够驱动大型彩色笔记本电脑面板的行动处理器即将实现，不过这让行动处理器设计人员不易选择正确的视频接口，因为驱动手机 HDMI 的需求正日益增加，而且 DSI、HDMI、LVDS SERDES 和 DP 之间开始出现相互重迭的现象，

另外，透过光纤及无线连接进行视频传输的需求出现。不只影像画面需要无线连接，壁挂式超薄型 LCD 电视也同样需要。透过现有的设备并利用 MPEG 译码来传输经过压缩的视频实属不易，尤其在大型电视屏幕上播放电影和视频更是如此。以往只有并行总线可用，如今大多数视频架构仍然使用低串行化密度，并维持像素频率与资料的平行。现在，改用频率嵌入于数据的完全优化序列联机终于开始出现，透过适应接收器的等化和传输预加重技术(transmit pre-emphasis)的使用，线路的数量将可进一步减少。

未来趋势如何变化？

电视产业中 Full HD 高画质屏幕的发展趋势不容小觑，而且一般人都很乐意透过大型屏幕与朋友分享个人设备中的内容。之前，18 位色彩和 QVGA 分辨率被误认为对便携式低功耗产品已经绰绰有余，如果忽视 3D 电影近期的成长或 3D DLP™ 电视的商业量产上市，将错过这一发展趋势。例如梦工厂电影制作公司(DreamWorks) 已定立多项计划，从 2009 年开始就以 3D 方式制作所有新电影。3D 图像处理需要加倍的数据处理量，以及更进阶的讯号处理技术。全像技术(holographic techniques)使得设计人员能够制作出具有影像投影功能的眼镜，不只质量轻，而且外型美观，显示袖珍型影像投影技术如今已逐渐实现。另外，目前已首度证实，笔记本电脑的电池供电可支持30 英吋的投影，这一尺寸的屏幕需要高于 VGA 等级的分辨率。

逐项技术比较

逐项技术比较

图 3：多种便携式产品中常用技术的逐项技术比较

附注：此处所列举的技术并不完整，可能还有本文未提及的其他技术。此项技术比较若不慎有误或未能正确呈现数据之处，作者仅此致歉。

结论

如今业界已进入多种显示接口技术并起的战国时代，若要采用正确的技术，必须考虑特定产品的性质，绘图引擎输出或显示面板输入通常是决定因素。如果需要桥接解决方案，可考虑针对设计人员的个别应用，采用简易技术来进行优化。行动处理器的专属解决方案能够达到低功耗、低成本和低设计复杂度等效益，因此也是不错的选择。对于产品外部接口，可考虑采用安装基础较宽的 HDMI，并且将 DisplayPort 列入观察名单中。如今 DP 技术优于 HDMI，但是缺乏安装基础。在一般设备中，如果处理量、低管脚数和 EMI 极为重要，DP 会是最佳的选择。

References

For more information about interface solutions, visit: www.ti.com/interface.

关于作者

Falk Alicke 是德州仪器接口产品部门资深系统工程师，负责行动摄影机与显示器 SERDES、DisplayPort LCD 时序控制器及视频链接产品定义。本身拥有德国莱比锡应用科技大学 (HTWK) 通讯 MSEE 学位。