唐鴻/DIGITIMES
結合影像與聲音的多媒體應用,是驅使IT/CE領域持續發展的動力,在運算單元與顯示器間,利用數位傳輸達到最佳品質,因此,在1999年即有DVI介面出現,另於2002年也有HDMI介面,但於2005年8月,VESA組織亦提出1套數位視訊介面,稱為DisplayPort,經過不斷改良,其橫跨IT/CE領域的雄心,正一步步實現中…
純數位介面出現有幾個理由,首先在訊號的來源與目標間,首選當然是以純數位方式進行傳輸,不過雖然理論上的優勢明顯,但過去終端顯示裝置為CRT顯示器時,因其為類比顯示裝置,因此,採類比傳輸的VGA端子(D-Sub 15)介面已足夠,但在數位液晶顯示器與LCD TV普及後,視訊介面數位化,也成為相當重要的課題。
此外,影像與聲音傳輸,過去各自為政,各家廠商或團體,不斷提出各自獨有的規格因應,因此,無論IT或CE產品都充滿大量訊號線連接埠,再加上電源線後,顯得相當混亂。實際上影像與聲音於裝置內部,固然有獨立負責的處理元件,但傳輸出來到終端裝置的方式幾乎相同,最佳方式為利用同1條線路共同傳輸聲音/影像。
傳輸頻寬提升或寬裕性也相當重要,隨視訊內容突破性發展,無論數位視訊解析度(Resolution)、色深(Pixel Depth)、畫面更新率(Frame Rate)…等標準均不斷上升,音效裝置亦然,多聲道訊號讓傳輸頻寬需求增加,因此數位介面必須擁有足夠頻寬,滿足現今與未來需求。
再者是非關技術的需求,數位內容盛行,讓影音內容亦容易被不法者取得,例如,透過網路大量交換盜版檔案,因此傳輸介面間能夠加入數位版權管理(digital-rights management;DRM),對許多內容創造者或相關利益團體而言,也是相當重要的功能。當然最好是開放性標準,不需要支付技術授權費用。
雖在1999年,就已有純數位傳輸DVI(Digital Visual Interface)介面,2002年亦有HDMI(High Definition Multimedia Interface)標準釋出,前者主要取代IT類裝置類比VGA接頭,後者目標鎖定CE裝置,取代CE裝置複雜的Composite端子(俗稱A/V端子)、S端子、YPbPr色差端子…等。此外,筆記型電腦的主機與螢幕間,主要使用低壓差分信號(LVDS)來連接。
因此VESA(Video Electronics Standards Association)機構認為,數位介面太多,若能用單一顯示介面通包上述介面需求,即能降低數位顯示技術相關設計複雜度,而此介面必須能透過開放、可擴充工業標準進行升級,滿足瞬息萬變的IT/CE產業未來需求。2005年VESA將其看法落實成為介面規格,即DisplayPort。
DisplayPort基本規格通吃IT/CE 設計架構仔細分析
1、主鏈路
DisplayPort首要目標為簡化連接路線複雜度,透過較少的連接纜線提供更高頻寬,換句話說,即是提高頻寬/纜線比。DisplayPort的4條路線利用頻寬2.5Gbps的PCI Express電氣協定層,得到10.8Gbps頻寬,雖通常4條路線共2對被定義為1組連接(Link),實際上DisplayPort規範允許彈性配置1組連接內的路線組數,可以是1對或2對,DisplayPort同時也可進行音訊傳輸。
作為傳輸介面,DisplayPort採AC耦合(AC Couple)和低壓電位設計,使其能簡單被整合到其它電路設計,因為發送/接收端有不同共模電壓,使DisplayPort與PCI-E這類高速介面能便利連接、耦合,亦使晶片尺寸縮小,EMI干擾也較低。
2、輔助通道
此外,在路線設計上,還有1條輔助通道,頻寬僅1Mbps,但反應速度快,約僅500μs。設計之初,主要為硬體偵測後隨插即用…等設計用途,不過今日多元化應用下,亦可作為觸控面板資料傳輸或連接各種外部裝置(如麥克風),因此這個通道可讓DisplayPort進行雙向音訊傳輸,例如,視訊會議或網路電話…等應用。
3、編碼
編碼方面,使用產業界標準的ANSI 8B10B(ANSI X3.230-1994 第11條規定),而這樣的高速序列封包傳輸架構,彈性高,可輕易加入新協定內容。此外,時脈信號已內嵌資料路線內,雖規格仍僅限於1條線路、傳輸單1影像訊號,不過理論上亦可設計成單1傳輸線即可同時傳送多組影像。
以編碼與頻寬而論,只需單1組傳輸線,即可對應2,560 × 1,600高解析度。色彩格式支援也是displayPort相當重要的特色,其原生支援30bit色深(RGB各10bit)。
4、傳輸
DisplayPort採序列傳輸介面,抗干擾性與抗衰減性能都相當優異,完整保證頻寬的連接線長度可達3m,若標準放寬到傳送Full HD 1080p訊號,則纜線長度可以高達15m。雖強調傳輸距離是各種數位接頭一貫趨勢,不過DisplayPort並沒有忽略IT裝置常有內接需求(如筆記型電腦),因此DisplayPort同時有內/外接版本,內接版本可取代筆電慣用的LVDS介面。
DisplayPort可直接驅動顯示器,稱為直接驅動液晶(direct drive LCD),設計上可消除顯示器中的縮放控制器(scaler)和其它電路,例如,ADC、Rx、OSD、MCU、LVDS Tx…等,節省成本。
5、連接埠
DisplayPort有鑑於DVI接頭過大,標準PC擋板顯示卡搭載2個DVI接頭,幾乎就沒有多餘空間可利用,因此,DisplayPort縮小接頭體積,寬26.3mm、高1.1mm,約等同標準USB連接埠大小。
DVI接頭需螺絲固定、又佔用額外空間,DisplayPort捨棄螺絲固定法,利用類似USB接頭與連接埠的金屬摩擦力固定外,接頭塑膠部分還有1組固定扣,可用拇指按壓卡榫,避免連接埠被意外鬆脫。
6、內容保護
內容保護是新1代數位連接介面的設計重點,DisplayPort即支援DPCP(DisplayPort Content Protection)防盜版機制,不過真正較廣泛應用的是HDCP(High bandwidth Digital Content Protection),DisplayPort稍後也修正支援。最後則是非關技術的權利金,但往往是1個規格能否推動的重要關鍵,DisplayPort採免授權費,免權利金運作模式,只有支援的內容保護機制需要收費。
DisplayPort推出後 不斷更新規格面對挑戰
DisplayPort針對DVI缺點進行改良,優點是線路少、頻寬高,封包傳輸架構能有較佳的資料傳輸完整性,彈性也比較高,可輕易加入通訊協定,囊括內/外部接頭設計,也讓DisplayPort支援度較佳。不過在其推出前,已經有1個HDMI介面存在,也是針對DVI缺失改良,原本許多人認為HDMI介面主推CE市場,而DisplayPort則鎖定IT市場。
但實際上兩者當然都不會侷限自身發展,都希望兼併IT/CE市場,因此競爭就此展開,最明顯的例證是,DisplayPort規格推出前,最大的競爭對手HDMI,規格上幾乎毫無更新動作,但是DisplayPort推出後,反而是改版頻繁,目前已經推出到1.3版,其中具相當程度針對性,顯然是衝著DisplayPort規格而來。
HDMI 1.3版主要的改良為3點,1、提高頻寬:將原先4.96Gbps頻寬倍增至10.2Gbps,主要由Single Link TMD的165MHz寬度提升至340MHz達成;2、更高色深:HDMI 1.1及1.2版僅支援到24bit色深,1.3版HDMI介面則擴充至30bit、36bit以及48bit(RGB或YCbCr);3、支援無失真音效:HDMI 1.3支援多軌、高流量無壓縮音源或非失真壓縮音源(如Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio)。
直接對比規格,即可發現原本HDMI居於劣勢的頻寬與色深,都追上DisplayPort,因此DisplayPort陣營,推出新版本規範時,顯然也必須針對弱勢點修正,這個關鍵點並不在硬體規格,反而在防盜版機制。原本DisplayPort 1.0版本僅支援DPCP,修正後的1.1版與2008年公布的1.1a版,加入了對HDCP 1.3支援。
就純以技術而論,HDMI 1.3規格都是為了與DisplayPort技術規格並駕齊驅進行的修正,DisplayPort支援HDCP,卻是為了市場競爭的妥協,因為原本其支援的DPCP為128bit AES加密,但是HDCP僅40bit加密,從推出就一直遭質疑,不過HDCP已行之有年,有一定市場基礎。HDCP 1.3版特色為允許不同架構的DVI、HDMI及DisplayPort連線方式,都可使用同1個加密密鑰,遵行同1種保護體系。
此外,在1.1版本中,還做了一些強化電氣特性設計,特別是與PCI-E協議相容性,可讓晶片對晶片介面協同性表現更好。1.1a版本則又做了不少改進,包括輔助通道(AUX CH)強化、DPCD定義更新、主串流訊號封包穩定性強化、用於音效的次資料封包(Secondary-Data Packet;SDP)強化、路線(Link)連接穩定度與品質測量法、路線實體層(Main Link Physical Layer & AUX CH Physical Layer)修正、纜線電氣訊號(Cable Electrical)修正、電力消耗修正與連接性能強化…等。
版本更新雙面刃 DisplayPort測試驗證成焦點
高速傳輸介面的訊號穩定度相當重要,測試驗證機制建立完備,才能確保來源與終端連接正常,甚至測試本身也是設計依循重點,光僅看合格與否只是最基本的要求,高竿的RD人員除設計階段就將驗證時可能遇到的問題排除,也可將超越規格的過剩品質削減,降低成本,進而提昇產品競爭力。
DisplayPort驗證機制有幾個問題,首先是版本發表遲延!DisplayPort規格雖於2005年8月推出,不過重要的1.1版規範到2007年3月才定案,造成相容性與產品互通性測試標準延遲,因為測量儀器廠商來不及推出符合驗證標準的儀器與軟體,所幸2007年10月終於推出測量DisplayPort的一致性規範,讓這個問題獲得解決。
此外,DisplayPort由於較晚推出市場,因此設計上能夠相容於DVI/HDMI,可利用是Dual Mode Device,或轉換器(Adapter)方式相容,除訊號相容外,轉換器也必須轉換不同針腳與電氣規格,但由於2陣營先天上設計就有許多不同之處,因此,在轉換時必須執行電壓位準轉換,不同規格訊號偵測,及資料共通、互換…等,因此DisplayPort規格驗證時,還得注意與DVI/HDMI相容性,常在驗證時被忽略。
向微型CE與更高頻寬領域挑戰 DisplayPort新增規格
DisplayPort支持者多半是PC大廠,加上HDMI先發制人因素,已在CE領域擁有領先地位,因此,DisplayPort由PC領域出發也顯得合理,不過PC領域的特性就是規格變化快,雖DisplayPort已進入10Gbps傳輸世代,但在HDMI也已經追上情況下,預計DisplayPort將在未來提出2X新速率標準,頻寬將提升1倍達21.6Gbps,輔助通道預計將達到等同USB 2.0規格的480Mbps。
理論上,DisplayPort提升到2X規格,連接埠與接線不需變更,不過當然還有變數。除拓展頻寬是未來努力方向,VESA組織鎖定目前相當熱門的可攜式裝置,但是對於這些裝置來說,DisplayPort連接埠還是太大,因此發表DisplayID與標準行動顯示數位介面(Mobile Display Digital Interface;MDDI)與延伸顯示辨識碼(Extended Display Identification Data;EDID),且努力縮小連接器尺寸,前述努力都是希望將DisplayPort技術延伸到微型CE產品領域。
整體來說,技術規格方面,DisplayPort與HDMI相去不遠,但DisplayPort最大競爭優勢是根基於IT產業的開放性、靈活性與擴充性,加上免權利金訴求(連接器、纜線、轉接器製造商必須支付專利費用,此外,支援HDCP後,也應需支付相關權利金),再加上IT廠商紛紛力挺與各種支援單位(如測試驗證廠商)到位,DisplayPort急起直追,已是明顯態勢,不過究竟是固守PC領域,還是通吃IT/CE2大市場,則還有待觀察,畢竟有太多技術外的市場競爭因素了。