作者：Falk Alicke，德州儀器

便攜式設計的高速視頻總線設計挑戰

猶記在 1980 年代的時候，一位朋友在 Commodore 64 屏幕上繪制出第一幅萬寶路煙盒的計算機圖像，他利用 DOS 操作系統編寫出一套軟件程序，將各個像素和像素域的色彩值及地址輸出到 CRT 屏幕上，花費幾小時的時間完成紅、黑和白三色影像。如今，技術的發展完全不可同日而語！不論是專業的美工人員，還是對于如何正確調整像素位置一竅不通的門外漢，都能設計出影像。顯示設備不只配備高級的電子組件，更有引人注目的美學設計和可移植性。數字顯示技術使得彩色影像無處不在，客廳里視頻管線所能達到的傳輸速度如今已接近令人難以置信的 330 億位/秒。那段煙味彌漫和充斥 DOS 影像的日子已經一去不復返，相當令人慶幸！

行動產品視頻發展歷程回顧

由于數字處理技術不斷演進，嶄新的個人計算世界才得以實現，進而引起大流量數據傳輸管線的需求。在投影技術主要采用 CRT 屏幕的年代，視頻數據大多被編碼為模擬訊號，并且在阻抗受到控制的環境中可達到絕佳的傳輸效果。但模擬顯示器并不適用于便攜式電子產品。直到液晶顯示器的問世，便攜設備才真正能顯示視頻，模擬視頻接口從此便完全數字化。對屏幕分辨率要求較低的小屏幕而言，CPU 接口是較常見的解決方案。這只是一種從視頻來源到顯示器的平行數據總線，驅動的方式與內存總線相同。顯示器內部的區域單元格緩沖器 (local frame buffer) 可支持速度相當慢的微處理器。

第二代顯示技術造就出彩色顯示器，由于需要速度更快的數據管線，再加上體積外型日益縮小的手機設計，使得顯示器成為適應性強和具吸引力的設計組件。再者，連接處理器與可旋轉顯示器的線路必須更少、更快速，當時有些公司運用數據串行化的概念來克服這一瓶頸，像是 National Semiconductor 的 MPL? 技術，以及 Fairchild 的 μSerdes? 技術。它們的基本原理都是在圖形來源附近安裝離散發送器 (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，而FPC將主運算處理板與顯示器面板相互連接。這一系統的目標分辨率可達到 QVGA 等級，但色彩分辨率不超過 16 位/像素。

有了先進的顯示技術，便能夠呈現更高的分辨率和更鮮明的色彩。其中的顯示分辨率是 QVGA 的兩倍到六倍，并高達 24 位/像素色彩分辨率，因此需要再次增加數據處理量。此時，區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，手機需要更長的待機和運作時間，也就需要比筆記本電腦技術更低功耗的解決方案。為了克服這個瓶頸，德州儀器將 FlatLink3G 技術導入該公司的 OMAP? 應用處理器平臺中，同時推出獨立式發送器和接收器 IC。此項技術的開發得到多家顯示驅動器和面板設計廠商的支持，其他一些公司也采取類似的方法解決這個問題，例如 Qualcomm 運用行動顯示數字接口 (MDDI) 技術，視頻電子標準協會 (VESA?) 接著也采用 MDDI。而 Maxim 決定使用獨立式橋接解決方案，將纜線的數目減少為一條，只將頻率嵌入于資料中。現有的 CPU 接口序列器解決方案也開始提供 RGB 視頻接口。

較終，行動設備設計人員希望能找到一種方法，將發送器整合于繪圖引擎，并且將接收器整合于顯示器。

圖 1：智能型手機使用離散序列器 (發送) 和解序列器 (接收)的實例，其中將整個手機的纜線從 28 個訊號減少至僅存兩個差動數據對。

只有少數解決方案 (例如 MDDI 和 FlatLink3G) 能真正達到這樣的整合，幾種同類型概念的產品都使用復雜的模擬設計技術 (例如 MPL?)，雖然能夠降低功耗，但是要使之整合于標準 CMOS 發送器技術或高壓顯示驅動器技術則相當困難。

有了上述全部技術后，卻出現一個新的問題：系統設計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？這需要能夠將所有技術相互整合的解決方案。為了解決這個問題，囊括移動產業中大多數領導廠商的移動產業處理器接口 (MIPI) 聯盟開發出顯示串行接口 (DSI) 技術。這項技術將移動產品內的繪圖引擎與顯示器相互連接，同時結合 CPU 和 RGB 視頻接口的優點。透過數據的封包化，DSI 的功效變得相當強大，不但能協助發送器整合于應用處理器，且能將 DSI 接收器整合于顯示驅動器。然而，DSI 的離散橋接解決方案仍不甚理想，因為封包引擎相當昂貴，而且會增加更多功耗。FlatLink?3G 之類的專屬替代方法就顯得極具競爭優勢，而且不需使用任何軟件。

IT 產品和視頻

圖 2：大多數攝影機和顯示接口都是以 RGB格式傳輸像素資料。此圖顯示從攝影機傳感器到應用處理器以及從處理器到顯示器的像素數據流。攝影機傳感器輸出10 位/像素的原始數據，各像素只包含單一個色彩分量的信息。視頻引擎將鄰近像素的色彩信息數字化，以還原像素的 30 位 RGB 真實色彩值，而顯示器輸出路徑平行地傳輸各像素的所有三色分量。各像素的 24 位輸出值代表 R、G 和 B 色彩分量的 8 位數據。

處理器和 ASIC 廠商一直面臨控制設備管腳數的問題，序列視頻相互連接能讓管腳數減少，這點極具吸引力。Intel 率先采用 DVO 輸出而淘汰 GPU 輸出并行總線，使得總線寬度減少將近 50%。接著，Intel 推出真正只需運用四條差動線路的串行接口 SDVO。

圖像處理產業的一個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 數據壓縮比的 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。其中使用三個差動數據線路和一條頻率線路，將數據和其他三個同步訊號傳輸至面板。監視器和電視面板需要各像素具有 24 位、30 位甚至高達 48 位的色彩分辨率。這通常會運用相同的 7:1 LVDS 串行化技術，LVDS 通道的數量也會從四個差動對隨之增加為五對、六對或七對。

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換為更為快速的像素時鐘速率，而且需要更多的數據處理量。LVDS 序列器能夠以大約 135MHz 的像素頻率速度達到較大的數據傳輸速率。為了達到更快速的時鐘速率，像素傳輸可區分為奇、偶像素數據，并透過兩個平行 LVDS 連結進行傳輸。目前較大的電視使用多達 32 個差動訊號對，使得像素時鐘速率達到 540MHz成為可能，而處理如此大量的 LVDS 訊號讓 EMI 處理變得極具挑戰性。雖然 7:1 LVDS 串行化架構被明確地限定為技術層級，不過仍相當受到歡迎，有多種途徑可取得這項技術。

使用 7:1 LVDS SERDES 做為內部接口時，數字視頻接口 (DVI?) 則成為外部連接設備的對應。進行串行化之前，會先將數據編碼。其中采用的編碼機制是較小化傳輸差動訊號 (TMDS?)，這是 Silicon Image 所研發的技術。TMDS 不只提供 AC 平衡訊號，而且能夠在提高時鐘速率時降低數據線路的 EMI。第三項類似的技術是高畫質多媒體接口 (HDMI?)，HDMI將 DVI 概念予以延伸，在 TMDS 訊號加入音頻和數據加密。LVDS串行化、DVI 和 HDMI 都有一個重大的設計缺陷，就是像素頻率訊號與數據為并行傳輸。由于接收器使用此頻率訊號進行數據復原 (DLL)，使得連結的設定和控制時間變得極為重要，對于內建訊號歪斜修正 (deskew)功能的接收器，甚至會降低其較大數據傳輸速率。

將時鐘信號嵌入數據的序列器技術能夠達到較高的數據傳輸速率，THine 的 V-by-One? 便是其中一例，然而專屬性解決方案限制了這一技術的使用。DisplayPort? (DP) 已成為未來 PC 業界優先采用的顯示相互連接方式。DP 是一種結合歷史經驗的開放技術。此技術的擴充性相當高，而且使用 8B10B 編碼，具備數據攪和 (data scrambling)、SSC、信道間訊號歪斜修正及嵌入式計時等功能。DP 能夠提供低功耗且高處理量的低 EMI 視頻接口。從去年起直接驅動顯示器已開始采用 DP，并且逐漸取代筆記本電腦的 LVDS 顯示連接。

在 2007 年時，消費性電子產業對 iPhone 的成功以及 UltraMobilePC 激增的銷售佳績感到震撼，這些產品都是采用移動處理器來支持低功耗的 PC 引擎。顯示器面板廠商如今正藉由動態背光源的運用及OLED 顯示技術的提升來開發可降低功耗的解決方案。能夠驅動大型彩色筆記本電腦面板的行動處理器即將實現，不過這讓行動處理器設計人員不易選擇正確的視頻接口，因為驅動手機 HDMI 的需求正日益增加，而且 DSI、HDMI、LVDS SERDES 和 DP 之間開始出現相互重迭的現象，

另外，透過光纖及無線連接進行視頻傳輸的需求出現。不只影像畫面需要無線連接，壁掛式超薄型 LCD 電視也同樣需要。透過現有的設備并利用 MPEG 譯碼來傳輸經過壓縮的視頻實屬不易，尤其在大型電視屏幕上播放電影和視頻更是如此。以往只有并行總線可用，如今大多數視頻架構仍然使用低串行化密度，并維持像素頻率與資料的平行。現在，改用頻率嵌入于數據的完全優化序列聯機終于開始出現，透過適應接收器的等化和傳輸預加重技術(transmit pre-emphasis)的使用，線路的數量將可進一步減少。

未來趨勢如何變化？

電視產業中 Full HD 高畫質屏幕的發展趨勢不容小覷，而且一般人都很樂意透過大型屏幕與朋友分享個人設備中的內容。之前，18 位色彩和 QVGA 分辨率被誤認為對便攜式低功耗產品已經綽綽有余，如果忽視 3D 電影近期的成長或 3D DLP? 電視的商業量產上市，將錯過這一發展趨勢。例如夢工廠電影制作公司(DreamWorks) 已定立多項計劃，從 2009 年開始就以 3D 方式制作所有新電影。3D 圖像處理需要加倍的數據處理量，以及更進階的訊號處理