淺談?dòng)?jì)算機(jī)顯示器視頻信號(hào)接口

大多數(shù)電腦主機(jī)和顯示器的連接，都是經(jīng)由其顯示卡和顯示器通過VGA模擬接口相連的，在這樣的條件下，顯示卡產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中則先被轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后才送到顯示器的，再轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)由顯示器顯現(xiàn)出來。這種“數(shù)字—模擬—數(shù)字”反復(fù)轉(zhuǎn)換模式的缺點(diǎn)是顯而易見的，也就是會(huì)明顯地降低其顯示的影像質(zhì)量。而DVI（Digital Visual Interface）數(shù)字接口的工作原理就是將顯示卡產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)原封不動(dòng)地傳輸給顯示器，它的最大優(yōu)點(diǎn)是在信號(hào)傳輸過程中沒有任何信號(hào)損失，同時(shí)，它也不受分辨率的限制，也就是說它能夠適用于任何分辨率的顯示器，并且能有效地防止外界雜散信號(hào)的干擾。下面將VGA和DVI技術(shù)分析如下。

一、VGA顯示卡接口

VGA顯示卡接口（Video Graphics Array），最早是1987年由IBM開發(fā)的顯示器640×480顯示模式。微軟Windows系列產(chǎn)品的開機(jī)畫面使用的是VGA顯示模式。后來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，1990年同樣由IBM推出XGA(Extended Graphics Array)顯示模式。XGA較新的版本XGA-2以真彩色提供800×600像素的分辨率或以65536種色彩提供1024×768像素的分辨率。近些年，隨著大屏幕顯示器的發(fā)展，VGA也發(fā)展到了UXGA（Ultra Extended Graphics Array），中文名為“極速擴(kuò)展圖形陣列”以及WSXGA（Widescreen Super Extended Graphics Array Plus）中文名為“寬屏高級(jí)擴(kuò)展圖形陣列”。前者UXGA分辨率達(dá)到1600×1200、并提供168×108色彩適用于普通4:3顯示器，后者WSXGA的分辨率達(dá)到1680×1050、適用于16:10的寬屏顯示器。

這些顯示模式的原理是：從應(yīng)用程序取得數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，將它儲(chǔ)存在VRAM (Video Random Access Memory)(顯存)，并利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量以滿足掃描所需，形成模擬信號(hào)后通過VGA電纜連到顯示器。VGA連接器有三根連接紅、藍(lán)、綠彩色信號(hào)的線和二根用于水平和垂直水平同步信號(hào)線。用于普通電視顯示器時(shí)，這些信號(hào)綜合成一個(gè)復(fù)合視頻信號(hào)。對(duì)于等離子體、液晶平板顯示器 、DLP和投影顯示器，因?yàn)樗鼈兌际菙?shù)字顯示器件，模擬信號(hào)還要轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號(hào)才能顯示，這就增加了產(chǎn)品不必要的開支和復(fù)雜性。數(shù)字到模擬，又從模擬到數(shù)字的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換會(huì)引入采樣誤差，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，并需要增加控制措施用以糾正在這個(gè)過程中引入的誤差。顯示器分辨率越高，要求從計(jì)算機(jī)到顯示器的傳輸電纜帶寬越寬。對(duì)于模擬信號(hào)，電纜越長(zhǎng)，高頻衰減越嚴(yán)重 ，失真累積會(huì)使圖像畸形、色彩失真。

二、DVI數(shù)字視頻接口

DVI（Digital Visual Interface），即數(shù)字視頻接口。它是1999年由Silicon Image、Intel（英特爾）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu(富士通)等公司共同組成DDWG（Digital Display Working Group，數(shù)字顯示工作組）推出的接口標(biāo)準(zhǔn)。最大支持2560×1600的分辨率。DVI提供了一個(gè)單一的通用的數(shù)字接口，主要用于計(jì)算機(jī)和顯示器的數(shù)字連接。它不只有較高的分辨率，而且也能配接到模擬的顯示器（使用混合DVI的連接器）。這一視頻顯示技術(shù)獲得社會(huì)廣泛支持，因此具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

DVI標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議是基于TMDS(最小化傳輸差分信號(hào):Transition Minimized Differential Signal ) 技術(shù)，并采用TMDS的編碼機(jī)理。TMDS是用于將圖形數(shù)據(jù)送到顯示器的技術(shù)。它通過實(shí)施一個(gè)先進(jìn)的編碼算法，8bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10bit，從而使過渡過程的上沖和下沖最小，使DC接近平衡。它以差分形式發(fā)信號(hào)，信號(hào)的最佳化使得對(duì)銅線的電磁干擾（EMI）減少，并使得通過光纖傳送的數(shù)據(jù)趨于直流平衡，另外，這種先進(jìn)的編碼技術(shù)使得接收端能夠有可靠的時(shí)鐘恢復(fù)，從而能使用較長(zhǎng)的電纜。采用TMDS機(jī)理具有以下6個(gè)特點(diǎn)。

第一，TMDS信號(hào)傳輸。TMDS從圖形控制器取得信號(hào)，決定顯示器用的分辨率和刷新頻率，將信號(hào)擴(kuò)展到可用的帶寬上。TMDS用四個(gè)信道傳送線，三個(gè)是視頻數(shù)據(jù)線（紅 、綠 、藍(lán)），一個(gè)是時(shí)鐘線。顯示卡通過連接中的紅色信道送出紅色像素?cái)?shù)據(jù)，同樣通過藍(lán)色信道和綠色信道送出綠色和藍(lán)色像素?cái)?shù)據(jù)。如前所說，顯示卡以單獨(dú)的信道傳遞時(shí)鐘。水平同步和垂直同步信號(hào)經(jīng)編碼后在消隱期間通過藍(lán)色信道傳遞。紅色和綠色信道也可以在消隱期間傳遞另外的附加控制信號(hào)。fck是時(shí)鐘頻率，每個(gè)高速視頻數(shù)據(jù)線能以fck×10(bps)的速率傳遞。如fck是65MHz，傳遞速率是650MHz。

第二，傳送圖形數(shù)據(jù)信號(hào)。DVI編碼算法將8bit的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成10bit，使傳送的圖形數(shù)據(jù)信號(hào)的過渡過程最小。DVI對(duì)原始的8bit圖形數(shù)據(jù)作編碼，使之成為串行的DVI數(shù)據(jù)流，這個(gè)數(shù)據(jù)流由10bit組成。電線傳遞數(shù)據(jù)的頻率是像素時(shí)鐘頻率的10倍。顯示卡將像素時(shí)鐘頻率作為單獨(dú)的信號(hào)送給顯示器，顯示器通過恢復(fù)時(shí)鐘頻率和相位，然后解出原始數(shù)據(jù)，得出原始的像素值。

第三，使直流電壓達(dá)到平衡。為了做到直流平衡（DC-balanced），就要避免傳送一長(zhǎng)串的“1”，因?yàn)檫@樣會(huì)使電線被充電到一個(gè)比較高的直流電壓。因?yàn)樾诺缼捰邢蓿婚L(zhǎng)串的“1”中間有個(gè)“0”，很難將電壓一下子拉到底，于是和闌值相比就難以正確檢測(cè)出一個(gè)“0”來。為了使符號(hào)間的干擾最小，DVI通過編碼使電線上的DC直流電壓達(dá)到平衡，從而能夠使用光纖系統(tǒng)和其他的AC耦合通信信道系統(tǒng)。

第四，傳輸數(shù)據(jù)處理。在DVI系統(tǒng)中，發(fā)射器通過一個(gè)專用的50Ω屏蔽雙絞線傳遞數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理率可高至1.56Gbps，需要信號(hào)的上沖時(shí)間限制于100ps。因?yàn)殡娋€的電氣長(zhǎng)度接近8ns，需要處理傳輸線效應(yīng)的影響因素。也要使接收機(jī)的輸入阻抗和傳輸線的特性阻抗相匹配，使反射波不影響數(shù)據(jù)比特的檢測(cè)精度。

第五，長(zhǎng)線的傳輸。當(dāng)需要用長(zhǎng)的傳輸電線時(shí)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在三個(gè)分開的信道上傳輸，相互間在時(shí)間上會(huì)有明顯偏移。可以在不活動(dòng)的圖形中傳輸控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。在正常運(yùn)行時(shí)，如果一個(gè)信道的信號(hào)從另外二個(gè)信道的信號(hào)飄開，數(shù)字邏輯電路就開始一個(gè)使信道上信號(hào)重新排隊(duì)的過程。

第六，傳輸?shù)姆直媛省MDS中的差分電路，可以補(bǔ)償由于用雙絞線代替同軸電纜使傳輸?shù)男盘?hào)幅度受到限制。所以DVI用于雙連接有更多的信道，能夠有更高的分辨率，可同時(shí)傳輸二個(gè)顯示圖像（1920×1080）。

DVI標(biāo)準(zhǔn)是會(huì)最終取代VGA的，但使用模擬信號(hào)的習(xí)慣勢(shì)力是難以一時(shí)改變的。為此，連接器有二種類型。既有數(shù)字接口，又有模擬接口集成在一起的28腳連接器稱之為DVI-I ，而只有數(shù)字接口的24腳連接器稱之為DVI-D。

隨著顯示器技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是現(xiàn)在液晶顯示器大規(guī)模取代CRT顯示器之后，傳統(tǒng)的模擬接口已經(jīng)嚴(yán)重制約了液晶顯示器顯示效果和顯示潛力的最大發(fā)揮，DVI接口在未來終將完全取代VGA接口。

（作者單位：河南省漯河水利技工學(xué)校）