超高清顯示設(shè)備性能淺析

金 鑫，沙 巧，霍宏艷

（1.中央電視臺(tái)，北京 100142；2.深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司，廣東 深圳 518057； 3.國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

1 超高清顯示設(shè)備的認(rèn)證監(jiān)管

顯示技術(shù)的不斷演進(jìn)發(fā)展，開啟了顯示設(shè)備從標(biāo)清顯示、高清顯示向超高清顯示過渡的新篇章。4K、8K超高清顯示設(shè)備能為觀看者提供更多的信息量和更加細(xì)膩的圖像，極大地提高了消費(fèi)者的觀看體驗(yàn)[1]。然而，在提及超高清顯示設(shè)備時(shí)，人們關(guān)注更多的是其在畫面質(zhì)量和像素顯示等方面的提高，對(duì)于這些產(chǎn)品本身的基礎(chǔ)電性能則鮮有人 研究。

超高清電視機(jī)和超高清顯示器等常見的超高清顯示設(shè)備均屬于強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（CCC認(rèn)證）范圍。在進(jìn)行產(chǎn)品CCC認(rèn)證時(shí)，根據(jù)不同產(chǎn)品界定，這些設(shè)備可以按照音視頻設(shè)備（08類）或信息技術(shù)類設(shè)備（09類）進(jìn)行申請(qǐng)。根據(jù)產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則，申請(qǐng)以上類別的認(rèn)證產(chǎn)品均需進(jìn)行型式試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品的電氣安全性能和電磁兼容性能進(jìn)行考核。同時(shí)，超高清電視機(jī)和超高清顯示器等設(shè)備均需進(jìn)行中國(guó)能效標(biāo)識(shí)備案。被列入政府采購清單的設(shè)備，還需要進(jìn)行節(jié)能認(rèn)證，對(duì)產(chǎn)品的能源效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由此，對(duì)超高清顯示設(shè)備的電磁兼容性能、電氣安全性能以及產(chǎn)品能效進(jìn)行研究，對(duì)比超高清設(shè)備與高清設(shè)備之間基礎(chǔ)性能指標(biāo)的差異，對(duì)于超高清顯示設(shè)備的認(rèn)證監(jiān)管及市場(chǎng)準(zhǔn)入具有重要意義。

2 超高清顯示設(shè)備的電磁兼容性能

超高清電視機(jī)的電磁兼容性能需按照GB/T 13837—2012《聲音和電視廣播接收機(jī)及有關(guān)設(shè)備 無線電騷擾特性 限值和測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核；超高清顯示器的電磁兼容性能需按照GB/T 9254—2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，測(cè)試項(xiàng)目包括電源端子騷擾電壓和輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)等。超高清顯示設(shè)備作為各品牌的高端機(jī)型，一般而言，其內(nèi)部供電電源的電磁兼容性能良好，PCB布局合理，內(nèi)部走線規(guī)范，因此由電源供電和布線設(shè)計(jì)等原因產(chǎn)生的電磁兼容水平超標(biāo)情況較少；而由于視頻信號(hào)顯示接口設(shè)計(jì)及其連接配線性能存在缺陷造成的電磁兼容水平超標(biāo)情況較為常見。對(duì)顯示設(shè)備輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試曲線進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)波形曲線存在脈沖狀的超標(biāo)點(diǎn)，而超標(biāo)頻點(diǎn)一般為視頻信號(hào)的時(shí)鐘頻率或其倍頻。由此可以推斷，視頻信號(hào)線上的時(shí)鐘信號(hào)是顯示設(shè)備輻射發(fā)射水平超標(biāo)的主要來源之一。

顯示設(shè)備的視頻信號(hào)時(shí)鐘頻率等于設(shè)備分辨率與屏幕刷新率的乘積。標(biāo)清顯示技術(shù)每一幀像素為480×320；典型高清顯示技術(shù)每一幀像素為 1 920×1 080；超高清顯示技術(shù)主要包括4K、8K超高清技術(shù)兩個(gè)層面，4K超高清顯示技術(shù)每一幀像素為3 840×2 160，8K超高清顯示技術(shù)每一幀像素為7 680×4 320[2]。通過計(jì)算，標(biāo)清信號(hào)時(shí)鐘頻率約為37.125 MHz，高清信號(hào)時(shí)鐘頻率約為148.5 MHz， 4K超高清信號(hào)時(shí)鐘頻率約為594 MHz，而8K超高清信號(hào)時(shí)鐘頻率可達(dá)1 GHz以上。顯示設(shè)備的分辨率越高，傳輸信號(hào)的時(shí)鐘頻率越高。研究表明，顯示設(shè)備的輻射騷擾特性與HDMI傳輸時(shí)鐘頻率具有密切關(guān)聯(lián)[3]。

不同分辨率下，典型設(shè)備在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試曲線如圖1所示。圖1中，藍(lán)色曲線為顯示分辨率為480×320的典型標(biāo)清設(shè)備的輻射發(fā)射測(cè)試曲線，在其視頻信號(hào)時(shí)鐘頻率37.125 MHz處開始出現(xiàn)尖峰脈沖，后續(xù)伴隨的超標(biāo)頻率多為時(shí)鐘頻率倍頻；紅色曲線為顯示分辨率為1 920×1 080的典型高清設(shè)備的輻射發(fā)射測(cè)試曲線，在其視頻信號(hào)時(shí)鐘頻率148.5 MHz處開始出現(xiàn)尖峰脈沖，后續(xù)伴隨的超標(biāo)頻率多為時(shí)鐘頻率倍頻；綠色曲線為顯示分辨率為3 840×2 160的典型高清設(shè)備的輻射發(fā)射測(cè)試曲線，在其視頻信號(hào)時(shí)鐘頻率594 MHz處開始出現(xiàn)尖峰脈沖，后續(xù)伴隨的超標(biāo)頻率多為時(shí)鐘頻率倍頻。由此可以看出，設(shè)備分辨率對(duì)產(chǎn)品的輻射騷擾發(fā)射特性影響顯著。

圖1 不同分辨率下典型設(shè)備的輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)

一般地，電子電路的輻射發(fā)射會(huì)以差模、共?；虿钅９材９泊娴姆绞酱嬖凇９材］椛鋵?duì)產(chǎn)品輻射發(fā)射起決定性作用，其發(fā)射頻率與電纜中有用信號(hào)的類型和幅值無關(guān)。共模輻射源可以看作由一個(gè)噪聲電壓（接地電壓）所驅(qū)動(dòng)的偶極子或單極天線。對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度為l<(λ/4)的短偶極子天線（線纜），離源距離為r處的遠(yuǎn)場(chǎng)中測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度的幅度為[4]：

式中：E的單位是V·m-1；f的單位是Hz；Icm是天線（電纜）的共模電流，單位為A；l和r的單位為m，θ是觀測(cè)點(diǎn)與天線軸向間的角度。由式（1）可以得出，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和共模電流大小不發(fā)生變化的情況下，輻射場(chǎng)強(qiáng)與頻率成正比，騷擾信號(hào)頻率越高，輻射發(fā)射水平越高。

超高清顯示設(shè)備分辨率的提高會(huì)導(dǎo)致信號(hào)時(shí)鐘頻率提高，從而影響顯示設(shè)備整機(jī)的輻射發(fā)射特性及發(fā)射水平。優(yōu)化顯示接口的電磁兼容設(shè)計(jì)、加強(qiáng)信號(hào)傳輸線纜的屏蔽以及采用軟硬件結(jié)合的方式，可以較大程度地降低信號(hào)時(shí)鐘頻率帶來的電磁輻射超標(biāo)。

3 超高清顯示設(shè)備的能源效率

超高清電視機(jī)一般按照GB 24850—2013《平板電視與機(jī)頂盒能效限定值及能效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其能源效率進(jìn)行評(píng)估；超高清顯示器一般按照 GB 21520—2015《計(jì)算機(jī)顯示器能效限定值及能效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其能源效率進(jìn)行評(píng)估。以超高清電視機(jī)為例，其能源效率可按照如下公式計(jì)算[5]：

式中：Eff即平板電視能源效率；L為屏幕平均亮度；S為屏幕有效發(fā)光面積，Pk為開機(jī)狀態(tài)能耗；Ps為信號(hào)處理能耗；L×S可以看作屏幕發(fā)光總量，單位為cd；Pk-Ps可以看作有用發(fā)光功耗，單位為W。

在亮度不變的情況下，屏幕分辨率升高會(huì)導(dǎo)致單個(gè)像素開口率降低，從而導(dǎo)致背光效率變低，這就需要更大的背光功耗來保證屏幕亮度和色域；另一方面，不同的分辨率會(huì)造成設(shè)備GPU處理負(fù)荷的差異，屏幕像素量的增加意味著GPU計(jì)算和處理能力的增加，這將從一定程度上增加整機(jī)功耗。因此，超高清顯示設(shè)備與高清、標(biāo)清顯示設(shè)備相比，能源效率更低。已發(fā)布的GB 24850—2020《平板電視與機(jī)頂盒能效限定值及能效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分辨率大于3 840×2 160的平板電視機(jī)能效限定值所要求的最低能源效率僅為能效等級(jí)中的5級(jí)[6]。

4 超高清顯示設(shè)備的電氣安全性能

超高清電視機(jī)一般按照GB 8898—2011《音頻、視頻及類似電子設(shè)備 安全要求》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其安全性能進(jìn)行檢測(cè)；超高清顯示器一般按照GB 4943.1—2011《信息技術(shù)設(shè)備 安全 第1部分：通用要求》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其安全性能進(jìn)行評(píng)估。對(duì)超高清顯示設(shè)備進(jìn)行電氣安全性能的考核旨在減少與電擊、能量、著火、熱量、機(jī)械危險(xiǎn)、輻射以及化學(xué)危害等相關(guān)的各類傷害或危害。根據(jù)前述內(nèi)容，超高清顯示設(shè)備與高清、標(biāo)清設(shè)備相比，可能需要更大的功耗，因此超高清顯示設(shè)備在進(jìn)行溫升（發(fā)熱）檢測(cè)過程中，可能出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

超高清顯示設(shè)備以高分辨率為消費(fèi)者帶來更加優(yōu)質(zhì)的觀感體驗(yàn)，同時(shí)，分辨率提升也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的電磁兼容性能、能源效率以及電氣安全性能產(chǎn)生影響。因此，行業(yè)相關(guān)單位應(yīng)對(duì)超高清顯示設(shè)備的電磁兼容、能源效率以及電氣安全等性能進(jìn)行深入研究和優(yōu)化，確保其產(chǎn)品性能持續(xù)符合相應(yīng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求。