電視技術的演進

　　約翰洛吉貝爾德(John Logie Baird) 在1925年首次展示行動影像的傳輸，這個突破性的進展被公認為是電視的首次真正展示。后續的幾十年間，這個系統無疑地有許多更精細的改進，包括廣播方式的進步，但電視的基礎仍然相同：接收一個模擬訊號然后顯示在玻璃屏幕上。彩色取代了黑白、背投影產品補足了冷陰極管(CRT)的不足、纜線和衛星變成傳輸的媒介，但是最終電視還是一臺模擬的顯示器。

　　所有的一切在1990年代中期全世界第一臺高分辨率平面電視出現之后發生了變化。使用電漿技術的新電視，厚度只有CRT的一小部分。緊接著很快出現新的接口技術，例如數字影像接口(DVI)和高分辨率多媒體界面(HDMI)，這些都預告了模擬電視轉變成數字電視的趨勢。

　　然而，這只是個開端。HDMI讓播放格式尺寸不斷增加的高分辨率影像可以在我們的家用娛樂系統上顯示。對頻寬的要求開始增加，現有電視構造的限制開始越加明顯。

　　平面電視構造

　　如果我們簡單看看平面電視的主要零件，將會發現：

　　- 顯示面板 (電漿、液晶顯示器、有機發光二極管)

　　- 時序控制器(Tcon)板，用來驅動面板

　　- 影像處理器板，上面有系統單芯片(SoC)IC.負責把自訊號源接收進來的信息流轉換成Tcon的正確格式。

　　- 電源供應模塊

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　　圖1:一般平面電視拆解圖

　　當平面電視的尺寸還很小的時候，SoC和Tcon可以固定在同一塊印刷電路板(PCB)上。不過，當屏幕尺寸增加之后，繼續用一塊大型的PCB就變得太昂貴(也太重)，因而逐漸形成兩塊板子的解決方案。

　　當SoC和Tcon放在不同的PCB之后，就需要一種相互連接的技術來傳輸他們之間的訊號，在1990年代中期，電視制造商采用LVDS接口技術做為實際上的標準。

　　LVDS技術

　　LVDS(低電壓差分信號)是由國家半導體在1990年代初所研發的，于1996年首次使用在電視機中。16年后，它仍然是此項應用的主導技術。這項技術的真實名稱實際上是平面顯示器連結(FPD-Link)，但是因為它是LVDS的第一個大型應用，因此很多工程師將FPF-Link和LVDS做為同義詞使用。

　　LVDS被定義在ANSI/TIA/EIA-644-A標準中，這是由數據傳輸接口委員會TR30.2于1995

　　年發展的標準。它是低電壓、低功率的差分技術，主要使用在點對點和多點連接的接線驅動應用。此標準建議最大數據率655 Mbps,但最近推出的高速LVDS的限制已增加到大約1.2Gbps.

　　LVDS是設計為每個時脈可驅動7 個資料位。每5條資料信道就需要一條單獨的時鐘信道，而這就表示要增加大約16%的纜線固定成本。

　　LVDS及其擴充性

　　LVDS已經在業界盛行多年，近來分辨率和播放格式的進展已經導致頻寬增加不少。具有60Hz和120Hz更新頻率的電視已經在商店內販售，2012年的CES展甚至還陳列了4Kx2K的電視。因此，用來支持這些頻寬的LVDS線路的數目已增加頗多，導致電視制造商增加更多生產上的成本和復雜性。

　　隨著市場預估有較高更新頻率的電視出貨數目會穩定成長，LVDS的限制將變得更加明顯。成本壓力和工程限制將會迫使電視制造商尋求替代的解決方案。

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　　圖2:60/120/240Hz電視出貨預估

　　HDwire-取代LVDS的終極方案

　　TranSwitch所研發的HDwire提供了一個可替代LVDS 的先進方案。HDwire使用進階的信

　　號技術，可以用低價且簡單的扁平電纜取代多條LVDS纜線。這項技術預計能以少量線材和更簡易的系統設計簡化面板的相互連接方式。

　　HDwire接口可包含多達12條、每一條可支持5.0Gpbs的順向信息信道，和可支持1.25/2.50Gpbs的可選用的反向數據信道。這個接口可以支持每個色彩12位、分辨率4K x 2K、更新頻率120Hz(53.5Gpbs)，以及每個色彩12位、分辨率8K x 4K、更新頻率30Hz(53.5Gpbs)的顯示面板。HDwire提供比其它技術更低的EMI,因此不只簡化系統設計還能降低成本。HDwire被設計為可透過FR4 FPCB、FFC軟排線和現有的標準纜線，在使用最低功耗、低位錯誤率(BER)的情況下即可讓超高速影像運作。

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　　圖3:HDwire系統應用

　　當我們拿HDwireTM和LVDS解決方案相比，只需要一半頻寬(1080p、240Hz、 12位色彩產出、26.7Gbps)的HDwireTM接口，其簡單及具成本效益的優勢就變得更明顯了。

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　　圖4:針對1080p/240Hz電視(SoC板附畫面頻率變頻器)的LVDS解決方案

　　HDwireTM有一項比LVDS更佳的優勢，它的連結包括一條高速反向頻道，可以自Tcon板將數據傳送到SoC板。一般這個功能是透過使用I2C執行，但是這個通訊協議的頻寬量有限，每秒只有數個兆位。HDwireTM采用的反向信道是以和順向信息信道相同的技術為基礎，數據傳輸速率可達到1.25/2.5Gbps.這個高速反向連結有許多用處，例如可以用來將電視前框上的照相機連接到應用處理器，可以讓整體視訊會議的流程更順暢。觸控面板的資料也可以透過反向信道傳送，讓使用這種新興功能變的更簡單。

　　使用更便宜的纜線

　　HDwire技術的關鍵優勢之一就是它可以透過低成本的纜線完成高速的信號傳輸。排除對高成本LVDS排線的需求，使得HDwire解決方案省下不少成本。TranSwitch的技術展示是使用軟排線(FFC)作為高速媒介，HDwire的設計可以透過這種最長達1公尺的簡單線材運作。FFC和線材端子的相加成本比具備相同效用的LVDS成本要低很多，不需要降低任何最新款屏幕必備的高分辨率畫質就能輕易省下這些成本。

　　維持低功耗

　　隨著消費者的環保意識日漸增加，電視的消耗功率現在也變成前所未見的熱門話題。屏幕尺寸的增加，加上實際的顯示技術，意味著現在購買新電視時，屏幕的消耗功率變成一個重要的考量因素。能源之星(Energy Star)在他們最近將于2012年5月發表的規格中(版本5.0)，將32吋電視的開機時最大功率限制為55W,而50吋電視則是108W(相較之下，版本3.0的數字高達120W和353W)。這表示在分配系統的功率限額時，電視中的每個電路都會受到嚴密的檢查。

　　幸好，HDwire技術的功率消耗本來就很低。此設計使用預驅動器，以比不歸零編碼(NRZ)還低的頻率運作，可減少訊號源的功率消耗。這會幫助減少二重像和纜線輻射。此外，采用的訊號傳輸方法是使用多重訊號層，多數訊號是在低于完全電壓的層產生的。這也更加降低了系統的功率消耗。

　　反向信息信道

　　除了順向數據頻道之外，HDwire還整合了反向數據信道，可將數據從面板傳送到SoC.此信道可以1.25/2.50Gbps的速度運作，是將整合在電視面框上的相機連接到應用處理器的理

　　想導管。這個反向信道比目前大多數電視使用的獨立I2C連結更具優勢，因為它的速度遠遠超過一個I2C連結可提供的少量的Mbps.此外，因為它是和現有的設計和纜線整合在一起

　　,因此反向信道可節省額外成本并降低復雜度。

　　EMI優勢

　　除了HDwire單純功能上的優點之外，這項技術在電磁干擾(EMI)的也大大的改善。EMI是雙絞線發射出來的輻射電場。它是因為生產纜線時的小瑕疵所造成的，卻會對電視設計者造成大問題。發射出的干擾會造成電視機內部的電路以及鄰近的電器受到干涉。因此，降低EMI成為CE產品的關鍵要求也就不令人意外了。

　　一條雙絞線共享訊號發射出的輻射電場強度可以下列公式表示：

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　　E =從距離線材R的位置測出的電場強度[V/m]

　　f = 共享電流零件的正弦波頻率[Hz]

　　Icomm = 共享電流[A]

　　Len = 散發輻射的雙絞線長度[m]

　　R =從線材到電場量測位置的距離[m]

　　因為線材不是完美的(例如，差分對內延遲差)，差動發射訊號造成共享訊號(SCD11)。差動發射漏電至到共享訊號，可以透過散射參數SCD11, SCD22 , SCD21 和 SCD12量測出來。根據前述公式，共模訊號輻射成為共模訊號的EMI.共模訊號的EMI比差模訊號的EMI更強，在EMI量測中更加重要。

　　HDwireTM使用先進的信號傳輸技術，和其它技術使用的不歸零編碼(NRZ)相比，EMI可大幅降低。分析顯示，和NRZ相比，EMI輻射可降低約5.5dB,降低對抑制EMI技術的需求，也可以幫助簡化電視設計。EMI輻射和發射器頻譜及頻寬具有等比例的關系，HDwireTM的EMI表現改善可以歸因為以下幾項重要因素：

　　- 信號傳輸頻寬比NRZ少

　　- 功率強度比NRZ低

　　- 升/降時間比NRZ慢

　　下圖說明EMI的改善成果

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　　圖5:HDwire EMI表現與NRZ EMI表現之比較

　　為了判定EMI成果，首先必須要使用網絡分析儀量測一般雙絞線的S參數。這個S參數會使用在Matlab的仿真中，以決定產生共模EMI的差模-共模訊號的效用。從上圖中可看出結果顯示HDwire信號傳輸在關鍵的2.5GHz-3.5GHz頻率產生非常少的EMI.

　　HDwire成本優勢

　　HDwire優于LVDS的技術優勢已經在前述文章中詳加討論過了。不過，許多電視制造商感興趣的是轉換到這項新技術可省下的成本。下圖顯示出一臺4Kx2K電視的HDwire和LVDS的一般生產成本的比較。

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　　圖6:使用HDwire的4K電視系統的節省成本

　　確切減少的成本無疑地是取決于許多變量(例如數量)，但是上述圖標可用來說明哪些部份可省下成本。使用HDwire橋接IC結合現有的SoC和Tcon芯片可以減少多達一半的零件成本。 不過，當個別整合HDwire發射器和接收器IP(智能財產權)核心在SoC和Tcon時，可能省下的成本會大大地增加。

　　HDwire特色功能列表

　　下圖是HDwire橋接IC技術的部份關鍵特色(圖標為接收器)：

　　- 整合6條順向信息信道(可擴充至12條)，每條信道傳輸率5Gbps,以及1條反向信息信道

　　- 支持最大達100cm的FPCB,BER低于10-12

　　- 符合顯示面板的大范圍像素時脈

　　- 支持60Hz、120Hz和240Hz的面板更新頻率

　　- 異步HDwire輸入和4信道LVDS輸出- 虛擬隨機模式產生電路(PRBS)

　　- 支持低擺幅LVDS以降低EMI和功耗- 整合8051 MCU和RAM及ROM- 功率下降模式

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　　圖7: HDwire電路圖及特色表

　　HDwire系統

　　下圖8說明一般的HDwire系統，顯示如何將HDwire橋接IC整合到現有的板子設計中以支持此新接口。

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　　圖8: 一般使用橋接IC的HDwire系統

　　TranSwitch的HDwire產品也可以透過智能財產權(IP)核心的方式提供。讓SoC和Tcon廠商可以將此新技術整合到他們的IC中，代表這些裝置可以供應給內含HDwire的電視/面板制造商。如此的整合方式帶來的成本優勢及附加價值對生產商將會非常有益。

　　競爭力分析

　　既然已知LVDS的限制，那么出現其它與LVDS競爭的技術也就不足為奇了。以下是作者寫作本文時為作者所知的可替代LVDS的技術：

　　‐ HDwire

　　‐ V‐by‐One / V‐by‐One HS

　　‐ eDP

　　‐ iDP

　　V-by-One / V-by-One HS

　　V-by-One是由Thine電子公司研發的技術，用以取代LVDS.雖然目前V-by-One的市場占有率還很小，但是已經有一些電視制造商轉換到這個相對新的技術。LG是其中一個制造商，他們在2011年宣布改用V-by-One.

　　Thine意識到顯示器格式需要更大的頻寬，在2011年12月發表V-by-One 的1.4版 V-by-One HS.此規格的HS版本支持最高4Gbps數據傳輸率(有效傳輸率3.2Gbps)。

　　這項技術的關鍵特色如下：

　　·可擴充順向資料和時脈的Serdes組(序列器/解除序列器)數量，目前IC支持2條順向信道。

　　·支持最高4K x 2K、更新頻率240Hz、每個色彩12位(使用于多個IC上的32條信道)

　　·嵌入式時脈，接收器不再需要參考時脈。

　　eDP

　　嵌入式DisplayPort(eDP)是VESA推出的以DisplayPort標準為基礎的技術，用以取代LVDS.1.0版本于2008年12月推出，2011年2月發表1.3版本。eDP似乎是在筆電市場較有進展，在電視領域好象不太成功。

　　這項技術的關鍵特色如下：

　　·支持最高順向信道的4組Serdes及時脈，每組傳輸速率5.4Gbps(有效數據傳輸率為每組4.3Gbps)。

　　·有1條做為控制功能使用的1Mbps的回傳信道

　　·目前支持的最大面板分辨率為8位4Kx2K@60Hz.

　　iDP

　　iDP(內部DisplayPort)是另一個VESA標準，此規格的版本1于2010年4月發表，用以取代LVDS.此技術是以簡化的DP通訊協議為基礎。

　　iDP的關鍵特色如下：

　　·每條信道數據傳輸率固定為3.24Gbps

　　·沒有AUX信道

　　·嵌入式時脈(8B10B編碼)

　　·彈性頻寬(每數據庫最多16組，可超過1個數據庫)

　　·根據VESA網站資料顯示，iDP是以大型屏幕顯示器內的連接為目標，而eDP則是針對筆記型計算機的GFx和面板間的連接。

　　自從iDP標準在2010年第一次發表之后，就沒有其它新版本繼續發表。而且ST Micro網站上和iDP有關的最新新聞發布是2010年11月(LVDS-iDP Bridge ICs)。因此，這項技術看來似乎是已經暫停了。

　　下列表為和LVDS相關的每項技術的比較表

　　表：面板互相連接之技術比較

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　　HDwire的每個IC總計有30Gbps的原始頻寬(多芯片結構可擴充至60Gbps)，提供比其它任何競爭者更多的產量。在同類型技術中，反向影像資料信道是一個獨特的特色，讓HDwire增添更多產品價值。使用嵌入式時脈，不需要在接收器中使用振動器，所有纜線中的排線都用來傳輸資料，因此可減低傳輸的固定成本并簡化接收器時脈結構。

　　TranSwitch HDwire產品線

　　為了要滿足面板連接的不同選擇，TranSwitch研發了一系列的HDwire產品以符合CE產業的需求：

　　-HDwire發射器橋接IC,用于SoC板

　　-HDwire接收器橋接IC,用于Tcon板

　　-HDwire發射器IP核心，用于整合SoC IC

　　-HDwire接收器IP核心，用于整合Tcon IC

　　上述每項產品都提供相同的基本功能，也就是：

　　-支持多達6條順向信息信道(可擴充至12條)，每一條信道有5Gbps的原始數據傳輸率

　　-單一反向數據傳輸，傳輸率1.25/2.50Gbps.

　　-低EMI輻射

　　-支持FR4 PCB、FFC軟排線和現有的標準線材

　　HDwire技術展示

　　TranSwitch在2012年CES展出他們的解決方案，也可以透過預約的方式于公司位于以色列的研發中心體驗這項新技術。展示是使用TSMC 65nm制程的HDwireTM模擬測試芯片和Xillinx FPGAs數字設計，可透過單一條8線的FFC纜線運作4個1080p-60Hz影像輸入源。此設定等同于4Kx2K-60Hz位率的顯示器，足以說明HDwire可以輕松為下一世代的電視降低成本和復雜性。

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　　圖9:HDwire技術展示

　　總結

　　隨著更高分辨率的電視和播放格式的推出，對于可取代LVDS的需求已明顯增加。這些播放格式所需要的頻寬表示需要多條LVDS排線，因而增加了電視的生產成本。目前市場上有不少互相連接技術，但TranSwitch的HDwire解決方案提供無可匹敵的位率，結合了具附加價值的特色和杰出的EMI表現。HDwire可以透過單一低價纜線運作，是真正能取代LVDS的終極解決方案。