液晶显示器

显示器DVI接口深入研究

就今年的情况而言，液晶显示器的销售额已经超过了传统的CRT显示器，不过由于液晶显示器的单价较高，具体的销售数量台还没有超过CRT。目前人们选择液晶显示器一方面是看重该产品的节能性，一方面看重其体积小、占地少。目前销售的液晶显示器具有两种接口，DVI数字视频接口和模拟接口D型15针。



由于液晶采用的是一种纯数字的设备，那么直接通过DVI接口输入数字信号当然会更好，而通过D型15针接口就显得有些不明智了RAMDAC将数字信号转为模拟信号，再将模拟信号传入液晶显示器，最后通过液晶显示器内部再次转为数字信号。在CRT占据天下时模拟接口自然没有什么问题，不过在液晶大行其道的今天就显得有些不合时宜了。



实际上，笔记本电脑在很久以前就开始通过LVDS低电压微分信号传送器、接收器实现全数字显示了。而目前使用越来越多的数字接口DVI是由DDWG开发的。







对于模拟接口的显示器，我们都知道它和PC连接时需要进行手动调节才能得到好的图象；而对于采用DVI接口的显示器，尽管其承诺无需调节就可以达到有效的显示效果，不过这种情况只能在传送器和接收器都兼容DVI标准的前提下，同时还需要转换的信号符合标准，这个要求目前还很少由产品可以达到。数码接口芯片的供应商Silicon Image在购进7块GeForceFX 5200显卡进行测试后，发现其中没有一块符合DVI标准。仅仅拥有DVI接口并不意味着可以实现纯数字显示。



DVI标准



DVI是一种连接显卡系统和显示设备的标准，特别是纯数码显示设备，比如LCD等。一个DVI显示系统包括一个传送器和一个接收器。传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显卡PCB上；而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。如果用户希望得到一个完美显示的画面，那么传送器就需要将干净的信号传给接收器，而接收器自己也需要将信号解码并干净的传给显示器。



为了实现符合DVI标准，显卡在硬件上必须支持最低25.175MHz的带宽，这是实现最低的640×480@60Hz分辨率画面的条件。目前的DVI">为了实现符合DVI标准，显卡在硬件上必须支持最低25.175MHz的带宽，这是实现最低的640×480@60Hz分辨率画面的条件。目前的DVI 1.0标准规定的最大单通道带宽为165MHz，也就是在大多数情况下实现1600×1200的分辨率。



消隐期是指显示器准备开始显示另一幅画面或区域所需要的时间。CRT因为需要将电子枪重新定位到屏幕的一角，所以需要的消隐期相当的高；而LCD所需要的消隐期则相对短的多，不过并不是所有的产品都是这样。DVI标准要求LCD显示器的消隐期小于5%，如果消隐期大于这个标准，那么就需要显示器具有更大的带宽。举个例子:从理论上来讲，1600×1200分辨率下需要142MHz的带宽，如果计算上5%的消隐期，那么142MHz的带宽就显得有些紧张了。



DVI是基于TMDS电子协议设立的。TMDS是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递，传递的信号具有3-6个数据通道对以及一个频率信号对。在两个DVI通道的情况下，标准则允许更大的带宽。双连接的DVI显卡可以支持最大330MHz的带宽，这样可以轻松实现每个象素8bit数据，2048×1536分辨率。一块带有两个DVI通道的显卡具有2个TMDS传送器和2个DVI接口，这两个接口可以用来驱动两个不同的数字显示器。当然，用户也可以选择只驱动一个显示器，这样就可以获得更高的单通道带宽驱动高分辨率的画面比如优派的VP2290b。



测试DVI



上面我们提到，显示一个高分辨率画面需要一个高带宽信号，不过将数据以高带宽传输并不是一个简单的工作，需要用心设计传送器和接收器，甚至是显卡的PCB线路这也是成功的关键。一个高质量的传送器必须可以产生干净的信号，不过信号可以因为电路板设计的拙劣而“变形”和“扭曲”。



为了实现高分辨率画面，我们就需要对传送器进行测试，来确保它可以产生干净的信号；同时也需要对显示器的接收器做测试，来保证它可以干净的对信号解码并显示出尽可能完美的画面。



通常对显卡的测试方法是将液晶显示器、投影仪等DVI接受设备也显卡连接，测试人员查看不同设备上显示出的图案是否准确；对于接收器的测试则是将将其和不同的DVI传送器通常是显卡连接，查看测试图案是否符合原图。实际上，这两项测试均依赖与测试人员的观察，这可以相当主观而不易掌握的技巧。



科学的测试应该是在示波器下查看、分析传送器发送出的信号，通过观察示波器屏幕上的图案可以得到更客观、准确的判断。信号会在示波器上形成一个眼型的图案Data Eye。







在162MHz通过的眼型图案



这里是一个标准的眼型图案测试画面，我们给出的是在162MHz带宽上的图样。示波器通过自身的软件增加了一个黑色覆盖区，符合要求的数据区橙、黄色区域不会和蓝色区域混合，也就是说如果眼型图案保持在黑色区域内部，那么我们就可以认为信号是合格的。不过这种方法需要测试人员自行计算图象的抖动、上冲、下行值，并判断信号图象是否符合。



不过Silicon Image和Tektronix合作为Tek TDS 7404示波器开发了一款软件来自动进行计算，为测试人员提供了一种更好的方式。TDS 7404的结构类似与PC，采用的也是Windows操作系统，编写软件自然不是什么太困难的事。该软件在上面的图表上自动生成黑色和蓝色的区域，并会对信号的正确性发出“Pass”通过或是“Fail”失败的信息。不过这款产品可不便宜，一台全配置的TDS 7404，售价70000美元，上面提到的软件售价为2000美元。







TekTDS 7404



测试DVI接收器要相对麻烦一些，因为在这里测试人员必须自行生成测试图案，在其中还要包括足够的干扰和抖动来测试接收器的极限。对接收器的测试是为了让数字显示设备可以呈现出尽可能干净的画面。







有干扰的DVI画面



提醒大家注意实际的显示质量和DVI是无关的。



实际测试



目前越来越多的显卡芯片都设计了内建的TMDS传送器。这对于显卡设计而言是一项挑战，它意味这模拟和数字混合信号电路需要通过制造技术来满足纯数字信号的需要。集成TMDS传送器的质量需要最好的，目前大约有7家显卡厂商采用了Silicon Image的传送器芯片。



实际上，我们选择了一款带有两个DVI接口的显卡来进行测试，该显卡内建了一个TMDS传送器，同时也采用的Silcon Image的SiI164芯片提供另一个DVI接口。



下面的图样为SiI164芯片对应的接口:







Eye Diagram - Port with SiI 164 chip



大家可以发现，这款芯片没有通过测试。软件绘制的蓝色区域超过了信号的边界。



根据Silicon Image的Mark Williams的说法，在PCB上更合理的设计SiI164芯片可以解决这个问题；同时在实际使用中，一般用户也不会察觉到这个问题。



当我们切换到显卡内建的TMDS传送器接口时，情况变得更糟糕了。首先，我们将一个使用边际DVI接收器的液晶显示器与其连接，产生的画面可以用“糟糕”来形容，Tek示波器甚至无法生成眼型图案。



出现这样的情况主要时因为集成的TMDS传送器只有142MHz的工作频率，为了提供1600×1200的画面而不得不减少了信号消隐期。这种做法在一些显示器上不会出现什么问题，不过在更多其他产品上则会引起图象抖动、象素点偏移等情况。







不过在我们的测试中，即使使用了减少了消隐期142MHz还是无法得到正确的画面如上图所示。



展望



显卡集成的TMDS传送器出现的问题并不是不能克服的，我们相信已经有一些显卡芯片厂商可以拿出合适的产品，不过一切都需要在测试过后才可以下结论。



通常的画质研究集中在显卡如何通过特殊的渲染功能产生漂亮的画面，不过现在我们应该加入一项新的测试内容:DVI信号一致性。我们会在今后对DVI信号的质量做更深入的探讨，并希望它成为今后显卡测试的一部分。