4.8.2. Цифровые интерфейсы подключения мониторов к видеоадаптеру
Для оценки реальных полос пропускания, требующихся для работы видеосистемы (сигнал такой полосы должен сформировать видеоадаптер, этот сигнал должны передать сигнальные линии интерфейсного кабеля и разъемы) пользуются формулой
,
где В – полоса пропускания; N – разрешение по горизонтали (число пикселей в строке); M – разрешение по вертикали (число строк в кадре); R – частота регенерации; 1.05, 1.3 – коэффициенты, учитывающие время обратного хода в строке и кадре.
Из данной формулы следует, что для видеорежима 1280×1024×60 потребуется полоса пропускания 107347968 Гц ≈ 108 МГц. Поэтому традиционный аналоговый канал передачи видеосигналов стал узким местом видеосистемы. По пути от ЦАП видеоадаптера к входам видеоусилителей монитора аналоговый сигнал проходит через пару разъемов и кабель. Несогласованность элементов, вызывающая отражение сигналов и неравномерности частотных характеристик, приводит к искажению формы сигналов яркости цветов, что становится особо заметным на режимах с высоким разрешением и высокой частотой регенерации.
Повышение быстродействия видеосистемы стало возможно при использовании цифровых интерфейсов.
В 1994 г. компания National Semiconductor разработала цифровой дисплейный интерфейс LVDS – Low Voltage Differential Signaling (торговая марка FPD-LinkTM, этот же интерфейс компания Texas Instruments использует под торговой маркой Panel BusTM). Позже на основе LVDS National Semiconductor разработала цифровой дисплейный интерфейс LDI-LVDS Display Interface (фирма использует его под торговой маркой Open LDI). Указанные интерфейсы не получили признания.
В 1996 г. VESA утвердила спецификацию цифрового дисплейного интерфейса Panel Link (FPDI-2), разработанного компанией Silicon Image. Структурная схема интерфейса Panel Link представлена на рис. 4.33. Интерфейс имеет 3 канала передачи данных (Data [0:2]) и канал синхронизации Clock. В каналах используется дифференциальная передача сигналов с минимизацией переходов – так называемый протокол TMDS (Transitions Minimized Differential Signaling).
Передача данных с применением переходов происходит при переключении уровня сигнала с низкого на высокий и наоборот. В типичном однопроводном варианте переходы для передачи данных создаются подъемом напряжения до высокого уровня и его снижением до низкого уровня. В технологии TMDS применяется пара сигнальных проводов: когда на одном проводе высокий уровень сигнала, то на втором сигнал переключается на низкий уровень. Если при этом размах изменения напряжения такой же, как в случае однопроводного сигнала, разность напряжения между проводниками пары будет в два раза больше. В результате данные передаются с большей степенью достоверности.
Каждый канал данных образован кодером, расположенным на видеоадаптере, линией связи и декодером, расположенным на мониторе. На вход кодера каждого канала поступает 8 бит кода яркости базисного цвета текущего пикселя. Кодеры преобразуют параллельный 8-разрядный код в специальный последовательный 10-разрядный код, в котором число переходов минимизировано, что позволяет повысить частоту передачи. Максимальная частота следования пикселей равна 165 МГц.
На вход кодера канала 0 поступают сигналы строчной и кадровой синхронизации, а на остальные каналы – дополнительные управляющие сигналы CTL [0:3]. В зависимости от значения входного сигнала разрешения данных DE кодеры передают либо данные цветовых сигналов, либо синхросигналы и управляющие биты. На приемной стороне сигналы декодируются и восстанавливаются в том виде, в котором они поступали на входы кодеров.
Метод кодирования TMDS пригоден и для передачи по оптоволоконному кабелю, но пока спецификация VESA определяет только электрический интерфейс.
Рассмотренный интерфейс послужил основой для интерфейсов P&D (VESA Plug and Display), DFP (Digital Flat Panel) и DVI (Digital Visual Interface). Так как на момент создания (1997 г.) P&D оказался слишком сложным и дорогим, то приступить к выпуску видеоадаптеров и мониторов, поддерживающих данный стандарт, ни один из производителей не решился. В настоящее время интерфейс P&D иногда используется в мультимедийных проекторах. Из-за ограниченных возможностей интерфейса DFP (максимальная частота следования пикселей равна 85 МГц) видеоадаптеры и мониторы с этим интерфейсом в настоящие время не выпускаются. Сейчас все шире используется DVI.
Второго апреля 1999 г. был представлен данный интерфейс, предназначенный для подключения устройств визуализации. Продвигается он группой компаний, известной под DDWG (Digital Display Working Group): Intel, IBM, NEC, Hewlett-Packard, Silicon Image и др.
Рис. 4.33. Схема цифрового интерфейса Panel Link (TMDS-соединение)
DVI основан на протоколе TMDS, но может поддерживать и два TMDS-соединения. Минимальный вариант DVI содержит только одно TMDS-соединение. В таком варианте интерфейс почти не отличается от аналогового – меняется только местоположение ЦАП и применяется цифровой способ доставки данных.
Однако для обеспечения независимости от типа устройства визуализации спецификация DVI возлагает компенсацию специфических характеристик цветопередачи на само устройство визуализации (для мониторов на ЭЛТ – это гамма-коррекция, для мониторов на ЖК – это S-коррекция).
Гамма-коррекция заключается в следующем.
Как отмечалось ранее, электронный луч
ЭЛТ модулируется напряжением, которое
прикладывается между управляющим
электродом (модулятором) и катодом.
Зависимость тока луча ЭЛТ
от разности потенциалов между катодом
и модулятором
называется модуляционной характеристикой.
Модуляционная характеристика ЭЛТ имеет
нелинейную зависимость и описывается
выражением
,
где γ (гамма) – коэффициент нелинейности модуляционной характеристики.
Такая же зависимость имеет место между
яркостью свечения экрана
и напряжением сигнала управления
яркостью
,
приложенным между катодом и модулятором:
,
где k – коэффициент пропорциональности.
Для ЖКИ, OLED, PLED также характерна нелинейная зависимость яркости свечения пикселя и приложенного к управляющим электродам напряжения (см. закон Малюса).
Нелинейность модуляционной характеристики приводит к искажению воспроизводимого на экране изображения. Для компенсации этих искажений и необходимо осуществлять гамма-коррекцию (либо в видеоадаптере, либо в устройстве визуализации).
Спецификация DVI также предусматривает способ повышения пропускной способности за счет более эффективного использования времени, отводимого на формирование изображения. Как показано на рис. 3.1, мониторы на ЭЛТ имеют довольно значительное время обратного хода луча по строке и кадру, в течение которого пиксели на экран не выводятся и линии интерфейса не используются. Для плоских матричных мониторов таких пауз не требуется, поэтому тот же объем данных о пикселях может передаваться за большее время – практически за все время, отводимое на весь кадр. Следовательно, можно либо снизить тактовую частоту передачи пикселей, не меняя разрешения, либо при той же частоте передачи пикселей увеличивать разрешение и (или) частоту развертки.
Спецификация DVI предполагает, что возможность передачи данных в течение всего периода кадра может появиться и у цифровых мониторов, построенных на обычных ЭЛТ, за счет внутреннего буферного запоминающего устройства. При наличии буферизации экрана в мониторе можно пойти и дальше: вместо непрерывной регенерации экрана передавать данные только при изменениях изображения.
В полном варианте DVI-D используется два TMDS-канала, информационная нагрузка должна распределиться поровну между каналами: четные пиксели передаются по каналам 0(B), 1(G), 2(R), а нечетные – соответственно по 3, 4, 5 каналам. В этом варианте интерфейс позволит передавать пиксели с частотой до 165·2=330 МГц (режим 2048·1536, частота регенерации 75 Гц требуют частоты передачи пикселей 322 МГц). Предусматривается и иное использование двух каналов: каналы 3, 4, 5 могут дополнить (как младшие биты) данные каналов 0, 1, 2 (старшие разряды), т.е. реализовать 48 бит на пиксель.
В вариантах DVI-I цифрового с традиционными аналоговыми сигналами линии R (аналог), G (аналог), B (аналог), HSync, GND (для аналоговых R, G, B) выведены на контакты С1, С2, С3, С4, С5 разъема, расположенные вокруг крестообразного ключа. В розетке имеется крестообразное отверстие, в котором установлен контакт С5. В чисто цифровом разъеме для DVD-D креста и контактов нет. Контакты и гнезда выполнены по современным технологиям: вместо стандартных цилиндрических штырьков контакты в DVI-разъемах сплющены и скручены, не требуют больших усилий для соединения, обеспечивают надежное и устойчивое соединение кабеля и разъема.
Кроме сигналов TMDS, в интерфейс DVI входят сигналы интерфейса VESA DDC2: DDC Data и DDC Clock, а также линия питания +5 В, по которой от видеоадаптера питаются цепи DDC2, позволяя обмениваться конфигурационной информацией даже с выключенным монитором. Конфигурационная информация позволяет системе определить возможности монитора и должным образом сконфигурировать имеющиеся каналы передачи данных, согласуя возможности и видеоадаптера, и монитора.
Имеется также сигнал HPD (Hot Plug Detect), с помощью которого видеосистема может следить за подключением/отключением монитора. «Горячее» подключение обеспечивается также и механическими особенностями разъемов, поддерживающих требуемую последовательность соединения/рассоединения разных групп контактов. Таким образом, мониторы с DVI обеспечивают все необходимые функции PnP.
Интерфейс и мониторы с DVI должны обеспечивать стандартные (VESA) режимы, начиная от 640·до 480 при частоте регенерации 60 Гц. При начальной загрузке предполагается, что в видеосистеме установлен VGA-совместимый видеоадаптер с данным видеорежимом. Далее предполагается, что и BIOS POST, и операционная система сами определяют поддерживаемые разрешения и интерфейс с помощью протокола DDC2. Для идентификации типа и возможностей монитора DVI использует структуру данных EDID. Используемое разрешение будет зависеть от режимов, поддерживаемых монитором; режимов, поддерживаемых видеоадаптером, и, конечно же, от пользовательских настроек.
После обнаружения цифрового монитора активизируется один канал TMDS. Второй канал TMDS активизируется только после того, как драйвер видеоадаптера определит наличие второго канала в мониторе, и только при условии, что видеосистема определит для текущего видеорежима требуемую полосу пропускания шире 165 МГц.
Далее настраивается еще два параметра: цветопередача и масштабирование. Как уже отмечалось, для независимости от типа монитора спецификация DVI возлагает компенсацию их специфических характеристик цветопередачи (гамма-коррекцию) на сам монитор.
Главной проблемой, с которой сталкиваются, когда речь идет о цифровых мониторах (главном применении спецификации DVI), является фиксированное «родное» разрешение. Именно в этом разрешении гарантируется качественное изображение. Так как цифровой монитор состоит из фиксированного количества пикселей, работа в разрешении больше «родного» невозможна. Если изображение сформировано в другом разрешении, то его необходимо масштабировать. Эту функцию можно возложить на видеоадаптер и на устройство отображения. Спецификация DVI предусматривает выполнение работы по масштабированию изображения самим устройством отображения. Если через структуру данных EDID определяется, что хотя у DVI-устройства фиксированное разрешение, но при этом оно поддерживает более одного разрешения, то предполагается, что в устройстве отображения существует система масштабирования.
Для обеспечения снижения потребления энергии, в соответствии со стандартом DMPM (Digital Monitor Power Management), который является модификацией спецификации DPMS, в интерфейсе DVI предусмотрена возможность автоматического включения/выключения монитора.
4.8.3. HDMI
Краткая история создания. В 2002 г. крупнейшие производители бытовой электроники, такие как Hitachi, Philips, Sony, Toshiba и др., предложили новый интерфейс High-Definition Multimedia Interface (HDMI). Он стал первым полностью цифровым интерфейсом для передачи несжатых потоков аудио и видео, при этом он обратно совместим с DVI, который передает цифровой поток видео.
Интерфейс HDMI постоянно развивается. Сегодня насчитывается уже несколько версий с разными номерами. Каждая версия использует одни и те же аппаратные спецификации и кабель, но отличается увеличенной пропускной способностью и типами информации, которые можно передавать через HDMI. Например, HDMI 1.0 поддерживает максимальную скорость 4,9 Гбит/с, а HDMI 1.4b – уже 15 Гбит/с.
Основные характеристики версий
HDMI 1.0:
максимальная пропускная способность интерфейса по одному проводу –4,9 Гбит/с;
поддержка видео до 165 мегапикселей в секунду (1080p, 60 Гц или UXGA) и 8-канального звука (192 кГц/24 бит).
HDMI 1.1:
добавлена поддержка защиты звука, требуемая для проигрывания DVD-Audio.
HDMI 1.2:
добавлена поддержка передачи однобитового аудиосигнала, такого, как Super Audio CD DSD;
разработан HDMI-разъём типа A с полной поддержкой всех форматов для PC-источников и дисплеев;
добавлена возможность для PC-источников использовать родное цветовое пространство RGB при сохранении поддержки YCbCr CE;
установлено требование для дисплеев с HDMI 1.2 и более поздних версий поддерживать будущие низковольтные (т.е. связанные по переменному току) источники, например, основанные на базе технологии ввода/вывода PCI Express.
HDMI 1.2а:
добавлена полная поддержка всех особенностей и наборов команд протокола дистанционного управления CEC (Consumer Electronic Control).
HDMI 1.3:
поднята частота синхронизации со 165 до 340 МГц, что позволяет увеличить пропускную способность интерфейса по одному проводу с 4,95 Гбит/с до 10,2 Гбит/с;
добавлена поддержка «глубокого цвета» (deep color, 30-, 36-, 48-битный цвет, 10, 12 или 16 бит на каждый компонент RGB) в высоких разрешениях вместо поддержки только 24-битного цвета у предыдущей версии;
поддержка стандарта цветопередачи xvYCC;
реализована автоматическая синхронизация видео- и аудиосигнала;
добавлена поддержка новых форматов цифрового звука Dolby HD и DTS-HD;
разработан новый мини-разъём для портативных устройств, таких, как камеры;
1.3b – управление бытовой электроникой;
поддержка 3D-изображения.
HDMI 1.4:
добавлена поддержка разрешения 4Kх2К (3840×2160 при 24/25/30 Гц и 4096×2160 при 24 Гц);
реализована возможность создания Fast Ethernet-соединения, 100 Мбит/с (HDMI Ethernet Channel, HEC);
реализована технология реверсивного звукового канала (ARC);
разработан новый интерфейсный разъём для миниатюрных устройств – mini-HDMI.
HDMI 1.4а:
улучшена поддержка 3D-изображения;
новые обязательные режимы Side-by-Side и Top-and-Bottom для вещательного контента в дополнение к режимам, имеющимся в спецификации 1.4. С учётом этих двух обязательных форматов, спецификация HDMI версии 1.4a обеспечивает уровень совместимости устройств, предназначеных для доставки 3D-контента через соединение HDMI. Обязательные 3D-форматы;
применение 3D-форматов: Дисплеи – должны поддерживать все обязательные форматы;
коммутаторы, хабы, и т.п. – должны быть в состоянии пропускать все обязательные форматы;
источники (Blu-ray-плееры, игровые приставки, ТВ-тюнеры) – должны поддерживать по крайней мере один обязательный формат.
HDMI 1.4b 2010 г.:
HDMI 1.4b стал одной из наиболее заметных технических новинок 2010 г. Основными преимуществами нового стандарта является увеличение функциональности и пропускной способности интерфейса, а также повышенное качество просмотра, мобильность и простота использования;
в данной версии интерфейс HDMI 1.4b полностью готов к выводу на экран дисплеев объемного (3D) видеоизображения. Кроме того, данный интерфейс способен передавать видео в разрешении до 3840×2160 и 4096×2160 точек;
HDMI 1.4b кабели оснащены двунаправленным каналом для передачи сетевых данных на скорости до 100 Мб/с, который подходит для использования IP-приложениями;
канал Ethernet позволяет нескольким устройствам работать в сети Ethernet без необходимости подключения дополнительных проводов, а также напрямую обмениваться контентом;
наличие обратного канала аудио устраняет необходимость в отдельном проводе для передачи звука в ресивер с телевизора или другого устройства, которое является одновременно источником аудио и видео;
HDMI 1.4b является существенным шагом вперёд по сравнению с предыдущими версиями HDMI. Кабели стандарта HDMI 1.4b обратно совместимы со всеми существующими сегодня на рынке устройствами.
Устройство кабеля показано на рис. 4.34.
Рис. 4.34. HDMI-кабель
Внешний вид разъема приведен на рис. 4.35.
Рис. 4.35. Внешний вид разъема HDMI
HDMI-кабель состоит из следующих частей:
1. Внешняя оболочка.
2. Экранирующая оплётка из проволок с дополнительной медной неизолированной жилой для пайки.
3. Экран из алюминиевой фольги.
4. Полипропиленовая оболочка.
5. Экранированные витые пары пятой категории с волновым сопротивлением 100 Ом для сигнала синхронизации, и сигналов трех основных цветов. Экран каждой витой пары имеет внешнюю изоляцию и проволоку для пайки.
6. Неэкранированная витая пара для сигналов SDA SCL.
7. Отдельно идущие проводники для питания и управляющих сигналов.