淺談計算機顯示器視頻信號接口

大多數電腦主機和顯示器的連接，都是經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，顯示卡產生的數字信號在傳輸過程中則先被轉換成模擬信號后才送到顯示器的，再轉變成數字信號由顯示器顯現出來。這種“數字—模擬—數字”反復轉換模式的缺點是顯而易見的，也就是會明顯地降低其顯示的影像質量。而DVI（Digital Visual Interface）數字接口的工作原理就是將顯示卡產生的數字信號原封不動地傳輸給顯示器，它的最大優點是在信號傳輸過程中沒有任何信號損失，同時，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的干擾。下面將VGA和DVI技術分析如下。

一、VGA顯示卡接口

VGA顯示卡接口（Video Graphics Array），最早是1987年由IBM開發的顯示器640×480顯示模式。微軟Windows系列產品的開機畫面使用的是VGA顯示模式。后來隨著電子技術的發展，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展，VGA也發展到了UXGA（Ultra Extended Graphics Array），中文名為“極速擴展圖形陣列”以及WSXGA（Widescreen Super Extended Graphics Array Plus）中文名為“寬屏高級擴展圖形陣列”。前者UXGA分辨率達到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：從應用程序取得數字數據，將它儲存在VRAM (Video Random Access Memory)(顯存)，并利用數模轉換器（DAC）將數字數據轉換成模擬量以滿足掃描所需，形成模擬信號后通過VGA電纜連到顯示器。VGA連接器有三根連接紅、藍、綠彩色信號的線和二根用于水平和垂直水平同步信號線。用于普通電視顯示器時，這些信號綜合成一個復合視頻信號。對于等離子體、液晶平板顯示器 、DLP和投影顯示器，因為它們都是數字顯示器件，模擬信號還要轉換回數字信號才能顯示，這就增加了產品不必要的開支和復雜性。數字到模擬，又從模擬到數字的視頻信號轉換會引入采樣誤差，導致圖像質量下降，并需要增加控制措施用以糾正在這個過程中引入的誤差。顯示器分辨率越高，要求從計算機到顯示器的傳輸電纜帶寬越寬。對于模擬信號，電纜越長，高頻衰減越嚴重 ，失真累積會使圖像畸形、色彩失真。

二、DVI數字視頻接口

DVI（Digital Visual Interface），即數字視頻接口。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，數字顯示工作組）推出的接口標準。最大支持2560×1600的分辨率。DVI提供了一個單一的通用的數字接口，主要用于計算機和顯示器的數字連接。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）。這一視頻顯示技術獲得社會廣泛支持，因此具有長遠的發展優勢。

DVI標準的協議是基于TMDS(最小化傳輸差分信號:Transition Minimized Differential Signal ) 技術，并采用TMDS的編碼機理。TMDS是用于將圖形數據送到顯示器的技術。它通過實施一個先進的編碼算法，8bit的數據轉換成10bit，從而使過渡過程的上沖和下沖最小，使DC接近平衡。它以差分形式發信號，信號的最佳化使得對銅線的電磁干擾（EMI）減少，并使得通過光纖傳送的數據趨于直流平衡，另外，這種先進的編碼技術使得接收端能夠有可靠的時鐘恢復，從而能使用較長的電纜。采用TMDS機理具有以下6個特點。

第一，TMDS信號傳輸。TMDS從圖形控制器取得信號，決定顯示器用的分辨率和刷新頻率，將信號擴展到可用的帶寬上。TMDS用四個信道傳送線，三個是視頻數據線（紅 、綠 、藍），一個是時鐘線。顯示卡通過連接中的紅色信道送出紅色像素數據，同樣通過藍色信道和綠色信道送出綠色和藍色像素數據。如前所說，顯示卡以單獨的信道傳遞時鐘。水平同步和垂直同步信號經編碼后在消隱期間通過藍色信道傳遞。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。fck是時鐘頻率，每個高速視頻數據線能以fck×10(bps)的速率傳遞。如fck是65MHz，傳遞速率是650MHz。

第二，傳送圖形數據信號。DVI編碼算法將8bit的圖形數據轉變成10bit，使傳送的圖形數據信號的過渡過程最小。DVI對原始的8bit圖形數據作編碼，使之成為串行的DVI數據流，這個數據流由10bit組成。電線傳遞數據的頻率是像素時鐘頻率的10倍。顯示卡將像素時鐘頻率作為單獨的信號送給顯示器，顯示器通過恢復時鐘頻率和相位，然后解出原始數據，得出原始的像素值。

第三，使直流電壓達到平衡。為了做到直流平衡（DC-balanced），就要避免傳送一長串的“1”，因為這樣會使電線被充電到一個比較高的直流電壓。因為信道帶寬有限，一長串的“1”中間有個“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出一個“0”來。為了使符號間的干擾最小，DVI通過編碼使電線上的DC直流電壓達到平衡，從而能夠使用光纖系統和其他的AC耦合通信信道系統。

第四，傳輸數據處理。在DVI系統中，發射器通過一個專用的50Ω屏蔽雙絞線傳遞數據。數據處理率可高至1.56Gbps，需要信號的上沖時間限制于100ps。因為電線的電氣長度接近8ns，需要處理傳輸線效應的影響因素。也要使接收機的輸入阻抗和傳輸線的特性阻抗相匹配，使反射波不影響數據比特的檢測精度。

第五，長線的傳輸。當需要用長的傳輸電線時，數字數據在三個分開的信道上傳輸，相互間在時間上會有明顯偏移。可以在不活動的圖形中傳輸控制數字數據，提供一個時間基準。在正常運行時，如果一個信道的信號從另外二個信道的信號飄開，數字邏輯電路就開始一個使信道上信號重新排隊的過程。

第六，傳輸的分辨率。TMDS中的差分電路，可以補償由于用雙絞線代替同軸電纜使傳輸的信號幅度受到限制。所以DVI用于雙連接有更多的信道，能夠有更高的分辨率，可同時傳輸二個顯示圖像（1920×1080）。

DVI標準是會最終取代VGA的，但使用模擬信號的習慣勢力是難以一時改變的。為此，連接器有二種類型。既有數字接口，又有模擬接口集成在一起的28腳連接器稱之為DVI-I ，而只有數字接口的24腳連接器稱之為DVI-D。

隨著顯示器技術的不斷進步，尤其是現在液晶顯示器大規模取代CRT顯示器之后，傳統的模擬接口已經嚴重制約了液晶顯示器顯示效果和顯示潛力的最大發揮，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校）