超高清顯示設備性能淺析

金 鑫，沙 巧，霍宏艷

（1.中央電視臺，北京 100142；2.深圳創維-RGB電子有限公司，廣東 深圳 518057； 3.國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015）

1 超高清顯示設備的認證監管

顯示技術的不斷演進發展，開啟了顯示設備從標清顯示、高清顯示向超高清顯示過渡的新篇章。4K、8K超高清顯示設備能為觀看者提供更多的信息量和更加細膩的圖像，極大地提高了消費者的觀看體驗[1]。然而，在提及超高清顯示設備時，人們關注更多的是其在畫面質量和像素顯示等方面的提高，對于這些產品本身的基礎電性能則鮮有人 研究。

超高清電視機和超高清顯示器等常見的超高清顯示設備均屬于強制性產品認證（CCC認證）范圍。在進行產品CCC認證時，根據不同產品界定，這些設備可以按照音視頻設備（08類）或信息技術類設備（09類）進行申請。根據產品認證實施規則，申請以上類別的認證產品均需進行型式試驗，對產品的電氣安全性能和電磁兼容性能進行考核。同時，超高清電視機和超高清顯示器等設備均需進行中國能效標識備案。被列入政府采購清單的設備，還需要進行節能認證，對產品的能源效率進行評價。

由此，對超高清顯示設備的電磁兼容性能、電氣安全性能以及產品能效進行研究，對比超高清設備與高清設備之間基礎性能指標的差異，對于超高清顯示設備的認證監管及市場準入具有重要意義。

2 超高清顯示設備的電磁兼容性能

超高清電視機的電磁兼容性能需按照GB/T 13837—2012《聲音和電視廣播接收機及有關設備 無線電騷擾特性 限值和測量方法》標準進行考核；超高清顯示器的電磁兼容性能需按照GB/T 9254—2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》標準進行考核，測試項目包括電源端子騷擾電壓和輻射騷擾場強等。超高清顯示設備作為各品牌的高端機型，一般而言，其內部供電電源的電磁兼容性能良好，PCB布局合理，內部走線規范，因此由電源供電和布線設計等原因產生的電磁兼容水平超標情況較少；而由于視頻信號顯示接口設計及其連接配線性能存在缺陷造成的電磁兼容水平超標情況較為常見。對顯示設備輻射騷擾場強測試曲線進行分析，可以發現波形曲線存在脈沖狀的超標點，而超標頻點一般為視頻信號的時鐘頻率或其倍頻。由此可以推斷，視頻信號線上的時鐘信號是顯示設備輻射發射水平超標的主要來源之一。

顯示設備的視頻信號時鐘頻率等于設備分辨率與屏幕刷新率的乘積。標清顯示技術每一幀像素為480×320；典型高清顯示技術每一幀像素為 1 920×1 080；超高清顯示技術主要包括4K、8K超高清技術兩個層面，4K超高清顯示技術每一幀像素為3 840×2 160，8K超高清顯示技術每一幀像素為7 680×4 320[2]。通過計算，標清信號時鐘頻率約為37.125 MHz，高清信號時鐘頻率約為148.5 MHz， 4K超高清信號時鐘頻率約為594 MHz，而8K超高清信號時鐘頻率可達1 GHz以上。顯示設備的分辨率越高，傳輸信號的時鐘頻率越高。研究表明，顯示設備的輻射騷擾特性與HDMI傳輸時鐘頻率具有密切關聯[3]。

不同分辨率下，典型設備在30～1 000 MHz頻率范圍內輻射騷擾場強的測試曲線如圖1所示。圖1中，藍色曲線為顯示分辨率為480×320的典型標清設備的輻射發射測試曲線，在其視頻信號時鐘頻率37.125 MHz處開始出現尖峰脈沖，后續伴隨的超標頻率多為時鐘頻率倍頻；紅色曲線為顯示分辨率為1 920×1 080的典型高清設備的輻射發射測試曲線，在其視頻信號時鐘頻率148.5 MHz處開始出現尖峰脈沖，后續伴隨的超標頻率多為時鐘頻率倍頻；綠色曲線為顯示分辨率為3 840×2 160的典型高清設備的輻射發射測試曲線，在其視頻信號時鐘頻率594 MHz處開始出現尖峰脈沖，后續伴隨的超標頻率多為時鐘頻率倍頻。由此可以看出，設備分辨率對產品的輻射騷擾發射特性影響顯著。

圖1 不同分辨率下典型設備的輻射騷擾場強

一般地，電子電路的輻射發射會以差模、共模或差模共模共存的方式存在。共模輻射對產品輻射發射起決定性作用，其發射頻率與電纜中有用信號的類型和幅值無關。共模輻射源可以看作由一個噪聲電壓（接地電壓）所驅動的偶極子或單極天線。對于一個長度為l<(λ/4)的短偶極子天線（線纜），離源距離為r處的遠場中測得電場強度的幅度為[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是觀測點與天線軸向間的角度。由式（1）可以得出，在產品結構和共模電流大小不發生變化的情況下，輻射場強與頻率成正比，騷擾信號頻率越高，輻射發射水平越高。

超高清顯示設備分辨率的提高會導致信號時鐘頻率提高，從而影響顯示設備整機的輻射發射特性及發射水平。優化顯示接口的電磁兼容設計、加強信號傳輸線纜的屏蔽以及采用軟硬件結合的方式，可以較大程度地降低信號時鐘頻率帶來的電磁輻射超標。

3 超高清顯示設備的能源效率

超高清電視機一般按照GB 24850—2013《平板電視與機頂盒能效限定值及能效等級》標準對其能源效率進行評估；超高清顯示器一般按照 GB 21520—2015《計算機顯示器能效限定值及能效等級》標準對其能源效率進行評估。以超高清電視機為例，其能源效率可按照如下公式計算[5]：

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

在亮度不變的情況下，屏幕分辨率升高會導致單個像素開口率降低，從而導致背光效率變低，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，不同的分辨率會造成設備GPU處理負荷的差異，屏幕像素量的增加意味著GPU計算和處理能力的增加，這將從一定程度上增加整機功耗。因此，超高清顯示設備與高清、標清顯示設備相比，能源效率更低。已發布的GB 24850—2020《平板電視與機頂盒能效限定值及能效等級》標準規定，分辨率大于3 840×2 160的平板電視機能效限定值所要求的最低能源效率僅為能效等級中的5級[6]。

4 超高清顯示設備的電氣安全性能

超高清電視機一般按照GB 8898—2011《音頻、視頻及類似電子設備 安全要求》標準對其安全性能進行檢測；超高清顯示器一般按照GB 4943.1—2011《信息技術設備 安全 第1部分：通用要求》標準對其安全性能進行評估。對超高清顯示設備進行電氣安全性能的考核旨在減少與電擊、能量、著火、熱量、機械危險、輻射以及化學危害等相關的各類傷害或危害。根據前述內容，超高清顯示設備與高清、標清設備相比，可能需要更大的功耗，因此超高清顯示設備在進行溫升（發熱）檢測過程中，可能出現不合格現象。

5 結 語

超高清顯示設備以高分辨率為消費者帶來更加優質的觀感體驗，同時，分辨率提升也會對產品的電磁兼容性能、能源效率以及電氣安全性能產生影響。因此，行業相關單位應對超高清顯示設備的電磁兼容、能源效率以及電氣安全等性能進行深入研究和優化，確保其產品性能持續符合相應認證標準的各項要求。