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邁向高解析/高更新率/高動態對比 影音傳輸介面驗證挑戰更棘手
2018 2018-09-25

本篇文章同步刊登於新電子科技雜誌 2018年9月號 (總號第390期)

觀賞一場身歷其境的世界盃足球賽已不再是一場遙不可及的夢,隨著民眾對影音品質的要求日益提升,各種顯示技術邁向高解析度、更快的更新頻率、高動態對比發展,並針對支援4K /8K甚至10K影像提出最佳解決方案。目前主流的有線影音傳輸介面,包含HDMI、DisplayPort、Thunderbolt等技術,各自有不同的規格特色及發展願景。而在技術推陳出新的同時,廠商在產品開發過程亦會遇到不少技術驗證上的困難點,本篇文章將分享各傳輸技術的演進,並針對不同技術問題提出解析與建議。

 

1. DisplayPort技術演進與驗證困難點

數位影音介面DisplayPort(簡稱DP)是由影像電子標準協會(Video Electronics Standards Association;VESA)於2006年制定,主要用於顯示器等裝置的連線,一推出即受到Dell、HP、AMD、NVIDIA等全球知名廠商的青睞,在當年就有採用 DisplayPort技術的產品推出,像是液晶螢幕、筆電、及顯示卡等。

DisplayPort從1.1規格支援2K解析度以及聲音傳輸,到2009年發布的1.2規格,由原有的單通道頻寬2.7Gbps增加到5.4Gbps,解析度更達到4K60,另支援3D功能、High Bit Rate Audio以及單獨使用一個DP接口,即可同時驅動多台螢幕的多螢幕顯示功能(Multi Stream Transport;MST)。這也讓當時DisplayPort 1.2在跟HDMI 1.4規格作比較時較為勝出,因為當時HDMI 1.4只支援到4K30並且沒有類似MST功能,需要兩個HDMI發送接口以驅動兩個螢幕。

 

圖1:DP支援的多螢顯示功能(MST)

 

到了2016年底推出的DisplayPort 1.4世代,單通道的頻寬又提升到8.1Gbps,使得影像解析度向上支援到8K30(無顯示串流壓縮狀況下以4:2:2色彩取樣模式),另新增了HDR功能以及顯示串流壓縮技術(Display Stream Compression; DSC),DSC技術的壓縮比高達3:1,可在同頻寬條件下,以較好的4:4:4色彩取樣模式,支援較8K30更高的解析度以及更快的更新頻率。

 

 DisplayPort Alt Mode 

除了標準DP以及Mini-DP介面,DP技術亦可應用在USB Type-C介面(亦稱作USB-C),也就是DP Alt Mode Over USB-C技術,DP Alt Mode擁有多樣性傳輸模式,亦可同時傳遞DisplayPort高解析度影像訊號、USB資料以及高達100W的電力;除了USB-C to USB-C傳輸介面,USB-C to HDMI/VGA/DVI/DP轉接器亦可作為DP溝通管道。

圖2:DP Alt Mode技術

 

在使用DP Alt Mode不傳送USB訊號狀況下,DP訊號是可以使用四個通道的;然若是在DP Data跟USB Data同時傳送狀況下,DP最多只能使用二個通道,所以會少掉二個通道頻寬。所幸VESA推出了DSC壓縮標準,這使得DP即使使用二個通道,還是可以傳輸8K30解析度的影像。

 

 市場急迫待解的相容性議題 

基於USB-C通用性,終於使得IT產品以及行動裝置陸續採用DisplayPort over USB-C來做為影音傳輸介面,然而由於DP Alt Mode提供更大彈性以及更多功能的用途,相對應地產品在設計上也較為複雜,加上新舊技術需向下相容,產品與產品間因協定溝通不良等因素,容易造成產品互不相容、無法正常連接運作,最後導致用戶體驗不佳,嚴重影響自身品牌形象。

由於市場應用裝置類型眾多,採買各樣式裝置成本較高,故廠商可尋求備有豐富多元裝置資料庫的百佳泰專業測試實驗室協助,選擇符合自身產品需求的相容性測試,無論是一網打盡、挑選市占率高的熱銷機種達到市場上高度相容性信心水準的Test to Pass測試,亦或是針對重點問題,和相容性問題高的機種作全面性地配對、驗證測試發掘重要問題的Test to Fail測試,都不失為解決相容性問題的有效方案。

 

 高動態對比(HDR)的表現力問題 

除了DP相容性問題,HDR的表現力亦是另一個問題點。高動態對比(High Dynamic Range;HDR),簡易而言,就是讓原本的影像及圖檔可以透過DP 1.4 規格內的HDR封包及EDID定義的亮度(luminance),讓支援HDR功能的Source跟和Sink能夠彼此溝通,進而忠實呈現最明亮與最深黯的位階之間的對比細節。   

協會於今年剛推出DisplayHDR認證服務,然只有針對支援HDR面板產品檢測,並沒有對DP Source產品及USB-C to HDMI/DVI轉接器或線纜產品做測試。而現今的Sink(訊號接收端)產品都有搭載HDMI接口,也愈來愈多Source(訊號傳送端)產品搭載USB Type-C接口,所以連接兩種接口產品的USB-C to HDMI線纜亦在市場上逐漸受到歡迎。由於DP 1.4和HDMI 2.0規格也有支援HDR功能,所以DP Source連接到HDMI Sink原則上是可以實現HDR功能的。

經由百佳泰實際測量支援HDR的USB-C to HDMI線纜,發現了二個有趣的現象:第一個是亮度(luminance),當HDMI HDR螢幕透過HDMI線纜連接一台HDMI HDR Source產品時,螢幕呈現的亮度可達到最佳規格600 nits;然而若是連接到一台DP HDR Source產品,螢幕的亮度會明顯下降,而下降的變化是人眼可以輕易分辨得出來。

圖3:透過USB-C to HDMI線纜傳輸,螢幕無法達到最佳規格

 

另一個現象是色域(Color Gamut)表現的改變,Color Gamut關係到顯示器呈現物體色彩的表現,也是使用者能夠感覺到差異的地方。目前幾乎每一個關於面板顯示標準組織,都會制定相關測試規格及檢驗的項目。

圖4:理想中的顯示器Color Gamut值

 

以上圖例來說明,黑色的三角形是DCI-P3的規格要求,而紅色三角形是螢幕用光學設備所量出來的Color Gamut效能。紅色三角形跟黑色三角形的重疊面積愈高,表示顯示器的Color Gamut效能愈好。

圖5:透過USB-C to HDMI線纜傳輸,顯示器Color Gamut值有偏差

 

而經由實測USB-C to HDMI線纜,可以很清楚看到上圖的紅色三角形偏離DCI-P3規格定義的黑色三角形許多,代表顯示器的Color Gamut透過USB-C to HDMI線纜被改變了,意即無法在HDR顯示器可以呈現很好的色彩度。

圖6:透過USB-C to HDMI線纜傳輸,螢幕產生色差

 

綜合上述問題,在啟動HDR功能後,螢幕卻達不到HDR ecosystem應有的HDR表現力,是會造成使用者對購買的HDR產品產生不信任感。目前ITE半導體推出的HDR-Capable DP to HDMI 2.0 Converter IC(IT6564),是第一個通過百佳泰實驗室推出的DisplayPort Advanced Test Program認證測試,即便透過轉接線傳輸,螢幕畫面依舊能夠呈現HDR應有的品質。

 

2. HDMI技術演進與驗證困難點

高解析度多媒體介面(High Definition Multimedia Interface; HDMI)於2002年由各家電視業者共同推出,是為了和早期DVI介面相容的影音連接器發展而來。該影音介面可同時傳送影像及聲音訊號,現已成為家用消費性顯示器所採用的標準,例如透過筆電、PS4等將影像資料與家中電視機同步播放。

VESA於2016年底推出DisplayPort 1.4,堪稱是當時最高規格的影音傳輸技術,HDMI協會(HDMI Licensing Administrator, Inc.;HDMI LA)也不惶多讓,終於在2017年底發表了最新規格HDMI 2.1。

HDMI 2.1可支援多種高解析度及更快更新頻率,採用了新的FRL(Fixed Rate Link)技術搭配16b18b編碼方式,使得原本HDMI 2.0的影像輸出規格從4K60提升至8K60。在更新頻率上,因頻寬從原有HDMI 2.0的18G提升至48G,使得原有4K60的更新率變為4K120,等於足足提升了約兩倍速,在播放4K動態影像轉換將更加流暢,減少殘影現象。

圖7:HDMI 2.1支援的更新率

 

再加上採用了VESA提出來的視訊串流壓縮格式(Display Stream Compression;DSC),可以讓同頻寬條件下支援更高的解析度及更快的更新頻率,高達10K120。

圖8:HDMI 2.1支援的解析度

 

此外,HDMI 2.1也搭配了可變更新率(Variable Refresh Rate; VRR)讓來源裝置和顯示裝置更智能地同步變換與調整更新頻率,來減少或是消除畫面延遲、停住等不正常的現象。

快速畫面傳輸技術(Quick Frame Transport;QFT)是指來源裝置可以允許畫面與畫面之間(frame)能夠更快速地切換以降低延遲現象,進而創造順暢無延遲的互動式虛擬遊戲實境。

為了讓消費者在切換不同多媒體內容時(例如從電影切換到運動賽事),能夠體驗到前所未有的順暢感,快速媒體切換模式(Quick Media Switching;QMS)讓來源裝置在快速切換解析度或是更新率下,顯示裝置不至於有空白延遲或是任何顯示中斷。

而自動低延遲模式(ALLM)是透過自動最佳的延遲設定來達到最佳的畫面表現力,實現流暢不間斷地影像播放。

在影像的細節上,從原本支援HDR格式的PQ10和HLG的靜態HDR提升到動態HDR,使得每一個場景、每一個Frame都能達到最佳景深、明亮、對比、色域等的參數的呈現,讓影像明暗之間呈現更豐富的細節。

圖9:靜態HDR(每一個Frame都運用相同的影像資訊)

 

圖10:動態HDR(每一個Frame或是每一個Scene都有相對應的影像資訊)

 

在音頻上,eARC(Enhanced Audio Return Channel)是原有音頻回傳通道(ARC)的加強版。eARC不一定要靠CEC即能夠簡易連接,可以支援最新的音頻格式以及最高的音質,例如DTS Master、DTS:X、Dolby TrueHD、Dolby Atmos等。 

為了達到最大傳輸頻寬48G,HDMI 2.1也在線纜與連接器上,推出新規格使其支援未壓縮的HDMI 2.1功能,以及具有非常低的EMI輻射。

圖11:HDMI 高速傳輸線纜

 

綜觀所述,HDMI 2.1除了在解析度、更新率以及頻寬提高之外,同時也加強了影像細節、音頻與音質規格,而新增的影像規格也直接提升了使用者真實體驗感受,像是遊戲不能有Lag、畫格撕裂畫面,動畫及影片的觀賞也必須順暢、無停滯,VR也要能不間斷及時的互動,電視電影的媒體內容切換也需要迅速、無空白間斷。

不過HDMI 2.1規格的產品,最快也要等到2019年之後才會在市場上出現,甚至得等到2020年才會慢慢開始普及。目前產品大宗仍是HDMI 2.0以及HDMI 1.4,而為了確保HDMI產品能夠正確傳送收發影音以及控制訊號,目前HDMI 1.4及2.0皆有相對應的CTS(Compliance Test Suite),廠商可向HDMI LA授權的HDMI實驗室申請認證測試,以確保產品的影音傳輸品質。

 

 HDMI 測試解決方案 

百佳泰專業實驗室提供了HDMI測試大數據分析,我們可得知整個HDMI訊號傳送裝置(Source)測試過程中,在電氣測試(Electrical Test)發生問題的機率占了66%;非電氣測試(Protocol、Video、Audio以及其他類別)則有占了34%。

而HDMI訊號接收端裝置(Sink)方面,由於延伸顯示能力識別(Extended Display Identification Data;EDID)是儲存於Sink裝置的螢幕參數資料,因此特別多了EDID類別測試。透過下表數據分析顯示,在HDMI 1.4測試方面,電氣(Electrical)問題占了49%,EDID則為20%,非電氣測試(Protocol、Video、Audio以及其他類別)則為31%;HDMI 2.0則在電氣(Electrical)方面占了22%,EDID占了43%,非電氣測試(Protocol、Video、Audio以及其他類別)占了35%。  

 

 

 

 

表格1:HDMI Sink發生問題比率

 

廠商一般在工程驗證階段(Engineering Verification Testing: EVT),會先找出硬體與機構規格是否有重大設計問題並加以修正,因此在EVT階段建議進行電氣測試(Electrical Test),針對各個pin腳量測電壓、電流、容抗、阻抗是否符合產品規格,提前發掘並修正硬體問題,以作為進入設計驗證階段(Design Verification Testing: DVT)版本依據。

在這邊舉一個常見的電氣測試問題,Sink裝置會因抖動容忍度(Jitter Tolerance)超過規範標準,而造成螢幕沒有畫面、或是畫面有雜訊螢幕閃爍等狀況,建議的解決方案除了晶片商透過軟體調整設定值(Equalizer value),另外可以要求廠商更改TMDS電阻。

EDID亦是令廠商多加費心的測試項目,當一HDMI Source無法正確讀取Sink的EDID,會無法正確輸出解析度、xvYCC、YCbCr、RGB等訊號,故針對筆電類的產品,百佳泰建議直接更換顯示卡的驅動程式版本或是v Bios版本;而非筆電類產品則是建議直接更新Firmware。

而若是HDMI Sink端因EDID宣告有誤,或是EDID格式有誤,會造成HDMI Source端無法正常辨識、讀取Sink端的EDID表格,而無法正常輸出訊號給Sink端。最常見的解決方案,是要設計更改EDID內容以及更新功能宣告表單(CDF)。

 

3. Thunderbolt技術演進與驗證困難點

Thunderbolt是Intel於2009發表的連接器標準,被當作電腦與其他裝置之間的橋樑。Thunderbolt結合了兩種通訊協定,包含作為資料傳輸的PCI Express,以及用在影像傳輸的DisplayPort,能夠完整相容現有的DisplayPort裝置。

Thunderbolt™ 1於2011年推出,雙向傳輸速度可高達到10 Gbit/s速度,堪稱是當時最快的傳輸技術。Thunderbolt™ 2於兩年後推出,除了可支援20 GBit/s雙向傳輸,另可傳送4K解析度顯示器。第一代及第兩代Thunderbolt使用的Mini DisplayPort介面,由於Thunderbolt成本昂貴,加上Mini Displayport的介面較為特殊,市場上僅蘋果產品或是極少數的Windows高階系統在使用,普及率較低。

Thunderbolt自2015年推出了第三代,重大規格改變開始使用USB Type-C介面,雙倍頻寬更支援到40 Gbit/s,另具備Type-C最大供電100W功能,並支援USB 3.1(10 GB/s)及3.1規格以下功能、HDMI 2.0和DisplayPort 1.2傳輸,同時也與USB Type-C端口相容,並能兼容Thunderbolt 第一代及第二代產品。此外,由於Thunderbolt™ 3有著40 Gbit/s的頻寬,因此一個Thunderbolt™ 3的端口即可透過Thunderbolt 3-Dual DP/HDMI adapter產品來實現同時連接兩個4k顯示器的設置。

值得一提的是,Intel於2017年所新推出的Thunderbolt™ 3新一代晶片 Titan Ridge,其DisplayPort部份可支援到DisplayPort 1.4規格,意味著若是Source端及Sink端皆使用Thunderbolt 3 Titan Ridge晶片,即可實現8K顯示的需求。

那麼,消費者該如何判別自身購買的USB Type-C產品是否搭載Thunderbolt呢?一般來說,USB Type-C接頭上標示一個閃電圖樣即代表Thunderbolt™ 3,若USB傳輸速度支援至 USB 3.1,就會在接頭上標示「SS」 。

圖12:USB Type-C線纜使用Thunderbolt傳輸標示

 

在測試方面,由於Thunderbolt™ 3高達40Gbps的傳輸速度容易造成高頻訊號衰減等問題,提高了產品的測試難度。另Thunderbolt™ 3 採用USB Type-C介面而使得應用範圍更加廣泛多元,影像傳輸在不同裝置間與不同協定溝通上,同前述DP Alt Mode產品一樣,容易發生相容性問題,百佳泰備有豐富多元的裝置資料庫可提供符合廠商需求的相容性測試,進而協助廠商發掘重要問題。

 

技術複雜度提升 解決方案多元化

目前三種主流的影音傳輸技術最高規格分別為DP 1.4、 HDMI 2.1(CTS即將推出)及Thunderbolt™ 3,三種技術有各自發展的特色與願景。VESA除了大力推廣DP Alt Mode技術之外,今年更特別針對據HDR功能的面板推出DisplayHDR認證服務,而沒有含括在該認證的產品對象,譬如DP Source產品及USB-C to HDMI/DVI轉接器或線纜,百佳泰推出的DisplayPort Advanced Test Program服務則能夠補強目前在HDR上的測試不足點。HDMI 2.1規格算是近期的技術亮點,然HDMI現階段仍著重HDMI 1.4及HDMI 2.0的測試,我們建議廠商能夠在EVT階段先進行電氣測試,找出重大硬體問題,好作為進入DVT階段的依據。另在HDMI Sink端的EDID問題看似簡單卻是層出不窮,這也是廠商須需要特別注意的測試類別項目。

隨著DP Alt Mode、Thunderbolt利用USB Type-C等連線技術更加多元化,產品與產品間出現的相容性問題亦加深了不少產品驗證困難度,故產品在出貨前除了通過標準認證測試確保基本功能,另更可以透過相容性測試確保與市面上的機種可以相互運作。

DisplayPort、HDMI、Thunderbolt等顯示技術已朝向高解析度、更快的更新頻率、高動態對比發展,為了確保廠商推出的產品符合規格,百佳泰也隨時做好準備,推出相對應的測試驗證方案,替消費者做全面性的把關。

 

 

 

 

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