高速傳輸介面 DisplayPort VESA USB Type-C Thunderbolt

逐代迎合高速傳輸應用 DisplayPort效能持續突破

2018-08-14
現今許多連接顯示器的個人電腦、筆電或智慧型手機會搭載DisplayPort的介面,DisplayPort已經成為普遍用於連接器材的標準之一,此介面主要用來輸出數位影音至連接的顯示器、通訊協定轉換器或對接設備,且傳統上在個人電腦應用中一直是以原生DisplayPort或mini DisplayPort形式存在的插孔。但自其誕生以來,它已演化成更多形式。

拜幾項關鍵性發展所賜,DisplayPort已經有機會整合進許多個人電腦以外的應用:

DisplayPort是革命性USB Type-C接頭唯一以DisplayPort替代模式(Alt Mode)廣泛採用的影音標準,讓此一插孔同時扮演顯示輸出、USB資料連接,及供裝置充電的電力輸入之角色。

.對於部分較高階個人電腦上的Thunderbolt 3插孔也是如此,因Thunderbolt 3也使用USB Type-C接頭,並支援DisplayPort Alt Mode

.諸如用於內部連接筆電、多合一電腦(All-in-one)及許多高階且解析度較高之平板中的嵌入式顯示器,也很有可能使用嵌入式DisplayPort(eDP)以便將視訊提供給平板。

DisplayPort是由視訊電子標準協會(VESA)開發與管理。自1988年成立以來,VESA最初專注於創立一個「超級VGA」標準,以接替由IBM開發的VGA標準。十年之後,VESA建立了平面顯示器安裝介面(FDMI)標準,也稱為VESA安裝標準。而DisplayPort的開發,則是因現今AV標準無法滿足某些主要產業的特別需求而產生。

VESA制定DisplayPort標準

VESA30年的歷史中,由眾多企業會員使用並發展DisplayPort、其衍生分支(Offshoots)及其他的標準,同時預測幾年後顯示市場的需求,並在需求出現前就增加新功能。VESA為開放標準的組織,其能因應消費者在科技方面的新需求發展新的DisplayPort標準,如表1中所顯示不斷提升的解析度(4K5K8K),新的顯示規格如超高解析(UHD)與高動態範圍(HDR),以及擴增實境與虛擬實境(AR/VR)等新的應用。DisplayPort帶來的較高頻寬,也讓它非常適用於需要密集資料的應用,例如高效能遊戲,以及從單一桌上型電腦或筆電的視訊輸出進行獨立的視訊串流。

表1 隨著每個新版本的DP標準推出,DisplayPort的鏈接率多年來持續提升

1顯示在典型的個人電腦顯示介面應用中DisplayPort使用的訊號。自DisplayPort首次推出以來,已經發布超過20個新版本。這些不但包括對原始DisplayPort標準的更新,同時包含促成內部(嵌入)連接與使用行動裝置規格的全新版本。

圖1 在典型個人電腦架構應用中的DisplayPort實體介面

DisplayPort開放標準

視訊介面的發展從電視開始,多年來電視一直使用類比複合視訊介面,通常在射頻頻道上進行調變;個人電腦出現後,類比的VGA介面也是一樣,它使用分離的色訊號以傳送更精準的色彩與色解析度。隨後,DVI等介面開始因為保護軟體內容的需求而出現,其實DVI本質上就是數位版的VGAHDMI

DisplayPort標準的第一個版本DP 1.020065月正式發布。DisplayPort是個完全開放且無須支付授權版稅的標準,特色包含:

.擁有統一的實體層(PHY)設計,與當代其他介面如通用序列匯流排(USB)PCIe(PCI Express)及序列先進技術附接(SATA)的設計類似。

.為次微米整合與未來的延伸性而打造的架構,與低電壓差分訊號(LVDS)HDMI等類似標準不同,能免除需要外部介面晶片的需求。

.能與外部及內部顯示器共同使用。

.能取代如VGADVI等既有標準,並利用價格不貴的「位準切換」轉換器插頭,如DisplayPort Dual模式,就可提供對DVIHDMI的支援。

.支援更高的解析度。DisplayPort一開始推出時,就支援高達2,560×1,600解析度,而當時常用的解析度只有1,366×768(當時監視器的既存標準)1,920×1,200(1080p或稱「Full HD」,HDMI也提供支援);以及2,560×1,600(WQXGA,頂級電腦輔助設計CAD監視器才看得到,需要雙DVIHDMI接頭)

VESA2007年初推出此標準的下一個版本:DP 1.1/1.1a。它具有兩項值得一提的新功能:高頻寬數位內容保護(HDCP),這也是在DVIHDMI之外,首次使用HDCP的標準;以及主動與光學訊號線功能,可將DisplayPort的使用擴大至數位看板,及醫療與其他需要高效能與高可靠性的顯示應用。

嵌入式DisplayPort將標準移入機內

隨後沒多久,內部版本的DisplayPort需求極為明顯,因嵌入顯示的解析度持續提升,讓傳統LVDS介面顯得笨重。因此,基於DP 1.1a的最初版之嵌入式DisplayPort規格eDP 1.0200812月發布。

eDP1.0DisplayPort得以在嵌入面板上落實應用,並讓CPUGPU或系統單晶片(SoC)能使用DP連接埠,而不是專用的介面。此世代的關鍵特色與LVDS相比,是無論導線數量與干擾(電磁干擾(EMI)/無線射頻干擾(RFI))都雙雙降低,對於較小型裝置中快速成長的無線連接之使用,相當必要。此外,eDP也結合降低耗電功能,來延長攜帶式裝置的電池壽命。

隨著DPeDP的發展,VESA的會員開始著手研發DisplayPort的更新,以滿足未來先進技術的需求。在隨後的數年內,在新版本DP的發布後,會緊接著更新eDP(及最後其他相關標準的更新),此模式會持續進行,而這也確保其具有無縫的相容性。

20101月發表的DP 1.2,由數個新功能組成:

.多重串流傳輸(MST):利用單一顯示器連接能提供支援給高達四個1,080p螢幕,在進行多檔作業時可協助簡化流程。

.高位元率2(HBR2):每管線高達5.4GbpsHBR2,為MST提供更多的功能,同時促成利用單一視訊連接的4K顯示器之開發。

Mini DP(mDP)接頭:由蘋果電腦所開發的標準,並提供免費授權,以擴大DisplayPort在個人電腦領域以外之使用。

3D立體傳輸

.強化色彩與音訊支援

更新版的eDP 1.2在參考DP 1.2之後也緊接著推出,並使用AUX通道新增HBR與背光控制功能,後者也代表它與標準DisplayPort的區別。

隨著強化嵌入功能需求的增加,eDP 1.320111月問世,並新增面板自動刷新(PSR)的支援。這讓單一視訊框得以儲存於顯示器內,讓CPUGPU在靜態顯示時進入低耗能狀態。PSR特別值得一提的原因,是它帶來顯著的節能效果,讓電池驅動的裝置可以使用體積更小、更輕的電池。20132月發布的eDP 1.4新增了PSR2的支援,此新版本的PSR功能包括部份視訊框刷新,因此,在靜態模式下處理器只須刷新部分變動的影像,而不用刷新整個圖框,進而透過PSR達到更加節能的效果。

突破4K畫質

2011年,蘋果與英特爾推出基於Thunderbolt的產品,而Thunderbolt當時是使用mDP連接器的獨門介面標準,並使用兩個雙向通道以10Gbps速度傳輸PCIeDisplayPort資料。英特爾在20115月推出首批支援DP 1.1a顯示器的Thunderbolt規格,同時保有與以mDP為基礎的周邊設備之相容性。

Thunderbolt問市兩年後,隨著4K解析度視訊被喻為是「下一個巨大變動」,Thunderbolt 220136月推出。此一更新讓兩個分開的10Gbps通道,加總成為每一個方向為20Gbps的單一通道,以便支援DisplayPort 1.2使用Thunderbolt的通訊協定標準,來進行最高的資料傳輸率。4K顯示器也可透過eDP接頭與整個Thunderbolt傳輸架構獲得支援,提供4K視訊編輯必備的能力。

另一個重大的更新是於20149月發布的DP 1.3,此版新增快速HBR3(每管線8.1Gbps),並能透過單一連接達到超越4K的解析度。其規格還包含透過DisplayPort操作HDMI主動通訊協定轉換器,可支援高達包含4K HDR4K解析,同時新增訊號重覆功能,在系統配置時,能使用更長的訊號線,並擁有較高的彈性。

Alt Mode轉戰行動裝置市場

DisplayPort Alt Mode20149月問世的最初版本,代表VESAUSB開發者論壇首次的重大合作,並讓世人知道DisplayPort正透過有意義的方式,將目光轉至行動裝置。此全新的衍生標準依據三個關鍵標準DP 1.3USB 3.1USB Type-C 1.0,並利用USB Type-C(USB-C)接頭,定義DisplayPortAlt Mode下的運作。USB-C接頭乍看之下很像micro USB接頭,不過,與LightningMagSafe接頭一樣,它沒有朝上或朝下的方向性,因此可以很快地插入使用。訊號線兩端的插頭都一樣,更增加使用上的便利性。此一連接同時與USB資料與電力傳輸共用(2)

圖2 DisplayPort Alt Mode可以利用USB Type-C接頭,同時傳送視訊、電力與資料。

DisplayPort Alt Mode藉由讓USB資料、電力與完整視訊效能透過單一接頭傳送,大幅擴展DisplayPort潛在的觸角,並讓筆電的外型有機會變得更小、更薄,同時為智慧型手機帶來新功能。由於USB-C具有極小的接頭尺寸與能處理更大充電量的能力,它也取代手機上的micro USB接頭,並額外帶來提供DisplayPort Alt Mode,及支援高達4K視訊的優勢。

透過USB-CDisplayPort(DP Alt Mode 1.0b)也協助取得下一世代AR/VR頭戴式裝置所需之高解析度、HDR色彩、裝置電力與USB資料。此外,VESA認證的DP8K訊號線也在2018年初推出,以支援HBR3VESA目前已針對HBR3DP Alt Mode裝置與DP8K訊號線推出認證計畫。

eDP結合DSC實現輕薄面板

隨著2015年的到來,VESA發表具有數個新特性的eDP 1.4a,將eDP定位為行動PC裝置通用的嵌入顯示介面,包括更高解析度的平板。這些新功能的目的,在於讓內建嵌入面板的裝置變得更輕薄、價格更親民。eDP 1.4a此次除了透過配備更先進之PSR2等改善來進一步降低功耗外,還包括兩項關鍵功能:

.顯示串流壓縮(DSC):降低耗電量與導線數量,並透過顯示器鏈接達到具相互操作性且無損的視訊壓縮,這也代表首次將DSC整合入DisplayPort。此次由VESAMIPI聯盟共同努力開發的DSC20144月首度發表,以回應市場針對降低所需資料傳輸量的視訊壓縮標準的需求。

.多重SST運作(MSO)或「段式顯示面板」:設計用意在於進一步達成更輕薄、成本更低的LCD面板(3)

圖3 eDP多重SST運作

同時於2015年,目前版本的Thunderbolt 3開始在市場出現,它使用USB-C接頭,並針對USB 3.1DisplayPort Alt Mode提供原生支援。Thunderbolt 3的資料傳輸率增加一倍,來到每條管線20Gbps(每個方向40Gbps),這讓Thunderbolt能運用單一接頭支援雙4K顯示器,並協助最佳化圖像、視訊編輯與儲存應用。

最新版本DisplayPort 1.4

2016年初發表的DisplayPort 1.4,是此規格目前的最新版本(2),並包含許多必要的功能,包括:

表2 使用DisplayPort1.4時,在有與沒有DSC的情況下之影像格式支援範例

DSC 1.2版傳輸:能達到高至3:1的壓縮比,以提升本電子介面所需之有效位元率,且無損畫質。

.前向誤差修正(FEC):可與DSC 1.2覆蓋,來減少資料錯誤與因此引發的視訊雜訊。

.擴大音訊支援能力

現今4K解析度螢幕都已採用HDR及更高的畫面更新率,也因此,其最高效能影像的頻寬需求已經超越HDMIDisplayPort 1.4在無壓縮情況下可支援5K顯示器,並在DSC 1.2動作下支援8K顯示器。

據市調公司Strategy Analytics201711月發表的數據顯示,搭載原生DisplayPortDisplayPort Alt Mode的手機、個人電腦與平板的出貨量,將從2017年的近2.15億,到2018年成長至超過3.45億,年成長率達61%。此一數字預計至2021年,將成長至8.55億。

手機市場的成長近來特別強勁,而諸如高通Snapdragon 835845、三星的Exynos及海思麒麟970系統單晶片等手機晶片組,都有DisplayPort Alt Mode。在USB-C加入DisplayPort後,在解析度、HDR與系統能力等領域,都能帶來更高的視訊效能與新功能。除了智慧型手機,數量愈來愈多的AR/VR頭戴式裝置,如DAQRI Smart Glasses及華為VR2,都具有透過USB-C傳送DisplayPort的功能。

未來可見的發展

展望未來,VESA的成員正緊鑼密鼓的合作以開發下一世代的DisplayPort標準,目前的計畫是將位元率提高兩倍以上,並在未來的18個月內發表此標準的更新版本。不久的將來,更多的應用需要用到比今日所能達成之更高的位元率,不過其中特別搶眼的應用則屬AR/VR

考量AR/VR顯示器提供的超寬視野與動作,虛擬世界對於解析度、更新率與色彩深度的需求更高。此外,AR/VR的應用需用到雙顯示器(一眼一個顯示器),使資料傳輸率的需求倍增。同時為了支援HDR效能及傳統顯示器8K以上解析度的提升,也需要更高的資料傳輸率。VESA正持續精進DisplayPort,以因應未來這些應用對更高效能表現的需求。

30年來,VESA持續推出並開發新的顯示標準,DisplayPorteDP是個人電腦、筆電、行動手機與其他智慧型裝置無縫介面連接的黃金標準。在此同時,更新且更先進的發展,也將協助確保此標準在下一世代顯示器、甚至更遠的未來中的應用性。DisplayPort未來在如AR/VR與汽車等新市場,都有其發展潛力。對於eDP而言,車用顯示器為另一個新興領域,而它提供以下關鍵優勢,包含:

.內建序列化(Serialization)

.經實際驗證的生態系統,擁有眾多視訊來源與面板廠商

.具有各種廣泛的功能集,可達成汽車應用的進一步客製化

此外,面板更新對於儀表板、控制與其他非即時視訊顯示面板來說,格外有用。

現今DisplayPort認證的產品數量持續增加,而顯示介面DisplayPort也出現在各式各樣的GPU、監視器、筆電、平板,甚至於電視面板上。這雖與當初設計時鎖定的高預算GPU與監視器不同,但受惠於4K顯示器與具靈活連接性之小型裝置的需求持續增加,更廣泛的整合只會增加,不會減少。

(本文作者為Parade Technologies資深行銷總監/VESA董事)

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