視頻顯示器市場(chǎng)分為：大批量應(yīng)用，如臺(tái)式機(jī)、筆記本顯示器和電視機(jī)面板;中等批量應(yīng)用，如小型人機(jī)接口(HMI)面板和大尺寸數(shù)字標(biāo)牌。本文將探討的是大尺寸顯示器面板應(yīng)用(表1)，其中FPGA是一個(gè)備受關(guān)注的選擇，它可以滿足緊迫的產(chǎn)品周期和大量的高速接口和處理需求。

有3個(gè)常用的顯示標(biāo)準(zhǔn)：7:1低壓差分標(biāo)準(zhǔn)(LVDS)，數(shù)字視頻接口(DVI)和高清多媒體接口(HDMI)。

7:1 LVDS

需要一個(gè)集成的LCD顯示屏的應(yīng)用通常使用7:1 LVDS連接。7:1接口采用了低壓差分信號(hào)(LVDS)I/O標(biāo)準(zhǔn)。VESA(視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))定義了LCD顯示器的7:1 LVDS接口。它在筆記本電腦和上網(wǎng)本中非常常見，用于將主板連接到LCD屏幕(圖1)。LCD顯示器的每一個(gè)像素都由紅、綠、藍(lán)(RGB)三個(gè)元素組成，可構(gòu)成顯示屏上所有可能的顏色。

為便于數(shù)字顯示數(shù)據(jù)至LCD顯示屏的傳輸，并盡可能地減少連接，可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行格式。7:1 LVDS標(biāo)準(zhǔn)使用3或4個(gè)LVDS數(shù)據(jù)通道和一個(gè)LVDS時(shí)鐘通道。更高分辨率的顯示器將使用4個(gè)LVDS數(shù)據(jù)通道和一個(gè)LVDS時(shí)鐘。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，每條數(shù)據(jù)線上有7個(gè)串行數(shù)據(jù)位(圖2)，即數(shù)據(jù)傳輸速率比時(shí)鐘周期快7倍。如果3個(gè)LVDS數(shù)據(jù)通道正在傳輸數(shù)據(jù)(例如從一臺(tái)筆記本電腦的主板開始)，那么每種顏色的RGB數(shù)據(jù)將包含6個(gè)數(shù)據(jù)位，加上HSYNC、VSYNC和DATA ENABLE(DE)，一共有21位。然后，這些位串行傳輸?shù)絃VDS差分通道。

萊迪思半導(dǎo)體(Lattice)提供了一個(gè)非常有效的參考設(shè)計(jì)，同時(shí)支持LatticeXP2、LatticeECP2M和LatticeECP3 FPGA中的7:1 LVDS接收與發(fā)送。即使是極小外形封裝的最小器件也都支持多個(gè)接口。

7:1 LVDS應(yīng)用：圖形多路開關(guān)

7:1 LVDS的一個(gè)示例是圖形控制多路復(fù)用器，或GMUX(圖3)，該器件被設(shè)計(jì)用于選擇使用筆記本電腦中兩個(gè)圖形控制器中的哪一個(gè)來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD屏幕。這些筆記本電腦有兩個(gè)7:1 LVDS視頻源，即CPU/芯片組中的集成圖形控制器(iGFX)和獨(dú)立顯卡控制器(dGFX)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)LCD顯示屏。iGFX專為低功耗和較低要求的任務(wù)而優(yōu)化，例如文字處理或者使用電池供電的視頻回放;而dGFX專為更高性能和更密集型顯示應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如游戲或視頻編輯。

數(shù)字視頻接口(DVI)

數(shù)字視頻接口(DVI)標(biāo)準(zhǔn)由數(shù)字顯示工作組(DDWG)于1999年發(fā)布。DVI包含1個(gè)差分時(shí)鐘和3個(gè)差分源同步串行數(shù)據(jù)通道(圖4)。傳輸?shù)娘@示數(shù)據(jù)是未壓縮的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。對(duì)于每一個(gè)時(shí)鐘周期，將傳輸10位數(shù)據(jù)。正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是視頻數(shù)據(jù)或是控制信息，但不包含音頻信息。DVI線纜常被用于連接到外部LCD顯示器。DVI數(shù)據(jù)速率范圍為250Mbps到2.25Gbps。

DVI規(guī)范還支持雙DVI，通過(guò)將數(shù)據(jù)通道由3通道變?yōu)?通道，基本上可以使傳輸或接收的數(shù)據(jù)量增加一倍。其主要目的是連接至大顯示器(30英寸及以上)，這類顯示器也可能有更高的色彩要求(高達(dá)48位色深)。

萊迪思實(shí)現(xiàn)了同時(shí)支持DVI TX和RX功能的參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)利用了LatticeECP3或LatticeECP2M FPGA系列中的CML SERDES通道，來(lái)支持更高速率的DVI傳輸。這一設(shè)計(jì)利用了SERDES中內(nèi)置的PLL來(lái)恢復(fù)源同步數(shù)據(jù)。通過(guò)以這種方式實(shí)現(xiàn)DVI接口，可以在低成本FPGA中實(shí)現(xiàn)全速1.65Gbps速率。因?yàn)樵贓CP3或ECP2M FPGA中的PLL被設(shè)計(jì)用于支持各種頻率，萊迪思DVI參考設(shè)計(jì)可自動(dòng)支持各種顯示分辨率。鑒于DVI參考設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB，操作圖像將非常簡(jiǎn)單，一旦轉(zhuǎn)換為RGB格式，就可以縮放和旋轉(zhuǎn)圖像，甚至可以疊加其他屏幕上的內(nèi)容到圖像上。

DVI應(yīng)用：擴(kuò)展器

有許多應(yīng)用或者由于物理空間上的困難，或者需要降低系統(tǒng)擁有成本(遠(yuǎn)程虛擬桌面)，因而難以將視頻源(例如PC)靠近顯示器。DVI規(guī)范要求的傳輸長(zhǎng)度為5米，高品質(zhì)線纜可將其擴(kuò)展到10米，但它們不可能做到完全無(wú)損。此外，DVI線纜體積很大，這會(huì)使其在某些環(huán)境下受限。由于這些問題，DVI擴(kuò)展器已越來(lái)越受到歡迎。擴(kuò)展器通常用于PC服務(wù)器的機(jī)架安裝以及消費(fèi)類和工業(yè)數(shù)字標(biāo)牌。

在這個(gè)例子中(圖5)，臺(tái)式機(jī)是DVI信號(hào)源，它將DVI數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到FPGA。通過(guò)三條數(shù)據(jù)通道將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的RGB信息，然后合并起來(lái)以便能夠在一根更高速率的數(shù)據(jù)線上傳送。然后，該聚合的單數(shù)據(jù)通道信號(hào)通過(guò)SERDES引腳發(fā)送到光收發(fā)器。光收發(fā)器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并通過(guò)光纖發(fā)送數(shù)據(jù)。使用光纖的優(yōu)勢(shì)在于它支持臺(tái)式機(jī)和LCD顯示器之間的長(zhǎng)距離傳輸。此外，光纖柔軟且較細(xì)，非常適合安裝。在光纖的接收端，另一個(gè)光收發(fā)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送到FPGA上的接收SERDES。接著該單數(shù)據(jù)通道分離出RGB數(shù)據(jù)，以便能進(jìn)行串行化。三根串行數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘信號(hào)都將被傳輸?shù)紻VI線纜，并最終發(fā)送到LCD顯示屏上。

雙DVI應(yīng)用：分割器

電視墻被廣泛地用于需要高分辨率和大屏幕顯示的應(yīng)用中，包括酒店、火車站、機(jī)場(chǎng)、零售商店等場(chǎng)所中用于廣告/營(yíng)銷信息的數(shù)字標(biāo)牌。廣播、體育場(chǎng)館、娛樂場(chǎng)所等娛樂相關(guān)的應(yīng)用也使用了電視墻。其他應(yīng)用還有用于遠(yuǎn)程手術(shù)和診斷的醫(yī)療成像。

常見電視墻的實(shí)現(xiàn)包括一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)幾個(gè)大型顯示器的顯卡底座。為降低成本，即采用單個(gè)顯卡和數(shù)量更多但尺寸較小的顯示器(利用LCD的降價(jià)優(yōu)勢(shì))，需要使用視頻分割器(圖6)。

由于信號(hào)源視頻帶寬需要滿足大屏幕上的顯示，因此需要使用雙DVI接口。免授權(quán)費(fèi)的雙DVI接口具有成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橄M(fèi)類和企業(yè)級(jí)顯示器市場(chǎng)均廣泛采用DVI。另一方面，也需要將普通的DVI接口推廣到商用顯示器上。

HDMI

HDMI(高清晰度多媒體接口)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了DVI標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)接口都使用了差分時(shí)鐘和三根信號(hào)源同步數(shù)據(jù)線，它們還都使用TMDS信號(hào)機(jī)制來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。HDMI不同于DVI之處在于，它還可以同時(shí)在視頻和音頻通道上傳送數(shù)據(jù)。由于HDMI與DVI信號(hào)電氣兼容，這兩種接口之間不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。并且，它們之間的轉(zhuǎn)換不會(huì)影響視頻質(zhì)量。HDMI是實(shí)際上存在的電視標(biāo)準(zhǔn)，而且還常用于高端的LCD顯示器。

所有的HDMI鏈路都必須支持RGB格式，也可以支持其他標(biāo)準(zhǔn)，但只有RGB格式向后兼容DVI。HDMI鏈路上的視頻數(shù)據(jù)使用8b10b編碼，控制數(shù)據(jù)使用2b10b編碼，音頻數(shù)據(jù)使用4b10b編碼。萊迪思公司提供了一個(gè)參考設(shè)計(jì)，通過(guò)擴(kuò)展上述DVI PHY參考設(shè)計(jì)來(lái)支持額外的HDMI PHY編碼要求。

HDMI版本1.0-1.2具有高達(dá)1.65Gbps的鏈路速度，支持1080p60和8聲道音頻，適用于HDTV、DVD和藍(lán)光播放器或WUXGA(1920×1200)@60Hz的顯示器。HDMI的音頻功能支持多達(dá)8個(gè)未壓縮的音頻通道，可用于7個(gè)環(huán)繞立體聲揚(yáng)聲器和一個(gè)重低音揚(yáng)聲器?，F(xiàn)在甚至需要更快的速率來(lái)支持更高的分辨率、更快的刷新率、色彩深度和3D視頻。HDMI標(biāo)準(zhǔn)1.3-1.4將鏈接速度提高到3.4Gbps。

高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(HDCP)是一個(gè)可選的格式，用于加密通過(guò)HDMI鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)。很多DVD、藍(lán)光光盤和音頻CD都采用HDCP編碼。通常，嵌入式應(yīng)用、個(gè)人視頻和廣告或工業(yè)用數(shù)字標(biāo)牌無(wú)需使用HDCP。

HDMI應(yīng)用：組合器

萊迪思提供的DVI參考設(shè)計(jì)還支持HDMI PHY接口。視頻會(huì)議切換應(yīng)用需要音頻和視頻處理。在該應(yīng)用中(圖7)，多個(gè)HDMI信號(hào)源(視頻和音頻)被接收，并且輸出顯示在一個(gè)屏幕上。每個(gè)HDMI信號(hào)源可以是一個(gè)本地PC的HDMI線纜，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或背板提供HDMI輸入。無(wú)論使用怎樣的HDMI數(shù)據(jù)輸入方式，都必須將每個(gè)輸入的視頻和音頻分開，然后將每個(gè)RGB視頻流匯集并顯示在一個(gè)屏幕上。

還需要從每個(gè)HDMI信號(hào)源提取音頻。一旦每個(gè)音頻源被分開，就可以識(shí)別是誰(shuí)在發(fā)言。有了這一信息，該設(shè)計(jì)便能夠“知道”以下信息：哪個(gè)視頻(有效發(fā)言者)需要放在較大的窗口顯示;哪些視頻需要縮小放在較小的窗口顯示;哪個(gè)音頻(有效發(fā)言者)應(yīng)嵌入到HDMI數(shù)據(jù)流;哪些(其余的)音頻應(yīng)該靜音。

For this application, Lattice Semiconductor provides the basic building blocks to receive and transmit HDMI sources.

對(duì)于這種應(yīng)用，萊迪思半導(dǎo)體提供了基本的組成部件，用于接收和發(fā)送HDMI信號(hào)源。

本文小結(jié)

FPGA提供了一個(gè)低成本、低功耗的設(shè)計(jì)解決方案，具有可重新編程、靈活和多功能的特點(diǎn)。這意味著電路板無(wú)需重新布局，并且可以實(shí)現(xiàn)更快的產(chǎn)品上市時(shí)間。因此，FPGA已成為一個(gè)備受關(guān)注的選擇，可以滿足緊湊的產(chǎn)品周期，以及7:1 LVDS、DVI和HDMI所需的高速接口和處理要求。