《數(shù)字電視技術(shù)》課件10

第10章數(shù)字電視的顯示10.1

概述10.2平板顯示常用接口10.3

液晶顯示10.4OLED顯示10.53D顯示思考題和習(xí)題

10.1概述

數(shù)字電視最終要在顯示屏將電信號轉(zhuǎn)換成光信號由觀眾欣賞,目前常用的是FPD(FlatPanelDisplay,平板顯示器)。FPD是指顯示屏對角線的長度與整機(jī)厚度之比大于4∶1的顯示器。除了CRT顯示器之外,各種顯示器都是平板顯示器。

10.1.1

顯示器的組成

圖10-1所示是顯示器組成方框圖,圖中顯示器件是將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕碾姽庑?yīng)器件,也稱為顯示屏(Panel)。顯示器件、驅(qū)動電路和輔助光學(xué)系統(tǒng)往往制作成一個整體,稱為顯示組件。信號處理控制電路將去隔行處理、幀頻變換、圖像縮放、彩色空間變換和OSD(OnScreenDisplay,屏幕顯示)等信號處理功能都集成在一起,成為一種單片式控

制芯片,這類芯片和LCD組件可構(gòu)成一個顯示器。顯示器外接一個電視盒,就成為一臺電視機(jī);外接一個機(jī)頂盒,就成為一臺數(shù)字電視機(jī)。本節(jié)只介紹顯示器,電視機(jī)與顯示器的

主要區(qū)別就是多了電視盒中的那些電路,即高頻頭、中頻解調(diào)和視頻解碼電路。圖10-1顯示器組成方框圖最普通的顯示器只有VGA接口,可以接收計算機(jī)顯示卡發(fā)出的信號,作為計算機(jī)的顯示終端;也可以接電視盒作電視機(jī)用,電視盒一般有VGA接口,可接計算機(jī),由遙控器

選擇顯示器的用途。檔次高的顯示器還帶有DVI(DigitalVisualInterface,數(shù)字顯示接口)、HDMI(HighDefinitionMultimediaInterface,高清晰度多媒體接口)等數(shù)字接口,用

來顯示各種數(shù)字音、視頻源。多媒體顯示器則具有多種模擬和數(shù)字接口,以適應(yīng)各種視頻源。10.1.2

顯示器的分類

顯示器按光學(xué)顯示方式可分為以下幾類:

(1)直觀式:圖像直接顯示在顯示屏上的方式。CRT(CathodeRayTube,陰極射線管)顯示器、LCD(LiquidCrystalDisplay,液晶顯示器)、PDP(PlasmaDisplayPanel,等離

子體顯示屏)、LED(LightEmittingDiode,發(fā)光二極管)顯示器、OLED(OrganicLight

EmittingDisplay,有機(jī)發(fā)光顯示器)、SED(Surface-conductionElectronEmitterDisplay,表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器)等屬于直觀式顯示器。(2)投影式:把顯示器件生成的較小圖像源通過透鏡等光學(xué)系統(tǒng)放大投影于屏幕上的方式。投影式又分正投式與背投式兩種。觀看者與圖像源在屏幕的同一側(cè)叫正投式,其優(yōu)點(diǎn)是光損耗少、較亮,但是使用、安裝不方便,如LCD投影機(jī);圖像源在屏幕之后,觀看者觀看屏幕的透射圖像叫背投式,如CRT或LCD家用投影電視機(jī)。

投影式顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)是屏幕尺寸可以較大,但屏幕尺寸越大,全屏亮度會降低,全屏亮度、色度不均勻性也會增大,同時由投影系統(tǒng)造成的圖像幾何失真、失聚等也會

增大。(3)虛擬成像式:利用光學(xué)系統(tǒng)把來自圖像源的像形成于空間的方式。在這種情況下,人眼看到的是一個放大的虛像,與平時通過放大鏡觀物類似。屬于虛擬成像式顯示器的是頭盔顯示器(HeadMountedDisplay,HMD)。10.1.3

顯示器的主要參數(shù)

1.圖像分辨力

圖像分辨力是顯示器分辨圖像細(xì)節(jié)的能力,以水平和垂直方向有效像素數(shù)(即點(diǎn)陣數(shù))衡量。我國的SDTV圖像分辨力為720(水平)×576(垂直)點(diǎn)陣,HDTV圖像分辨力為

1920(水平)×1080(垂直)點(diǎn)陣。4K分辯力常指3840(水平)×2160(垂直)點(diǎn)陣,8K分辯力常指7680(水平)×4320(垂直)點(diǎn)陣。顯示器用得最多的是計算機(jī)的顯示終端,按照計算機(jī)顯示終端的分辨力標(biāo)準(zhǔn),分為SVGA、XGA、SXGA、UXGA等幾種規(guī)格。

(1)SVGA(SuperVideoGraphicsArray):超級視頻圖形陣列,其最小分辨力為800×600像素,最大分辨力可以達(dá)到1024×768像素,比較適用于15英寸的顯示屏。隨著屏幕

尺寸的加大,必須要求增多掃描線,擴(kuò)展每條線上的像素才能保證高質(zhì)量的圖像。(2)XGA(ExtendedGraphicsArray):擴(kuò)展圖形陣列,其分辨力為1024×768像素,特別適用于17英寸和19英寸的顯示屏。

(3)SXGA(SuperExtendedGraphicsArray):超級擴(kuò)展圖形陣列,其分辨力為1280×1024像素,適用于21英寸和25英寸的顯示屏,也達(dá)到了高清晰度電視的要求。

(4)UXGA(UltraExtendedGraphicsArray):特級擴(kuò)展圖形陣列,其分辨力為1600×1200像素,是目前PC顯示終端最新和最高的標(biāo)準(zhǔn),通常用于高級工程設(shè)計和藝術(shù)制圖,一般適用于30英寸或以上的顯示屏。

前綴W(Wide)常用來表示加寬格式,如WUXGA是加寬UXGA格式。2.圖像清晰度

圖像清晰度是人眼能察覺到的電視圖像細(xì)節(jié)的清晰程度,用電視線表示。一般從水平和垂直兩個方向描述圖像清晰度,1電視線與垂直方向上1個有效掃描行的高度相對應(yīng)。

我國SDTV規(guī)定水平和垂直圖像清晰度值大于等于450電視線,HDTV規(guī)定水平和垂直圖像清晰度值大于等于720電視線。

我國SDTV畫面的有效掃描行數(shù)為576,HDTV畫面的有效掃描行數(shù)為1080。觀看SDTV和HDTV電視圖像時,距電視屏的距離分別約為屏幕高度的5倍和3倍時,能看清電視圖像在垂直方向上的細(xì)節(jié),這樣的距離也是觀看SDTV和HDTV圖像的最佳距離。人眼在水平方向上分辨圖像細(xì)節(jié)的能力與在垂直方向上相當(dāng)。我國SDTV系統(tǒng)有效掃描行數(shù)為576,如果顯示器的寬高比分別為4∶3和16∶9,為在垂直與水平方向上同時都能看到最清晰的圖像細(xì)節(jié),則水平方向有效像素數(shù)應(yīng)分別為576×4/3=768和576×16/9=1024?？梢娔壳癝DTV在水平方向上只有720個有效像素的數(shù)量偏低,對于越來越多的

16∶9屏,更是偏低,而HDTV則不存在這個問題。這是因?yàn)镠DTV顯示器的寬高比為16∶9,與1080有效掃描行相當(dāng)?shù)乃椒较蛴行袼財?shù)為1920,HDTV標(biāo)準(zhǔn)與此相符。圖像垂直清晰度的理論上限值為1幀圖像的有效掃描行數(shù),水平方向有效像素數(shù)需乘以3/4才能換算成電視線數(shù)。我國SDTV和HDTV系統(tǒng)水平方向有效像素數(shù)分別為720和1920,若分別顯示4∶3和16∶9的圖像,則分別對應(yīng)于540和1080行像素,因而水平清晰度的理論上限值分別為540和1080電視線。若把圖像寬高比為4∶3的SDTV信號拉扁顯示成16∶9的圖像,則水平清晰度只有720×9/16=405電視線。3.對比度

對比度是表征在一定的環(huán)境光照射下,物體最亮部分的亮度與最暗部分的亮度之比。顯示器的對比度是指在同一幅圖像中,顯示圖像最亮部分的亮度和最暗部分的亮度之比。對比度越高,重顯圖像的層次越多,圖像越清晰。通常對比度為1000∶1~1500∶1。

4.亮度

亮度是指發(fā)光物體的明亮程度,是人眼對發(fā)光器件的主觀感受。在顯示器中亮度是表征圖像亮暗的程度,是指在正常顯示圖像質(zhì)量的條件下,重顯大面積明亮圖像的能力。亮

度的單位為坎德拉每平方米(cd/m2)。通常亮度為250~500cd/m2。

5.可視角

在觀看LCD、PDP、DLP、LCoS顯示器時,可發(fā)現(xiàn)觀看位置不同,看到的電視圖像的亮度、對比度、圖像的層次感及圖像顏色也會發(fā)生變化,偏離屏幕中心位置越大,則圖像

變化越嚴(yán)重,甚至看不清楚圖像,顏色發(fā)生嚴(yán)重畸形。因此對這些顯示器而言,在觀看圖像時,有一個適宜觀看的角度范圍,該角度范圍稱為可視角。為了方便,可視角是指水平

和垂直方向上的可視角。

在國際電工委員會公布的IEC60107-1中規(guī)定了可視角的定義,即在屏幕中心的亮度減小到最大亮度的1/3時(也可以是1/2或1/10時)的水平和垂直方向的視角。6.響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是用來描述顯示器件的字段或像素亮度變化相對于激勵信號變化反應(yīng)快慢的一組參數(shù),它包括開啟時間(turn-ontime)、關(guān)斷時間(turn-offtime)、上升時間(risetime)和下降時間(falltime)。通常響應(yīng)時間為5~20ms。

7.像素缺陷

現(xiàn)在市場上銷售的平板顯示器,包括LCD顯示器、PDP顯示器、LCD背投影顯示器、DLP背投影顯示器和LCoS背投影顯示器,都是以像素顯示圖像,它們的像素數(shù)都是相對固定的。例如,720×576、1280×720、1366×768、1920×1080像素等,每個像素點(diǎn)都是以R、G、B三個基色點(diǎn)構(gòu)成的,可以顯示全部的顏色,并以尋址方式顯示圖像,而不像CRT型電視機(jī)那樣,采用可變掃描方式顯示圖像。因此,這種以像素成像的顯示器稱為固有分辨力顯示器。

這些以像素顯示圖像的顯示器在數(shù)百萬個像素點(diǎn)中,可能出現(xiàn)像素缺陷(又稱為壞點(diǎn))。像素缺陷是指顯示器在正常工作狀態(tài)時,其屏幕上不能正常顯示圖像的像素點(diǎn),一般分為亮點(diǎn)和暗點(diǎn)。亮點(diǎn)又稱為不熄滅點(diǎn),是指屏幕無論在黑色背景下,還是在白色背景下,

永不熄滅的白亮點(diǎn)、閃亮點(diǎn)和帶顏色的亮點(diǎn),包括綠亮點(diǎn)、紅亮點(diǎn)、藍(lán)亮點(diǎn)、黃亮點(diǎn)、青亮點(diǎn)、品紅亮點(diǎn)等,特別是白亮點(diǎn)、綠亮點(diǎn)、黃亮點(diǎn)在黑色或灰色背景下,人眼對其比較敏感。暗點(diǎn)又稱為不發(fā)光點(diǎn),是指在白色或灰色背景下,顯示出黑色點(diǎn)、灰色點(diǎn)等。

像素缺陷規(guī)定中將顯示屏分為A區(qū)和B區(qū),如圖10-2所示。圖中W是顯示屏寬度,H是顯示屏高度。圖10-2顯示屏的A區(qū)和B區(qū)示意圖LCD顯示器像素缺陷要求:A區(qū)內(nèi)不發(fā)光點(diǎn)缺陷小于等于2個,A+B區(qū)內(nèi)不發(fā)光點(diǎn)缺陷小于等于8個,在1/9屏高×1/9屏寬的面積內(nèi)不能出現(xiàn)2個綠或白不發(fā)光點(diǎn);A區(qū)內(nèi)沒有白發(fā)光點(diǎn)或綠發(fā)光點(diǎn),紅、藍(lán)或其它色發(fā)光點(diǎn)小于等于1個,A+B區(qū)內(nèi)不熄滅點(diǎn)小于等于2個,在1/9屏高×1/9屏寬的面積內(nèi)不能出現(xiàn)2個綠或白發(fā)光點(diǎn)。

計算機(jī)用顯示器與數(shù)字電視用顯示器的要求是有差異的,計算機(jī)用顯示器對圖像清晰度和像素缺陷的要求降低。10.2平板顯示常用接口

10.2.1

模擬信號接口

1.A/V接口

A/V接口常稱A/V端子。它是由3個獨(dú)立的RCA插頭(RCAjack,又叫蓮花插頭)組成的。RCA連接器如圖10-3所示。RCA連接器的V接口連接復(fù)合視頻信號CVBS(CompositeVideoBurstSync),為黃色插口;L接口連接左聲道聲音信號,為白色插口;R接口連接右聲道聲音信號,為紅色插口。圖10-3RCA連接器2.S端信號接口

S端信號接口常稱為亮色分離接口、超級視頻端子(SuperVideo)、SVideo或S-VHS。S端子使用專用的五芯連接線、結(jié)構(gòu)獨(dú)特的四針插頭MINIDIN(1,Y回線;2,C回線;3,Y;4,C),如圖10-4所示。由于S端子傳輸?shù)囊曨l信號保真度比V端子的更高,用S端子連接到的視頻設(shè)備,其水平清晰度最高可達(dá)400~480線。圖10-4MINIDIN3.分量信號接口

分量信號接口常稱為Y、PB、PR分量色差端子。分量色差端子使用三條電纜,亮度信號Y、色差信號RY和BY采用RCA連接器(Y,綠色;PR,紅色;PB,藍(lán)色)。通過分量色差端子還原的圖像水平清晰度比S端子更高。

4.基色信號接口

基色信號接口常稱為R、G、B三基色端子。R、G、B三基色端子比分量色差端子效果更好。在視頻播放機(jī)中將圖像信號轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的R、G、B三種基色,直接通過R、G、B端子輸入電視機(jī)或顯示器中作為顯像管的激勵信號。由于省去了許多轉(zhuǎn)換、處理電路直接連接,可以得到比分量色差端子更高的保真度。接口采用RCA連接器(R,紅色;G,綠色;B,藍(lán)色)。

5.VGA接口

VGA接口常稱為VGA端子或SVGA端子。VGA是計算機(jī)系統(tǒng)中顯示器的一種常用顯示類型,其分辨力為640×480,SVGA端子的分辨力可以達(dá)到1024×768。二者都使用標(biāo)準(zhǔn)的15針專用插口DSub15(1,R;2,G;3,B;5,DDC地;6,R地;7,G地;8,B地;10,邏輯地;12,SDA;13,行同步;14,場同步;15,SCL),如圖105所示,只是傳輸?shù)男盘栆?guī)格不一樣。具有VGA輸入端子的平板顯示器,可用作計算機(jī)的顯示器。

圖10-5D-Sub-1510.2.2

低擺幅差分信號LVDS接口

LVDS(LowVoltageDifferentialSignaling,低電壓差分信號)是一種低擺幅差分信號技術(shù),驅(qū)動器有一個差分對管驅(qū)動的輸出為3.5mA的電流源。接收端直流輸入阻抗很高,驅(qū)動電流通過100Ω接電阻在接收器輸入端產(chǎn)生約350mV的電壓。當(dāng)驅(qū)動部分切換時,通過電阻的電流方向改變,從而改變邏輯狀態(tài)。圖10-6是LVDS驅(qū)動和接收器示意圖。圖10-6LVDS驅(qū)動和接收器示意圖線驅(qū)動器的電源電壓為3.3V,最大輸出阻抗為100Ω,輸出共模電壓為1.125~1.375V,輸出差分信號幅度為250~450mV。當(dāng)驅(qū)動器具有100Ω負(fù)載且在20%~80%峰值間測量時,上升和下降時間小于T/7,上升與下降時間差不超過T/20,T為時鐘周期。

線接收器輸入阻抗為90~132Ω,最大輸入信號的峰峰電壓為2.0V,最小輸入信號的峰峰電壓為100mV。差分傳輸有共模抑制功能,電流驅(qū)動不易產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象和切換尖峰

信號,進(jìn)一步降低了噪聲,能用低的信號電壓擺幅,可以提高數(shù)據(jù)傳輸率和降低功耗。LVDS允許數(shù)據(jù)以每秒數(shù)百兆位的速率傳輸,DVB的SPI(SynchronousParallelInterface,同步并行接口)也采用LVDS。美國國家半導(dǎo)體公司(NationalSemiconductor,NS)推出的OpenLDI(LVDSDisplayInterface,LVDS顯示接口)標(biāo)準(zhǔn)在筆記本電腦中得到了廣泛的應(yīng)用。絕大多數(shù)筆記本電腦的LCD顯示屏與主機(jī)板之間的連接接口都采用了OpenLDI標(biāo)準(zhǔn)。OpenLDI標(biāo)準(zhǔn)具有高效率、低功耗、高速、低成本、低噪波干擾、可支持較高分辨力等優(yōu)點(diǎn)。LCD組件接口也采用OpenLDI標(biāo)準(zhǔn)。LCD組件接口第1通道有四對數(shù)據(jù)A0、A1、A2、A3和一對時鐘CLK1,第2通道有四對數(shù)據(jù)A4、A5、A6、A7和一對時鐘CLK2。圖107是LDILVDS信號與顯示數(shù)據(jù)的映射關(guān)系,第1通道傳送的RGB數(shù)據(jù)的第1個下標(biāo)為1,為奇像素數(shù)據(jù);第2通道傳送的RGB數(shù)據(jù)的第1個下標(biāo)為2,為偶像素數(shù)據(jù)。HS為水平同步,VS為垂直同步,DE為數(shù)據(jù)允許,RES(Reserved)為保留。圖10-7LDILVDS信號與顯示數(shù)據(jù)的映射關(guān)系10.2.3

數(shù)字顯示接口(DVI)和HDCP

1.DVI

DVI是由SiliconImage、Intel、Compaq、IBM、HP、NEC、Fujitsu等公司共同組成的DDWG(DigitalDisplayWorkingGroup,數(shù)字顯示工作組)推出的標(biāo)準(zhǔn),采用TMDS

(TransitionMinimizedDifferentialSignaling,瞬變最少化差分信號)作為基本電氣連接,這里瞬變是指信號從“0”變成“1”或從“1”變成“0”。瞬變最少使得電磁干擾最少。DVI常用在信源管理主機(jī)與顯示器之間傳送顯示信息,是顯示器的主要輸入接口。DVI中顯示信息通過3個數(shù)據(jù)信道(DATA0~DATA2)輸出,同時還有一個信道用來傳送同步時鐘信號。每一個信道中數(shù)據(jù)以差分信號方式傳輸,電源電壓UDD=3.3V,輸出差分電壓為150~1560mV,輸出共模電壓為UDD-0.3V~UDD-0.037V,輸出電壓的上升和下降時間為1.9ns。由于數(shù)據(jù)接收中識別的都是差分信號,傳輸電纜長度對信號影響較小,可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。在DVI標(biāo)準(zhǔn)中對接口的物理方式、電氣指標(biāo)、時鐘方式、編碼方式、傳輸方式、數(shù)據(jù)格式等進(jìn)行了嚴(yán)格的定義和規(guī)范。DVI標(biāo)準(zhǔn)采用D型24針連接器,引腳定義如下:1,TMDSDATA2-;2,TMDSDATA2+;3、11、15、19、22,地;4、5、8、12、13、16、20、21,未定義;6,DDCCLOCK;7,DDCDATA;9,TMDSDATA1-;10,TMDSDATA1+;14,+5VDC;17,TMDSDATA0-;18,TMDSDATA0+;23,TMDSCLOCK-;24,TMDSCLOCK+。其中DDC(DisplayDataChannel,顯示數(shù)據(jù)通道)是VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation,視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)定義的顯示器與圖形主機(jī)通信的通道,主機(jī)可以利用DDC通道從液晶顯示器只讀存儲器中獲取顯示器分辨力參數(shù),根據(jù)參數(shù)調(diào)整其輸出信號。DDC通道所使用的通信協(xié)議遵循VESA制定的EDID(ExtendedDisplayIdentification

Data,擴(kuò)展顯示識別數(shù)據(jù))規(guī)范,DDC通道是低速雙向通信I2C總線,這個I2C總線接口稱為I2C從接口;還有一個I2C主接口,是芯片與存儲密碼的EEPROM之間的通信接口。表10-1是TMDS通道傳送的像素數(shù)據(jù)映射表,在DE=1的有效顯示時間內(nèi)3個通道傳送像素

數(shù)據(jù);在DE=0的消隱期間3個通道傳送HS、VS和自定義信號CTL(0~3)。表10-1TMDS通道傳送的像素數(shù)據(jù)映射表當(dāng)像素顯示數(shù)據(jù)超過3×8位或最高像素頻率超過單通道DVI傳輸能力(165MHz)時可采用雙通道DVI。雙通道DVI增加3個數(shù)據(jù)信道(DATA3~DATA5),仍采用D型24針連接器,引腳定義如下:1,TMDSDATA2-;2,TMDSDATA2+;3,信道2/4屏蔽;4,

TMDSDATA4-;5,TMDSDATA4+;6,DDCCLOCK;7,DDCDATA;8,模擬VS;9,TMDSDATA1-;10,TMDSDATA1+;11,信道1/3屏蔽;12,TMDSDATA3-;13,TMDSDATA3+;14,+5VDC;15,地;16,熱插拔檢測;17,TMDSDATA0-;18,TMDSDATA0+;19,信道0/5屏蔽;20,TMDSDATA5-;21,TMDSDATA5+;22,CLOCK屏蔽;23,TMDSCLOCK-;24,TMDSCLOCK+。DVI規(guī)范不僅允許傳送同步信號和數(shù)字視頻信號,還可傳送模擬RGB信號,在某些情況下可以省去需要準(zhǔn)備的另一條連接線。這時,DVI連接器除了平時的24針連接之外,還要增加一個接地端C5,其四周還有C1~C4針腳,如圖108所示。配有C1~C5針腳(C1,R;C2,G;C3,B;C4,HS;C5,地)的DVI稱為DVI-I,沒有這些連接的則稱為DVI-D。圖10-8DVI-I連接器示意圖DVI具有分辨力自動識別和縮放功能。由于平板電視機(jī)大多采用數(shù)字尋址,數(shù)字輸入信號激勵,逐行、逐點(diǎn)顯示方式,不同分辨力的圖像信號都需要先將其變換到與平板電視機(jī)物理分辨力相同的狀態(tài),才能正常顯示。例如,一臺物理分辨力為1366×768的液晶電視機(jī)顯示格式,當(dāng)輸入圖像格式為1920×1080時,必須先將其變換為1366×768的信號格式再進(jìn)行顯示;如果輸入信號格式為852×480,則需要先將其信號格式變換到1366×768顯示格式,才能進(jìn)行顯示。DVI規(guī)范能對圖像信號的分辨力進(jìn)行識別和準(zhǔn)確的縮放,以滿足平板顯示器的顯示格式。只要該平板電視機(jī)兼容DVI規(guī)范,就可以不用擔(dān)心信號分辨力與顯示器分辨力之間的差別。DVI能以縮放方法來進(jìn)行輸入信號的縮放處理,使最終顯示的圖像能恰到好處地布滿整個屏幕,并具有本顯示屏最佳清晰度。

DVI的主要缺點(diǎn)有:體積大,不適用于便攜式設(shè)備;只能傳輸數(shù)字R、G、B基色信號,不支持分量信號Y、PR、PB傳輸;不能傳輸數(shù)字音頻信號。

2.HDCP

DVI支持HDCP(High-bandwidthDigitalContentProtection,寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù))。HDCP對DVI傳送的內(nèi)容進(jìn)行加密,防止DVI傳送的內(nèi)容被復(fù)制或非法使用。數(shù)據(jù)的加

密在DVI發(fā)送的輸入端進(jìn)行,數(shù)據(jù)的解密在DVI接收的輸出端進(jìn)行,如圖10-9所示。所以DVI鏈路的帶寬不受HDCP影響。圖10-9HDCP與DVI鏈路HDCP能保護(hù)知識產(chǎn)權(quán),得到好萊塢演播室、衛(wèi)星電視節(jié)目供應(yīng)商、有線電視節(jié)目供應(yīng)商的廣泛支持。

HDCP的基本原理是首先給接收設(shè)備授權(quán),并提供一個密鑰,用來打開傳送來的保密盒,盒內(nèi)裝有需要保護(hù)的數(shù)字信號內(nèi)容。如果接收設(shè)備沒有被授權(quán),就無法打開裝有需要

保護(hù)的數(shù)字信號內(nèi)容。這樣一來,不支持HDCP協(xié)議的顯示器無法正常播放有版權(quán)保護(hù)的高清晰度電視節(jié)目,有版權(quán)保護(hù)的高清晰度電視節(jié)目只能在被授權(quán)的、支持HDCP協(xié)議的設(shè)備上正常播放。未被授權(quán)的、不支持HDCP協(xié)議的設(shè)備上,只能看到黑屏顯示或低畫質(zhì)顯示,清晰度只有正常顯示的1/4,失去了高清晰度電視節(jié)目的價值。在計算機(jī)平臺上受到HDCP技術(shù)保護(hù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容輸出時,先由操作系統(tǒng)中的COPP驅(qū)動(認(rèn)證輸出保護(hù)協(xié)議)首先驗(yàn)證顯卡,只有合法的顯卡才能實(shí)現(xiàn)內(nèi)容輸出,隨后要認(rèn)證顯示設(shè)備的密鑰,只有符合HDCP要求的設(shè)備才可以最終顯示顯卡傳送來的內(nèi)容。HDCP傳輸過程中,發(fā)送端和接收端都存儲一個可用密鑰集,這些密鑰都是秘密存儲的,發(fā)送端和接收端都根據(jù)密鑰進(jìn)行加密解密運(yùn)算,這樣的運(yùn)算中還要加入一個特別值KSV(KeySelectionVector,密鑰選擇矢量)。同時HDCP的每個設(shè)備會有一個唯一的KSV序列號,發(fā)送端和接收端的密碼處理單元會核對對方的KSV值,以確保連接是合法的。HDCP的加密過程會對每個像素進(jìn)行處理,使得畫面變得毫無規(guī)律、無法識別,只有確認(rèn)同步后的發(fā)送端和接收端才可能進(jìn)行逆向處理,完成數(shù)據(jù)的還原。在解密過程中,HDCP系統(tǒng)會每2s進(jìn)行一次連接確認(rèn),同時每128幀畫面進(jìn)行一次發(fā)送端和接收端同步識別,確保連接的同步。為了應(yīng)對密鑰泄漏的情況,HDCP特別建立了“撤銷密鑰”機(jī)制。每個設(shè)備的密鑰集KSV值都是唯一的,HDCP系統(tǒng)會在收到KSV值后在撤銷列表中進(jìn)行比較和查找,出現(xiàn)在撤銷列表中的KSV將被認(rèn)作非法,導(dǎo)致認(rèn)證過程的失敗。這里的撤銷密鑰列表將包含在HDCP對應(yīng)的多媒體數(shù)據(jù)中,并將自動更新?？梢?要想在計算機(jī)和數(shù)字電視接收機(jī)上播放有版權(quán)保護(hù)的高清節(jié)目,不論是高清晰度電視(HDTV)節(jié)目、藍(lán)光DVD,還是HDDVD碟片,都要求顯示器和顯卡支持HDCP協(xié)議。由于高清晰度電視節(jié)目會逐漸普及,為防止盜版,保護(hù)節(jié)目制作者的合法利益,HDCP的大量應(yīng)用已成定局,因此支持HDCP協(xié)議的顯示設(shè)備也會越來越多。當(dāng)然,HDCP不是開放標(biāo)準(zhǔn),必須交納版權(quán)費(fèi)及專利費(fèi)才可使用,即嵌入HDCP并通過認(rèn)證都是要花成本的。要支持HDCP協(xié)議,必須使用DVI、HDMI等數(shù)字視頻接口,傳統(tǒng)的VGA、RGB等模擬信號接口無法支持HDCP協(xié)議。當(dāng)使用VGA、RGB等模擬信號接口時,畫面就會下降為低畫質(zhì),或者提示無法播放,從而也會失去高清晰度電視節(jié)目的意義。通常在HDMI內(nèi)都嵌入了HDCP協(xié)議,即有HDMI的顯示器都支持HDCP協(xié)議。但并不是帶DVI的顯示器都支持HDCP協(xié)議,必須經(jīng)過相應(yīng)的硬件芯片,通過認(rèn)證的帶DVI的顯示器才支持HDCP協(xié)議。當(dāng)我們用DVI連接主機(jī)和平板顯示器時,通常傳送24位RGB數(shù)據(jù),用DVI連接高分辨力的消費(fèi)類產(chǎn)品時,常常要傳送數(shù)字分量數(shù)據(jù)YUV,這種DVI通常稱為DVI-HDTV,DVI-HDTV也支持HDCP。10.2.4

高清晰度多媒體接口(HDMI)

HDMI是在DVI基礎(chǔ)上發(fā)展起來的用于消費(fèi)類產(chǎn)品的新的數(shù)字顯示接口,得到SiliconImage、日立、英特爾、松下、飛利浦、索尼、湯姆遜、東芝等廠商支持,也得到20世紀(jì)?？怂埂⑷A納兄弟等影片公司的支持。DVI只傳送圖像信息(視頻信號與同步信號),HDMI增加了傳送多聲道壓縮或未壓縮的數(shù)字音頻信號的能力,增加了傳送基本的控制數(shù)據(jù)。

HDMI可以傳輸杜比數(shù)碼等經(jīng)過壓縮的多聲道數(shù)字音頻信號,也可以傳輸未經(jīng)壓縮的數(shù)字音頻信號。HDMI支持8個未經(jīng)壓縮的數(shù)字音頻聲道,量化精度可達(dá)24位,采樣頻率高達(dá)192kHz。這些性能指標(biāo)在進(jìn)行高清晰度視頻節(jié)目傳送時也能達(dá)到。HDMI是利用視頻信號的消隱期間進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)?因此不會占用可用視頻傳輸帶寬。

HDMI可支持的計算機(jī)顯示格式有SXGA1280×1024/85Hz和UXGA1600×1200/60Hz。HDMI可支持的數(shù)字電視顯示格式有480i、480p、576i、576p和720p、1080i、1080p。HDMI可支持的數(shù)字音頻格式有CD:16位32kHz、44.1kHz、48kHz和DVD:8聲道數(shù)字音頻。

對于控制數(shù)據(jù)的傳輸,HDMI利用一條雙向數(shù)據(jù)總線,將處在一條通路上的所有符合HDMI規(guī)范的設(shè)備連接起來,遵循消費(fèi)電子產(chǎn)品控制協(xié)議(ConsumerElectronicsControl,CEC)。

作為一個消費(fèi)類產(chǎn)品接口,HDMI采用比DVI更小的連接器,圖10-10是HDMI連接器的外形與尺寸。HDMI連接器的引腳定義如下:1,TMDSDATA2+;2,TMDSDATA2屏蔽層;3,TMDSDATA2-;4,TMDSDATA1+;5,TMDSDATA1屏蔽層;6,TMDS

DATA1-;7,TMDSDATA0+;8,TMDSDATA0屏蔽層;9,TMDSDATA0-;10,TMDS時鐘+;11,TMDS時鐘屏蔽層;12,TMDS時鐘-;13,CEC;14,保留;15,SCL;16,SDA;17,DDC/CEC地;18,+5V電源;19,HotPlugDetect。除了支持DVIHDTV外,HDMI還支持高分辨力數(shù)字分量格式,支持HDCP。DVI推薦的最大傳送距離為8m,HDMI因?yàn)楦倪M(jìn)了芯片和連接器,最大傳送距離超過15m。圖10-10HDMI連接器(a)外形;(b)尺寸HDMI與DVI后向兼容,HDMI產(chǎn)品與DVI產(chǎn)品能夠用簡單的無源適配器連接在一起,當(dāng)然也會失去HDMI產(chǎn)品傳送多聲道音頻和控制數(shù)據(jù)的新功能。

SiliconImage公司有專用的HDMI發(fā)送芯片Sil9030和HDMI接收芯片Sil9031、Sil9021。飛利浦公司有HDMI接收芯片TDA9975A。

HDMI1.3版將其單連接帶寬提高到340MHz(10.2Gb/s),支持30位、36位、48位的R、G、B基色信號和Y、PR、PB色差信號的量化精度,用于數(shù)字電視中心節(jié)目的交換;新增了對“xvYCC”彩色標(biāo)準(zhǔn)的支持;加入了自動音、視頻同步功能。

HDMI1.4版數(shù)據(jù)線將增加一條數(shù)據(jù)通道,支持高速雙向通信,允許兩個HDMI設(shè)備之間共享數(shù)據(jù);音頻回傳通道(AudioReturnChannel)能讓高清電視通過HDMI線把音頻

直接傳送到A/V功放機(jī)上;3D支持雙通道1080p分辨力的視頻流;支持MicroHDMI微型接口,外形足足小了一半,但其功能特性與標(biāo)準(zhǔn)大小的HDMI無異。2010年3月發(fā)行的HDMI1.4a版本又規(guī)定了多種3D視頻格式,不降低分辨力的格式有幀包裝(FramePacking)、場交替(FieldAlternative)、行交替(LineAlternative)、全分辨

力的左右格式(SidebySideFull)等,進(jìn)行下轉(zhuǎn)換(下取樣)的半分辨力的格式有半分辨力的左右格式(SidebySideHalf)、上下(TopandBottom)格式等。其下取樣方式也增加了梅花

形下取樣(QuincunxSub-sampling)的取樣方法。HDMI1.4a支持左視加深度(L+depth)、左視加深度加圖形加圖形深度(L+depth+Graphics+Graphics-depth)的數(shù)據(jù)形式。10.2.5DP

DP(DisplayPort,顯示器接口)標(biāo)準(zhǔn)為開放式標(biāo)準(zhǔn),功能強(qiáng)大,兼容性好,免費(fèi)使用。如用HDCP進(jìn)行內(nèi)容保護(hù),則要根據(jù)有關(guān)內(nèi)容保護(hù)的規(guī)定收取費(fèi)用,費(fèi)用與HDCP的相當(dāng)。

DP標(biāo)準(zhǔn)主要有以下特點(diǎn):

(1)抗干擾能力較強(qiáng)。DP采用交流耦合的差分信號傳輸方式,對共模干擾信號有較高的共模干擾抑制比,同時傳輸信號時的控制信息在每幀的垂直消隱期間都會發(fā)送一次。當(dāng)2條或4條線同時傳輸時,每條線上的控制信息在時間上是錯開的,其中的M值每次傳送4次,可以通過檢查M值來判斷信息是否遭到破壞,再通過舍棄被破壞的信息來提高信號

傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。(2)數(shù)據(jù)傳輸路徑較長,符合DP1.0版標(biāo)準(zhǔn)的器件可傳輸15m長的距離。

(3)支持較高分辨力。由于DP是一種比較靈活的協(xié)議,只要不超過信號通道帶寬,就可以傳輸更高的分辨力。在4條線傳輸時,數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)10.8GHz。

(4)支持雙向數(shù)據(jù)傳輸。DP的數(shù)據(jù)通道由主通道和輔助通道組成。主通道是高速單向的數(shù)據(jù)總線;輔助通道是高速雙向傳輸線。

(5)支持熱插拔。(6)應(yīng)用范圍廣泛,可以應(yīng)用于外部連接和內(nèi)部連接的各種場合,例如電視機(jī)頂盒與顯示器的連接、計算機(jī)與監(jiān)視器的連接、電視機(jī)頂盒內(nèi)部連接和筆記本電腦主板與面板連接等。

DP有兩種接口插座。第一種外部接口接頭引腳數(shù)為20,標(biāo)準(zhǔn)型外形類似于USB、HDMI接口;低矮型主要針對連接面積有限的場合應(yīng)用,例如超薄筆記本電腦。第二種內(nèi)

部用接口接頭引腳數(shù)為26,僅有26.3mm寬、1.1mm高,體積小,傳輸速率高。DP由主通道、輔助通道及熱插拔檢測(HotPlugDetect,HPD)線組成。主通道是單向、高帶寬和低延遲通道,用于傳輸同步流,如非壓縮音、視頻數(shù)據(jù)流;輔助通道是半雙工、雙向通道,用于連接管理和設(shè)備控制;熱插拔檢測線接收來自接收設(shè)備中的中斷請求。另外,用于盒與盒之間的DP外部連接頭有一個電源引腳,可供DP中斷設(shè)備或DP到傳統(tǒng)接口的轉(zhuǎn)換器使用。①主通道:由一個、兩個或四個通信線對(Lane,AC-Coupled,Doubly-terminated

DifferentialPair,交流耦合雙終端差分線對)構(gòu)成。交流耦合特性允許DP發(fā)送端與接收端

用不同的通用模式電壓。這使DP在支持0.35μmCMOS處理流程的同時(目前仍通用于LCD面板的時序控制器),也易于采用更高級的硅工藝(如65nmCMOS處理流程)。

線對支持兩種傳輸速率:2.7Gb/s或1.62Gb/s。具體使用哪種傳輸速率,取決于發(fā)送與接收設(shè)備的能力及通信信道的質(zhì)量。主通道的線對數(shù)可以是一對、兩對或四對。所有線對均傳送數(shù)據(jù),沒有專用的時鐘通道,根據(jù)數(shù)據(jù)流的編碼特性,時鐘信息可以從數(shù)據(jù)流中直接讀出。

發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備可以根據(jù)它們的需要選擇激活最少的線對數(shù)。支持兩線對的設(shè)備必須同時支持一線對和兩線對,同樣支持4線對的設(shè)備必須同時支持一線對、兩線對和四線對?？捎山K端用戶插拔的外部電纜要求支持4線對,以保證發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的互操作性。當(dāng)激活的線對數(shù)少于4對時,必須首先使用數(shù)字較小的線對(由0號線對開始)。②輔助通道:由一個交流耦合雙終端差分線對組成。通道編碼使用MenchesterII編碼方法。與主通道一樣,時鐘信息從數(shù)據(jù)流中解出。

輔助通道是半雙工雙向通道,源設(shè)備為主設(shè)備,接收設(shè)備為從設(shè)備,所有輔助通道上的會話都是由源設(shè)備發(fā)起的。雖然如此,接收設(shè)備仍然能通過在熱插拔檢測線上發(fā)送中斷請求,來提示源設(shè)備開始一次對話。這種中斷請求特性使得DP易于支持CEA931B標(biāo)準(zhǔn)中定義的遠(yuǎn)程控制命令。輔助通道提供1Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率,每次會話的時間不得超過500ms,最大突發(fā)數(shù)據(jù)包不得大于16B,以免一個輔助通道應(yīng)用阻塞其它應(yīng)用。輔助通道會話的語法定義使得它可以無縫轉(zhuǎn)換到I2C會話語法。

DP版本1.2傳輸速度升級到單線對5.4Gb/s,四線對達(dá)到21.6Gb/s,可以傳輸分辨力為3840×2160四倍超高清的視頻,同時也可以傳輸3D數(shù)字信號。版本支持多臺顯示器同時輸出,包括同時傳輸兩組分辨力為2560×1600的顯示信號或者四組分辨力為1920×1200的顯示信號,其輔助通道也實(shí)現(xiàn)高速化,支持USB數(shù)據(jù)和耳麥數(shù)據(jù)傳輸。此外,DP版本提供了與之相應(yīng)的MINIDP1.2接口。10.2.6

數(shù)字音/視頻交互接口(DiiVA)

DiiVA(DigitalInteractiveInterfaceforVideo&Audio,數(shù)字音/視頻交互接口)是由中國數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟推廣的標(biāo)準(zhǔn),主要推廣者有海信、TCL、創(chuàng)維、長虹、康佳、海爾、

上廣電、熊貓、凌旭等9家企業(yè)。

(1)DiiVA采用菊花鏈的連接方式和AnytoAny的數(shù)據(jù)傳輸方式,簡而言之,就是任何一個在DiiVA網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都可以互相訪問,包括非壓縮的音/視頻數(shù)據(jù)流、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包和USB數(shù)據(jù)包。(2)DiiVA采用高級的電源管理技術(shù)POD(PoweronDiiVA),由DiiVA的線纜提供5V/1A的Standby電源,通過POD的技術(shù)可以遠(yuǎn)程打開或關(guān)閉連接在DiiVA網(wǎng)絡(luò)中的任何一個設(shè)備,即使級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的某一個設(shè)備關(guān)閉了,也不影響下一級的設(shè)備與整個網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián),功耗不大的設(shè)備比如攝像頭、游戲遙控設(shè)備就完全不需要電源。

(3)在DiiVA鏈路中除了VideoLink進(jìn)行視頻傳輸外,還有專門用于數(shù)據(jù)/音頻/命令進(jìn)行傳輸?shù)腍ybridLink(混合鏈路或稱為DataChannel),對數(shù)據(jù)內(nèi)容沒有限制,只要按照協(xié)議進(jìn)行封包解包即可。(4)DiiVA支持高色域、高刷新率和高分辨率,采用4對6類雙絞線,其中3對6類雙絞線用來傳輸非壓縮視頻,每線對可以支持高達(dá)4.5Gb/s的帶寬速率,單向總計13.5Gb/s帶寬速率。同時將剩余的一對雙絞線定義為一條2Gb/s帶寬的混合信道用于雙向數(shù)據(jù)傳輸和音頻傳輸。DiiVA的AnytoAny的傳輸方式可使總的網(wǎng)絡(luò)連接成本大大降低。

(5)DiiVA采用8b/10b的編碼技術(shù)。DiiVA是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字電視高清互動接口,它的出現(xiàn)將大大增強(qiáng)中國彩電企業(yè)在視頻接口標(biāo)準(zhǔn)方面的話語權(quán)。10.2.7USB接口

USB(UniversalSerialBus,通用串行總線,簡稱通串線)是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn),用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通信。

USB1.1的理論傳輸速率為12Mb/s(1.5MB/s),USB2.0的是480Mb/s(60MB/s),而USB3.0則高達(dá)5Gb/s(625MB/s),與HDMI相當(dāng),滿足高清視頻傳輸?shù)男枰?。?biāo)準(zhǔn)的USB插頭有兩種:長方形的A型和缺兩個角的方形的B型。除此之外,還有更小的MINIUSB插頭。無論哪種插頭,里面都有四條連接線:紅線,+5V;白線,數(shù)據(jù)信號負(fù)極;綠線,數(shù)據(jù)信號正極;黑線,地。

電腦上常常有多個USB接口,常接USB硬盤、USB鼠標(biāo)、USB打印機(jī)和USB掃描儀。

很多顯示器、電視機(jī)和機(jī)頂盒都配有USB接口,通過USB接口連接存儲設(shè)備,能實(shí)現(xiàn)的功能卻不太相同。有的電視機(jī)只支持播放USB存儲設(shè)備中的圖片,有的可以播放音樂文件和一些特定格式的視頻。

10.2.8

網(wǎng)絡(luò)接口

顯示器往往會內(nèi)置網(wǎng)卡(常集成在主芯片中),并配置有RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口,以便執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能。RJ-45接口是用來連接雙絞線的端口,是一種只能沿固定方向插入并自動防止脫落的塑料接頭,俗稱“水晶頭”。

RJ-45端口又可分為10Base-T網(wǎng)的RJ-45端口和100Base-TX網(wǎng)的RJ-45端口兩類。其中10Base-T網(wǎng)的RJ-45端口在路由器中通常標(biāo)識為“ETH”,而100Base-TX網(wǎng)的RJ-45端口則通常標(biāo)識為“10/100bTX”。顯示器也可以內(nèi)置無線網(wǎng)卡,通過無線路由器連接網(wǎng)絡(luò)。

例如,“樂視TV超級電視S40Air全配版”電視機(jī)具有10/100Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)端口,內(nèi)置2.4GHz/5GHz雙頻WiFi。

上面介紹了顯示器的常用接口,作為計算機(jī)的顯示終端最普通的顯示器只有VGA(分辨力為640×480)接口,SVGA最大分辨力可以達(dá)到1024×768;檔次高的顯示器除了VGA接口,還帶有DVI、HDMI等數(shù)字接口,用來顯示各種數(shù)字音、視頻源。多媒體顯示器則具有多種模擬和數(shù)字接口,以適應(yīng)各種視頻源,如飛利浦BDL4225E型多媒體高清顯示器有輸入口VGA、DVID、HDMI、分量(5BNC:R或Pr、G或Y、B或Pb、H、V)、復(fù)合CVBS(BNC)、A/V端子、S端子,有輸出口VGA、復(fù)合CVBS(BNC)音頻(2RCAL、R)。

BNC(BayonetNeill-Concelman,ConnectorUsedwithCoaxialCable)是一種同軸電纜連接器。圖10-11是BNC連接器示意圖。圖10-11BNC連接器10.3液晶顯示

10.3.1液晶顯示基礎(chǔ)

1.液晶

有一類有機(jī)化合物,加熱至溫度T1,會熔化為具有光學(xué)各向異性而混濁黏稠的液體;繼續(xù)加熱到溫度T2,則變成光學(xué)各向同性而透明的液體。溫度在T1~T2

之間,呈現(xiàn)出液體的流動性和晶體的光學(xué)各向異性,所以這類物質(zhì)稱為液晶。它們既不同于不能流動的晶體,也有別于各向同性的液體。液晶由棒狀分子組成。這些分子以各種液晶特有的規(guī)則排列,但共同點(diǎn)是各分子的長軸平行,指向某一方向。由于液晶分子有指向性的排列,所以其物理參數(shù)在分子長軸方向及其垂直方向取不同值。這種表征液晶物理特性的參數(shù)隨方向而異的性質(zhì),稱為液晶的各向異性。液晶的各向異性及其分子排列易受外加電場、磁場、應(yīng)力、溫度等的控制,從而得到了多種應(yīng)用。

在外加電場作用下,由于液晶分子排列的變化而引起液晶光學(xué)性質(zhì)改變的現(xiàn)象,稱為液晶的電光效應(yīng)。液晶顯示器正是利用液晶的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光被電信號調(diào)制的。2.液晶顯示器原理

液晶顯示器(LCD)是基于液晶電光效應(yīng)的顯示器件。最常用的是扭曲向列型(TwistedNematic,TN)LCD。圖10-12是扭曲向列型液晶顯示器的工作原理。TNLCD在涂有透明導(dǎo)電層的兩片玻璃基板間填充10μm厚的液晶,液晶分子在基板間排列成多層,在同一層內(nèi),液晶分子的位置雖不規(guī)則,但長軸取向都平行于基板,在不同層間,液晶分子的長軸沿基板平行平面連續(xù)扭轉(zhuǎn)90°,正是因?yàn)橐壕Х肿映蔬@種扭曲排列,故稱之為扭曲向列型液晶顯示器。然后上下各加一片偏振片,入射光側(cè)的偏振片稱為起偏器,出射光側(cè)的偏振片稱為檢偏器。起偏器的偏光方向與該側(cè)表面的液晶分子軸方向一致,檢偏器的偏光方向與起偏器的偏光方向相互垂直。當(dāng)與起偏器的偏光方向一致的直線偏振光垂直射向無外

加電場的TNLCD時(如圖10-12(a)所示),由于液晶折射率的各向異性,入射光將因其偏振方向隨分子軸的扭曲而旋轉(zhuǎn)射出。若對液晶層施加適當(dāng)?shù)碾妶?且外加電壓高于閾值電壓,則液晶分子軸變?yōu)榕c電場方向平行,如圖10-12(b)所示。此時,液晶不再能旋光,檢偏器把光遮斷。這種平常光線能通過,液晶層加電場時光線不能通過的情況稱為常亮(NormallyWhite,NW)模式。若兩片偏振片的偏振光方向相平行,則透光、遮光的發(fā)生條件相反,稱為常暗(NormallyBlack,NB)模式,常暗模式遮光、透光如圖10-12(c)、(d)所示。圖10-12扭曲向列型液晶顯示器的工作原理(a)常亮模式透光;(b)常亮模式遮光;(c)常暗模式遮光;(d)常暗模式透光液晶顯示器用的液晶材料,在常溫下即處于液晶狀態(tài)。當(dāng)液晶兩端的外加電壓升高時,電場強(qiáng)度E隨之升高,使液晶分子排列方向與電場垂直改變?yōu)榕c電場平行時的電壓稱為閾值電壓UTH。一般扭曲向列型液晶的UTH約為2~3V。

超扭曲向列(SuperTN,STN)型液晶與TN型液晶結(jié)構(gòu)大體相同,只不過液晶分子不是扭曲90°而是扭曲180°,還可以扭曲210°或270°等,其特點(diǎn)是電光響應(yīng)曲線更好,可以適應(yīng)更多的行列驅(qū)動,但響應(yīng)時間較長。TFTLCD(ThinFilmTransistorLCD,薄膜晶體管液晶顯示器)具有分辨力高、色彩豐富、屏幕反應(yīng)速度較快、屏幕可視角度大、容易實(shí)現(xiàn)大面積顯示等優(yōu)點(diǎn),是液晶顯示技術(shù)進(jìn)入高質(zhì)量、真彩色的重要技術(shù)保證,也是運(yùn)用最廣泛的平面顯示器(FPD)。

薄膜晶體管(ThinFilmTransistor,TFT)通常是指用半導(dǎo)體薄膜材料制成的絕緣柵場效應(yīng)晶體管。根據(jù)其使用的半導(dǎo)體材料可以分為非晶硅、多晶硅和化合物半導(dǎo)體等。利用非晶硅材料制成的非晶硅(AmorphousSilicon)薄膜晶體管(A-SiTFT)具有制作容易,基板玻璃成本低,能夠滿足有源矩陣液晶驅(qū)動的要求,開/關(guān)態(tài)電流比大,可靠性高和容易大面積制作等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用,成為了TFT-LCD中的主流技術(shù)。透明導(dǎo)電玻璃基板是一種表面極其平整的薄玻璃片,表面涂有ITO(IndiumTinOxide,摻錫氧化銦)膜,ITO膜常溫下具有良好的導(dǎo)電性能,對可見光具有良好的透過率,經(jīng)光刻加工成透明電極圖形。這些圖形由像素圖形和外引線圖形組成,因此外引線不能用傳統(tǒng)的錫焊,必須通過導(dǎo)電橡膠帶進(jìn)行連接。

3.液晶顯示器的特點(diǎn)

液晶顯示器利用液晶的電光效應(yīng),使信號電壓改變液晶的光學(xué)特性,造成對入射光的調(diào)制。液晶顯示器具有以下特點(diǎn):

(1)液晶顯示器件本身不發(fā)光,它必須有外來光源。這種光源可以是高照度的熒光燈、太陽光、環(huán)境光等。

(2)液晶材料的電阻率高,流過液晶的電流很微小,所以液晶顯示器電源電壓低,一般為3~5V;驅(qū)動功率小,一般為μW/cm2級;能用MOS集成電路驅(qū)動。(3)液晶的光學(xué)特性對信號電壓響應(yīng)速度慢(TN型液晶的響應(yīng)時間為80ms,薄膜晶體管有源矩陣的響應(yīng)時間為50ms),但大屏幕液晶顯示模塊的響應(yīng)時間已達(dá)到8~25ms。

(4)直流電壓驅(qū)動液晶屏?xí)鹨壕Х肿拥碾娀瘜W(xué)反應(yīng),縮短液晶壽命。為避免這種電化學(xué)反應(yīng),必須使用交流電壓驅(qū)動液晶屏,交流驅(qū)動電壓波形應(yīng)無平均直流成分。

(5)電視臺廣播的電視信號針對顯像管的非線性作了非線性預(yù)先校正,而液晶顯示屏的電光轉(zhuǎn)換特性近似線性。為使接收到的電視信號在液晶屏上顯示為無灰度畸變的電視圖像,應(yīng)將接收到的電視信號經(jīng)過非線性校正,再送到液晶屏上顯示。顯像管的非線性系數(shù)γ=2.2,為使電視系統(tǒng)總的γ=1,在攝像機(jī)的前置放大級,加了一個1/γ=1/2.2的預(yù)校正電路。所以液晶電視機(jī)的視頻放大級應(yīng)有一個γ=2.2的非線性校正電路。

(6)液晶顯示器件是由兩層透明電極板之間夾一層液晶組成的,與電容器的結(jié)構(gòu)相似,形成平行板電容器,稱為CLC(CapacitorofLiquidCrystal,液晶電容)。它的大小約為0.1pF,這個電容無法將電壓保持到下一幀(當(dāng)60幀/s時,需要保持約16ms),因此在面板的設(shè)計上,會再加一個儲存電容Cs(大約為0.5pF),使電容上的充電電壓能維持到下一次更新畫面的時候。對于驅(qū)動信號源來說,液晶顯示器件是容性負(fù)載。10.3.2液晶顯示驅(qū)動

液晶電視接收機(jī)均采用矩陣驅(qū)動方式。矩陣驅(qū)動方式分為簡單矩陣方式和有源矩陣方式,目前多采用有源矩陣驅(qū)動方式。

有源矩陣液晶屏在掃描電極和信號電極的交叉處,將透明的薄膜晶體管開關(guān)與液晶像素串聯(lián),使液晶電極之間的交叉效應(yīng)減少,液晶像素的閾值特性變陡。圖10-13為薄膜場效應(yīng)晶體管驅(qū)動的有源矩陣液晶的一個像素的示意圖。圖中:xi

為第i個掃描電極;yj

為第j個信號電極;BK為背電極;Tij為xi

和yj

交叉處的開關(guān)晶體管;Cij=

CLC+Cs

為液晶像素電容,用來儲存模擬信號的一個像素;Rij為液晶像素的絕緣電阻,其阻值很大,可以視為開路。

每一個像素配置一個開關(guān)晶體管,晶體管導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)接近理想開關(guān),因此各個像素之間的尋址完全獨(dú)立,從而消除了液晶像素之間的交叉串?dāng)_,大大改善了液晶顯示圖像的對比度和清晰度。圖10-13薄膜場效應(yīng)晶體管驅(qū)動的有源矩陣液晶的一個像素圖10-14是有源矩陣驅(qū)動的面陣電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)與TFT柵極相連的行線Xi

加高電平脈沖時,連接在Xi

上的TFT全部被選通,圖像信號經(jīng)緩沖、同步電路加在與TFT源極相連的引線Y1~Ym

上,經(jīng)選通的TFT將信號電荷加在液晶像素上。Xi

每幀被選通一次,Y1~Ym

每行都要被選通。通常液晶像素可以等效為一電容,其一端與TFT的漏極相連,另一端與制備有彩色濾色膜的上基板上的公共電極相連。當(dāng)TFT柵極被掃描選通時,柵極上加一正高壓脈沖UG,TFT導(dǎo)通,若此時源極有信號ULD輸入,則導(dǎo)通的TFT提供開態(tài)電流ION,對液晶像素電容充電,液晶像素電容即加上了信號電壓ULD,該電壓的大小對應(yīng)于所顯示的內(nèi)容。同時為了增加信號的存儲時間,正高壓脈沖UG

過后Xi

上為0或低電平,像素電容上的電荷將保持一幀的時間,直至下一幀再次被選通后新的ULD到來,像素電容上的電荷才改變。由此,逐行選通TFT,使Xi

依次加正的高電平脈沖,這樣逐行重復(fù)便可顯示出一幀圖像。由于掃描信號互不交疊,在任一時刻,有且只有一行的TFT被掃描選通而開啟,其他行的TFT都處于關(guān)態(tài),所顯示的圖像信號只會影響該行的顯示內(nèi)容,不會影響其它行,從而消除了串?dāng)_。圖10-14有源矩陣驅(qū)動的面陣電路結(jié)構(gòu)一個基本的顯示單元需要三個TFT來分別代表R、G、B三基色。對于1024×768分辨力的TFTLCD,共需要1024×768×3個這樣的點(diǎn)組合而成。然后再用UG

脈沖,依序?qū)⒚恳恍械腡FT打開,使整個面陣的各點(diǎn)充電到各自所需的電壓,以顯示不同的灰度。以一個1024×768(XGA)分辨力的液晶顯示器來說,總共會有768根柵極母線,有源極母線1024×3=3072根。對60幀/s的液晶顯示器來說,每幀的顯示時間約為1/60s=16.67ms。每根柵極母線的開關(guān)時間約為16.67ms/768=21.7μs。所以柵極電壓(即行掃描電壓)UG的波形(如圖10-15所示)為一個接著一個寬度為21.7μs的脈沖,依次序打開每一行的TFT。在這個21.7μs的時間內(nèi),由3072根源極母線將3072個顯示點(diǎn)充電到所需的電壓,以顯示出相對應(yīng)的灰度。圖10-15X1~X768行的UG

波形10.3.3LCD組件

1.彩色液晶顯示屏的結(jié)構(gòu)

彩色液晶顯示屏通過著色工藝將R、G、B三種色素沉積在玻璃基板內(nèi)表面,形成縱向排列三基色濾色片或嵌鑲式三角形排列三基色濾色片,如圖10-16所示。

圖10-17是彩色液晶顯示屏的橫剖面示意圖。起偏振片和檢偏振片的偏振方向相同,TN液晶閥中摻有黑色染料分子,有利于關(guān)閉濾色片,使其不透光。不加電場時,液晶分子與上、下基片表面平行,但TN液晶分子在上、下基片之間連續(xù)扭轉(zhuǎn)90°,使入射液晶的直線偏振光的偏振方向通過液晶層時,沿液晶分子扭轉(zhuǎn)90°,因而出射光的偏振方向垂直于檢偏振片的偏振方向,結(jié)果出射光被遮斷。圖10-16三基色濾色片(a)縱向排列;(b)嵌鑲式三角形排列當(dāng)透明的Y電極與X電極之間加的電壓大于液晶的閾值電壓時,外加電場改變TN液晶分子的排列方向,液晶分子軸與電場方向平行,液晶的90°旋光性消失,如圖10-17左邊第一個R濾色單元,入射白光經(jīng)R濾色單元透過檢偏振片,出射R色光,結(jié)果在出射端能看到紅基色光。當(dāng)一組R、G、B三基色濾色單元之中有1~3個濾色單元能使入射白光被其濾色而透過檢偏振片時,在出射端就能看到1~3種基色光的相加混色。這里TN型液晶對基色光起控制閥門的作用。圖10-17彩色液晶顯示屏的橫剖面示意圖2.LCD組件簡介

彩色液晶顯示屏的引線很多,要將這些引線從玻璃基板上引到驅(qū)動系統(tǒng)的PCB板上,這種工藝不是普通用戶能掌握的,彩色液晶顯示屏的制造商對產(chǎn)品進(jìn)一步開發(fā),制作出了

相應(yīng)的控制和驅(qū)動PCB板及壓框,然后用壓框和導(dǎo)電橡膠條將LCD固定在PCB板上。PCB板上包含了數(shù)據(jù)接口電路、控制電路、掃描電路、驅(qū)動電路和電源,加上背光源就構(gòu)成了彩色液晶顯示屏組件,或稱為LCD組件。圖10-18是LCD組件的組成方框圖,外部只要輸入顯示數(shù)據(jù)和電源,LCD組件就能顯示。圖10-18彩色液晶顯示屏組件方框圖顯示數(shù)據(jù)接口有CMOS和LVDS兩種接口方式。CMOS接口多用于早期的低分辨力液晶顯示組件,高分辨力液晶顯示組件普遍采用LVDS接口。

組件中,若每一種基色R、G、B都是8位數(shù)據(jù),則有28種分檔排列的強(qiáng)弱變化,即從00000000到11111111,00000000表示該基色光無輸出,11111111表示該基色光輸出最大。

三種基色光均有28種排列,其組合后可得到224種色彩。

在掃描電路中,由768位移位寄存器產(chǎn)生逐行掃描信號,經(jīng)緩沖器加到每行TFT的柵極。驅(qū)動電路分為奇像素驅(qū)動電路和偶像素驅(qū)動電路,各驅(qū)動512個像素。驅(qū)動電路中有數(shù)據(jù)存儲器、移位寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器。TFTLCD組件是采用背光來發(fā)亮的,以前采用CCFL(ColdCathodeFluorescent

tube,冷陰極熒光燈),壽命5萬小時,交流供電,有發(fā)光效率低、放電電壓高、低溫下放電特性差、加熱達(dá)到穩(wěn)定輝度時間長的缺點(diǎn)。

現(xiàn)在大多用OLED和LED背光源,壽命10萬小時,有色純度高、色再現(xiàn)率高、亮度高、不怕低溫、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性好、無汞污染等優(yōu)點(diǎn)。10.3.4

面板技術(shù)

液晶面板決定了顏色數(shù)、可視角度、對比度、響應(yīng)時間和分辨力等重要參數(shù)指標(biāo)。液晶面板主要有TN、VA和IPS三大類型。

1.TN面板

TN面板是低檔產(chǎn)品,有可視角小、開口率(ApertureRatio,光線能透過的有效區(qū)域比例,可決定亮度)低、最大色彩數(shù)少等缺點(diǎn)。但是由于TN面板輸出灰度級數(shù)較少,液晶

分子偏轉(zhuǎn)速度快,因此其具有響應(yīng)時間短的優(yōu)點(diǎn)。TN+薄膜(TN+film)面板是TN面板的改良型,薄膜稱為補(bǔ)償膜、相差膜或者視角拓寬膜。補(bǔ)償膜貼在液晶盒的兩側(cè),可以有效提高可視角。

補(bǔ)償膜對各種液晶顯示器均起關(guān)鍵性作用。事實(shí)上,不同類型的液晶顯示器都會因?yàn)橐壕Х肿拥臓顟B(tài)不同而衍生出不同的光學(xué)畸變,要實(shí)現(xiàn)完美的視角特性,光學(xué)補(bǔ)償膜必不可少。

2.VA面板

VA(VerticalAlignment,垂直取向)面板是高檔的面板類型,其特點(diǎn)是具有16.7M種色彩和大可視角。TN面板視角狹窄的主要原因是液晶分子在運(yùn)動時長軸指向變化太大,讓觀眾看到的分子長軸在屏幕的“投影”長短有明顯差距,在某些角度看到的是液晶長軸,某些角度則看到短軸。

MVA(Multi-domainVerticalAlignment,多疇垂直取向)面板的液晶層中包含一種凸出物供液晶分子附著。在不施加電壓的狀態(tài)下,MVA面板看起來同傳統(tǒng)技術(shù)沒什么兩樣,液晶分子垂直于屏幕。而一旦在電壓的作用下,液晶分子就會依附在凸出物上偏轉(zhuǎn),形成垂直于凸出物表面的狀態(tài)。此時,它與屏幕表面也會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)效應(yīng),提高了透光率,形成畫面輸出。這種方式有效改