視頻顯示器市場分為：大批量應用，如臺式機、筆記本顯示器和電視機面板；中等批量應用，如小型人機接口（HMI）面板和大尺寸數(shù)字標牌。本文將探討的是大尺寸顯示器面板應用（表1），其中FPGA是一個備受關(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個常用的顯示標準：7:1低壓差分標準（LVDS），數(shù)字視頻接口（DVI）和高清多媒體接口（HDMI）。

　　7:1 LVDS

　　需要一個集成的LCD顯示屏的應用通常使用7:1 LVDS連接。7:1接口采用了低壓差分信號（LVDS）I/O標準。VESA（視頻電子標準協(xié)會）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顯示器的每一個像素都由紅、綠、藍（RGB）三個元素組成，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標準使用3或4個LVDS數(shù)據(jù)通道和一個LVDS時鐘通道。更高分辨率的顯示器將使用4個LVDS數(shù)據(jù)通道和一個LVDS時鐘。在一個時鐘周期內(nèi)，每條數(shù)據(jù)線上有7個串行數(shù)據(jù)位（圖2），即數(shù)據(jù)傳輸速率比時鐘周期快7倍。如果3個LVDS數(shù)據(jù)通道正在傳輸數(shù)據(jù)（例如從一臺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。

　　萊迪思半導體（Lattice）提供了一個非常有效的參考設計，同時支持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接口。

　　7:1 LVDS應用：圖形多路開關(guān)

　　7:1 LVDS的一個示例是圖形控制多路復用器，或GMUX（圖3），該器件被設計用于選擇使用筆記本電腦中兩個圖形控制器中的哪一個來驅(qū)動LCD屏幕。這些筆記本電腦有兩個7:1 LVDS視頻源，即CPU/芯片組中的集成圖形控制器（iGFX）和獨立顯卡控制器（dGFX），可用來驅(qū)動一個LCD顯示屏。iGFX專為低功耗和較低要求的任務而優(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用而設計，如游戲或視頻編輯。

　　數(shù)字視頻接口（DVI）

　　數(shù)字視頻接口（DVI）標準由數(shù)字顯示工作組（DDWG）于1999年發(fā)布。DVI包含1個差分時鐘和3個差分源同步串行數(shù)據(jù)通道（圖4）。傳輸?shù)娘@示數(shù)據(jù)是未壓縮的數(shù)字數(shù)據(jù)。對于每一個時鐘周期，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48位色深）。

　　萊迪思實現(xiàn)了同時支持DVI TX和RX功能的參考設計。該設計利用了LatticeECP3或LatticeECP2M FPGA系列中的CML SERDES通道，來支持更高速率的DVI傳輸。這一設計利用了SERDES中內(nèi)置的PLL來恢復源同步數(shù)據(jù)。通過以這種方式實現(xiàn)DVI接口，可以在低成本FPGA中實現(xiàn)全速1.65Gbps速率。因為在ECP3或ECP2M FPGA中的PLL被設計用于支持各種頻率，萊迪思DVI參考設計可自動支持各種顯示分辨率。鑒于DVI參考設計將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB，操作圖像將非常簡單。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應用：擴展器

　　有許多應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)范要求的傳輸長度為5米，高品質(zhì)線纜可將其擴展到10米，但它們不可能做到完全無損。此外，DVI線纜體積很大，這會使其在某些環(huán)境下受限。由于這些問題，DVI擴展器已越來越受到歡迎。擴展器通常用于PC服務器的機架安裝以及消費類和工業(yè)數(shù)字標牌。

　　在這個例子中（圖5），臺式機是DVI信號源，它將DVI數(shù)據(jù)驅(qū)動到FPGA。通過三條數(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)通道信號通過SERDES引腳發(fā)送到光收發(fā)器。光收發(fā)器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖發(fā)送數(shù)據(jù)。使用光纖的優(yōu)勢在于它支持臺式機和LCD顯示器之間的長距離傳輸。此外，光纖柔軟且較細，非常適合安裝。在光纖的接收端，另一個光收發(fā)器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將信號發(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)，以便能進行串行化。三根串行數(shù)據(jù)線和時鐘信號都將被傳輸?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用中，包括酒店、火車站、機場、零售商店等場所中用于廣告/營銷信息的數(shù)字標牌。廣播、體育場館、娛樂場所等娛樂相關(guān)的應用也使用了電視墻。其他應用還有用于遠程手術(shù)和診斷的醫(yī)療成像。

　　常見電視墻的實現(xiàn)包括一個用來驅(qū)動幾個大型顯示器的顯卡底座。為降低成本，即采用單個顯卡和數(shù)量更多但尺寸較小的顯示器（利用LCD的降價優(yōu)勢），需要使用視頻分割器（圖6）。

　　由于信號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)費的雙DVI接口具有成本優(yōu)勢，因為消費類和企業(yè)級顯示器市場均廣泛采用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）標準擴展了DVI標準。這兩個接口都使用了差分時鐘和三根信號源同步數(shù)據(jù)線，它們還都使用TMDS信號機制來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。HDMI不同于DVI之處在于，它還可以同時在視頻和音頻通道上傳送數(shù)據(jù)。由于HDMI與DVI信號電氣兼容，這兩種接口之間不需要進行轉(zhuǎn)換。并且，它們之間的轉(zhuǎn)換不會影響視頻質(zhì)量。HDMI是實際上存在的電視標準，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，也可以支持其他標準，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參考設計，通過擴展上述DVI PHY參考設計來支持額外的HDMI PHY編碼要求。

　　HDMI版本1.0-1.2具有高達1.65Gbps的鏈路速度，支持1080p60和8聲道音頻，適用于 HDTV、DVD和藍光播放器或WUXGA（1920×1200）@60Hz的顯示器。HDMI的音頻功能支持多達8個未壓縮的音頻通道，可用于7個環(huán)繞立體聲揚聲器和一個重低音揚聲器?，F(xiàn)在甚至需要更快的速率來支持更高的分辨率、更快的刷新率、色彩深度和3D視頻。HDMI標準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（HDCP）是一個可選的格式，用于加密通過HDMI鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)。很多DVD、藍光光盤和音頻CD都采用HDCP編碼。通常，嵌入式應用、個人視頻和廣告或工業(yè)用數(shù)字標牌無需使用HDCP。

　　HDMI應用：組合器

　　萊迪思提供的DVI參考設計還支持HDMI PHY接口。視頻會議切換應用需要音頻和視頻處理。在該應用中（圖7），多個HDMI信號源（視頻和音頻）被接收，并且輸出顯示在一個屏幕上。每個 HDMI信號源可以是一個本地PC的HDMI線纜，或者通過網(wǎng)絡或背板提供HDMI輸入。無論使用怎樣的HDMI數(shù)據(jù)輸入方式，都必須將每個輸入的視頻和音頻分開，然后將每個RGB視頻流匯集并顯示在一個屏幕上。

　　還需要從每個HDMI信號源提取音頻。一旦每個音頻源被分開，就可以識別是誰在發(fā)言。有了這一信息，該設計便能夠“知道”以下信息：哪個視頻（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；哪個音頻（有效發(fā)言者）應嵌入到HDMI數(shù)據(jù)流；哪些（其余的）音頻應該靜音。

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

　　對于這種應用，萊迪思半導體提供了基本的組成部件，用于接收和發(fā)送HDMI信號源。

　　本文小結(jié)

　　FPGA 提供了一個低成本、低功耗的設計解決方案，具有可重新編程、靈活和多功能的特點。這意味著電路板無需重新布局，并且可以實現(xiàn)更快的產(chǎn)品上市時間。因此，F(xiàn)PGA已成為一個備受關(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。