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如何将液晶显示器改为电视机
美国国家半导体公司 Dick McCartney
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有源矩阵液晶显示器 (AMLCD) 渐渐受到广大的消费者欢迎。以一般家庭来说，家中客厅的大屏幕电视机很多都已改用液晶显示的一种。电视机的画面素质要求极为严格，而且售价也要大众化，因此要满足消费者的要求并不容易。利用有源矩阵液晶显示器生产平面显示电视机的厂商必须设法提高画面清晰度及色彩的亮丽程度，并降低其售价，才可望进一步扩大市场占有率。
厂商若想改造液晶显示器的生产线，改为生产电视机，便要克服显示技术上的几个问题。首先，较大的屏幕及格式上的不同是必须解决的问题。大部分笔记本电脑都采用 14 英吋的 XGA 格式 (1024x768 像素)，而大部分台式机液晶显示监视器都采用 17 英吋的 SXGA 格式 (1280x1024)。大屏幕液晶显示电视机的入门级产品都不小于 30 英吋，而且都采用宽屏幕的 XGA Plus 格式 (1366x768)。40 英吋或以上的大屏幕液晶显示电视机都采用真正的高画质电视 (HDTV) 格式 (1920x1080)，而且是市场上的高端产品。若以每一帧所需的数据为基准作比较，高画质电视格式所需的数据比宽屏幕的 XGA Plus 格式多 2.5 倍以上。
由于越来越多液晶显示器采用 XGA 及 SXGA 的格式，因此厂商必须进一步降低产品的功耗及减少电磁干扰，差分信号传输技术及数据传输线路设计便成为这方面的主流解决方案。按照传输线路的理论，信号路径应视为电波导向，而非仅仅线路连系。这样可确保信号在传送时仍能保存其波形。新技术面世之后，数字像素数据便可直接传送至每一列驱动器，而传送速度极快，使所有像素数据可以在 1/60 秒的典型帧时间内写入列驱动器内。
输入电视机的信号必须具备高度的完整性，这个要求与笔记本系统显示器及一般的监视器无异。但大屏幕电视机对信号有更多新的要求，这是笔记本系统显示器及普通监视器的信号传输技术所无法一一满足的。除了必须能够支持大屏幕之外，新的信号传输技术还要满足其他的要求。由于电视机的屏幕较大，视频信号的传输距离也必然较长，因此由阻抗不匹配而产生的假像及差拍也会较多。此外，电视机列电路板的长度一般都与屏幕的宽度相同，但当电视机的屏幕达到 30 英吋左右，列电路板便必须一分为二，因为印刷电路板受生产工艺所限，大小有一定的极限，电路板一分为二会令信号路径出现较多连接点，大大增加信号出现错误的机会，也令信号路径设计变得更为复杂，原本希望尽量缩短电路以节省空间的愿望也就落空。但问题原来还不止此，照目前的发展趋势估计，画面的刷新频率会逐渐提高至 90-120 赫兹 (Hertz)，以免有源矩阵液晶显示器因为必须执行扫描及保持功能而令动作画面出现模糊化的现象。
高清晰度电视机除了对信号完整性有上述的严格要求外，每一像素的灰度级也比电脑监视器多。液晶显示电视机必须采用 30 位的像素 (红绿蓝三色各有 10 位的灰度)，而并非电脑监视器普遍采用的 24 位像素。液晶显示电视机必须采用 30 位的像素，才可确保在亮度梯度较浅的情况下，例如显示黄昏的天空或茫茫的大海时，图像不会出现轮廓边线。我们若按照空间梯度将亮度量化，便会产生一条明显而突兀的线条。由于电视机一般都采用光暗对比较为强烈的设计，因此这种瑕疵在电视上便更为明显。
增强灰度、色彩及光暗对比等效果固然有其必要，这是不言而喻的，但除此之外，图像增强处理技术也可通过亮度调节功能，确保图像的准确度高达 30 位。液晶显示器无法充分显示黑暗环境的光暗对比度，因为显示器无法将每一像素内的光阀全部关闭。换言之，光阀出现泄漏。目前这一代的高端液晶显示电视机都采用先进的光暗对比技术，因此光暗对比度接近 1000:1，但传统液晶显示电视机的光暗对比度只有高端产品的一半左右。图像处理技术出现之后，这个情况获得大幅的改善。这种图像处理技术可以逐格审视图像帧，以及扩大主要的亮度范围，使亮度范围较小 (即光暗对比较小) 的图像可以通过调节增加其灰度级，以增强灰度效果。
对于电视机来说，我们这一代消费者最重视的是电视机的色彩效果。若将不同品牌的电视机放在一起加以比较，大部分消费者都以色彩是否斑烂作为他们的选购指标。基于这个原因，业界一直在努力研究如何将图像的不同颜色准确套入个别液晶显示屏幕的彩色空间。色彩的套入通过图像的映射完成，整个映射过程将图像转为适当的流明及色度空间，而在处理过程中图像的某些颜色会被突出，其他颜色则会淡化。经过这样的处理之后，红绿蓝三色的精确度比原本图像的色度更为精确，因此电视机必须采用 10 位灰度 (30 位像素)，才可恰当处理及改善图像，以免出现一段段截断的假像。
一般的消费者也许会感到有点意外，液晶显示器的速度竟然无法跟得上视频系统。他们不知道电脑监视器等应用可以容忍较慢的像素响应时间。但电视广播的要求则完全不同。每一帧 -- 若以隔行扫描为例来说，则每半个帧 -- 的数据必须在 1/60 秒或 1/50 秒之内全部捕捉过来。以动作图像来说，电视画面比每一格影片更为细致。此外，播放电视图像的帧速率比电影院播放每格胶片的速度快。电视的播放速度如此高，充分显示电视机需要具备较快的响应时间。对于高画质电视机来说，响应时间尤其具有举足轻重的作用。但对于其他视频系统来说，响应时间的快慢并不那么重要。
基于以上的原因，液晶显示电视机必须加设响应时间补偿 (RTC) 过驱动电路模块，以便为液晶显示器的较慢光学响应提供补偿。这个响应时间补偿电路模块设于定时控制器 (TCON) 之内，负责截取数字视频流，然后将每一像素的前一个灰度指令与最新的灰度指令加以比较，再从查阅表 (LUT) 挑选另一个已预设的灰度级。这个预先写入查阅表的替用灰度值是通过实验挑选出来的，以便在帧尾段将亮度提升至目标值。若新的灰度级比前一级更浅色，系统便会发出指令，要求先提供一个更浅色的灰度级。若新的灰度级较深色，系统便会先发出一个远比这个灰度级深色的指令。
液晶显示器及笔记本系统监视器所采用的结构及技术根本无法满足液晶显示电视机的严格要求 (参看图1)。多站式差分总线结构利用不同的传输线将数字视频数据传送至列驱动器，但这样的结构难以应付液晶显示电视机的繁重工作量。例如，传送信号时，信号波形必须保持完美，以便电视机能够以更高速度传送数据。但由于信号的传送线路较长，加上电视机的屏幕更大，采用的列驱动器站也就更多，因此数据传输速率便很难满足要求。为了解决这些问题，有些公司正在研发级联式结构的技术。这种结构的优点是利用传统的总线连接列驱动器的一端，数据经过缓冲之后，再转送到下一个列驱动器。传统的总线只要采用这个结构，便可支持点至点的传送方式，其优点是信号素质有更高的保证，但缺点是要添加更多列驱动器输入/输出端及相关电路。利用级联方式将总线结构重新改造虽然可以改善信号完整性，但仍然无法满足其他的要求，例如提供更精确的灰度，增强光暗对比度，改善色彩管理，以及添加其他更先进的功能。

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图1：典型液晶显示器模块的主要功能块设有多站式差分总线，可以通过不同的传输线将数字视频数据传送至列驱动器。这样的结构只适用于一般的监视器及笔记本系统显示器，但难以应付液晶显示电视机的繁重工作量。

首先要指出的一点是，对于采用电阻串数字/模拟转换器(RDAC) 及列驱动器的传统结构来说，要在符合成本效益的基础上提供每一颜色 10 位的灰度是一个很艰巨的挑战。一直以来，只有笔记本系统显示器及一般的监视器才采用 RDAC结构设计。这个结构的优点是，数字灰度级的数据会通过差分传输线总线传送至列驱动器。列驱动器会通过映射将有关数值传送至串行电阻串上的其中一个电压节点。根据列驱动器的原有设计，每一节点的电压都设定在某一指定的水平，并确保这一设定的电压可以将液晶显示器的亮度调节至可与某一灰度级相匹配的水平。换言之，R DAC不但负责执行数字/模拟转换功能，而且还负责执行反伽玛转换功能，而后者可通过映射确保液晶显示器所获得的供电电压能配合每一灰度级所要求的显示器亮度。
R DAC可以在 64 灰度级 (6 位) 的环境下迅速执行这两个功能。但以 256 灰度级 (8 位) 的系统来说，由于增加了灰度级，因此列驱动器必须将 256 个电压的两个电极分别由芯片的一端传送至另一端，加上每一输出端都需要设有电路，以便进行译码以及从中挑选一个合适的电压，因此列驱动器的裸片面积会占去整体裸片面积的大部分。若灰度级增至 1024 (10 位)，并假设其他条件不变，所占用的裸片面积实在太大，令整个设计无法发挥应有的作用。
美国国家半导体的设计取向与采用 R DAC的传统设计大不相同。我们成功开发一款采用线性循环数字/模拟转换器的列驱动器。由于这个数字/模拟转换器的裸片面积较小，每一输出端都可装设两个相同的数字/模拟转换器，每一电极各有一个。当其中一个数字/模拟转换器正在不停转换输入的数据以供下一条影线使用时，另一个数字/模拟转换器已利用刚在上一条影线已转变的电压驱动目前这条影线。这个数字/模拟转换器的主要特点是能够通过灵活调节功能提高位的准确度。若要提高分辨度，只需提高同一数字/模拟转换器电路的操作周期便可，而无需加大裸片面积。由于我们采用这种结构，因此能够在极具成本效益的基础上利用较细小的裸片提供 10 位的灰度级。典型的 10 位点至点差分信号传输 (PPDS) 列驱动器的裸片体积不但比典型的 8 位 RDAC列驱动器小，而且小一半以上。
这个设计取向的另一优点是数字/模拟转换器的转换电路不再负责执行反伽玛功能。换言之，每一列驱动器输出端都可将数字电压值直接转为模拟电压值。设于上游的定时控制器 (TCON) 则负责将数字灰度级转为数字电压。换言之，定时控制器内的查阅表负责执行反伽玛功能，这个设计具有较大的灵活性，使每一灰度级可以通过映射配合平面液晶显示器的亮度。事实上，定时控制器可为每一颜色分别提供不同的查阅表，甚至可以实时更新有关图表，以便能够就不同图像源、对比增强、颜色管理、以至温度转变作出相适应的调节。
列驱动器结构是整个点至点差分信号传输 (PPDS) (参看图 2) 结构的其中一部分。顾名思义，点至点差分信号传输并不是多站式总线，而是由多条独立的点至点链路组成的线路系统，可为每一列驱动器提供一条通道。这条通道可以传送列驱动器的控制数据及数字电压数据，而列驱动器会将这些数字电压数据转为模拟电压数据。传统的总线结构采用脉冲串模式将数据传送到列驱动器，而且在同一时间内只有一个列驱动器能够接收数据，因为总线是共用的。若采用 PPDS 结构，所有列驱动器都可同时接收数据。因此即使只有一条差分通道为每一列驱动器提供数据，但这条通道在整个时段内都可使用。因此这两个系统的时钟频率有很大差别。

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图2：全新点至点差分信号传输 (PPDS) 结构是一个由多条独立的点至点链路组成的线路系统，与传统的多站式总线完全不同。每一通道都可传送列驱动器的控制数据及数字电压数据，而列驱动器负责将这些数字电压数据转为模拟电压数据。

PPDS 系统的其中一个重要特点是，可以通过逐行送往每一列驱动器的打包标题分别控制每一列驱动器。这个结构必须采用这种嵌入式的控制方式，因为只有这样，列驱动器与定时控制器才可以无需互相传送个别的专用信号，有助缩小系统体积及节省成本。由于系统可以灵活控制列驱动器，因此能够执行特别的波形控制功能。要驱动大屏幕电视机，便必须控制驱动平面显示器的波形，以便达致最佳的信号传播效果以及提高像素充电率。
由于定时控制器能够分别提供各自独立的红绿蓝伽玛查阅表，因此可以准确校正每一灰度级的色温。由于红绿蓝伽玛查阅表都各自独立，让每一颜色都可获得独立的伽玛校正，因此可为所有灰度级提供固定的色温，而且更可将这种技术的应用范围扩大至高效能系统。由于定时控制器可以直接进入伽玛查阅表进行存取，因此可以灵活因应不同内容实时调节伽玛校正功能，调节的幅度大少则由定时控制器内的图像处理单元决定。新一代的配置相信可以在显示器的不同窗口内提供不同的伽玛传送功能 (参看图3)。电脑操作系统可为定时控制器提供窗口边界坐标，然后命令定时控制器根据要写入的不同显示区选择不同的伽玛查阅表。

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图3：由于 PPDS 结构的伽玛查阅表设于定时控制器之内，因此画中画窗口可以进行不同的伽玛映射，使每一图像可以发挥独特的色彩效果。

生产大屏幕电视机的厂商都希望能够生产效果媲美影院的产品。若要确保画面效果可以媲美影院，灰度级是否准确以及色彩管理是否完善都是成败的关键。由输入到输出的整个显示过程之中，PPDS 结构都可支持 30 位的全彩色精确度。由于具有这样的精确度，再加上独立伽玛查阅表所提供的多种功能，因此图像处理的效果可以获得大幅提升，使多姿多采的画面可以呈现在观众的眼前。此外，由于图像的色彩及光暗对比度获得增强，因此图像的灰度级更为准确。由于各自独立的伽玛查阅表各有自己的设定，因此可以直接控制图像效果，无需利用色彩增强或其他方法达到每一像素要求的亮度。
对于监视器及笔记本系统显示器来说，液晶显示器模块只扮演一个极为低调的角色，例如接收灰度级指令，然后为平面显示器提供控制信号，以便产生所要求的灰度级。电视机的要求则不同，平面显示技术要兼顾画面效果，例如增强彩色深度，改善色彩平衡，增强动态对比，提供响应时间补偿以及色温控制。由于 PPDS 结构可以支持这些创新的技术，因此液晶显示电视机毫无疑问会成为消费者的至爱，液晶显示技术的前景可说一片璀璨。
作者为美国国家半导体公司平面显示器产品部首席技术官 1/23/2006

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