液晶電視與顯示器的性能差異以及提高性能的方法

晶顯示器廠商若想改造他們的生產(chǎn)線以生產(chǎn)液晶電視，必須克服液晶電視相對(duì)與顯示器在包括顯示格式、灰度等級(jí)、對(duì)比度等多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，采用不同的電路結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案。本文分析了液晶顯示器和電視的顯示性能上的差異，并提出了滿足液晶電視性能的技術(shù)方法。

　　有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)漸漸受到廣大的消費(fèi)者歡迎。電視機(jī)的畫面素質(zhì)要求極為嚴(yán)格，而且售價(jià)也要大眾化，因此要滿足消費(fèi)者的要求并不容易。利用有源矩陣液晶顯示器生產(chǎn)平面顯示電視機(jī)的廠商必須設(shè)法提高畫面清晰度及色彩的亮麗程度，并降低其售價(jià)，才可望進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。

液晶電視與顯示器的差異

　　廠商若想改造液晶顯示器的生產(chǎn)線以生產(chǎn)電視機(jī)，便要克服顯示技術(shù)上的幾個(gè)問(wèn)題。首先，較大的屏幕及格式上的不同是必須解決的問(wèn)題。大部分筆記本電腦都采用14英寸的XGA格式(1024×768像素)，而大部分臺(tái)式機(jī)液晶顯示器都采用17英寸的SXGA格式(1280×1024)。大屏幕液晶電視機(jī)的入門級(jí)產(chǎn)品都不小于30英寸，而且都采用寬屏幕的XGA Plus格式(1366×768)。40英寸或以上的大屏幕液晶電視機(jī)都采用真正的高清晰電視(HDTV)格式(1920×1080)，而且是市場(chǎng)上的高端產(chǎn)品。若以每一幀所需的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)作比較，高清晰電視格式所需的數(shù)據(jù)比寬屏幕的XGA Plus格式多2.5倍以上。

　　由于越來(lái)越多液晶顯示器采用XGA及SXGA的格式，因此廠商必須進(jìn)一步降低產(chǎn)品的功耗及減少電磁干擾，差分信號(hào)傳輸技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸線路設(shè)計(jì)便成為這方面的主流解決方案。按照傳輸線路的理論，信號(hào)路徑應(yīng)視為波導(dǎo)(wave guide)，而非僅僅是線路連接，這樣可確保信號(hào)在傳送時(shí)仍能保持其波形。新技術(shù)面世之后，數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)便可直接傳送至每一列驅(qū)動(dòng)器，而傳送速度極快，使所有像素?cái)?shù)據(jù)可以在1/60秒的典型幀時(shí)間內(nèi)寫入列驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。

　　輸入電視機(jī)的信號(hào)必須具備高度的完整性，這個(gè)要求與筆記本顯示器及一般的顯示器無(wú)異。但大屏幕電視機(jī)對(duì)信號(hào)有更多新的要求，這是筆記本系統(tǒng)顯示器及普通顯示器的信號(hào)傳輸技術(shù)所無(wú)法滿足的。除了必須能夠支持大屏幕之外，新的信號(hào)傳輸技術(shù)還要滿足其它的要求。由于電視機(jī)的屏幕較大，視頻信號(hào)的傳輸距離也必然較長(zhǎng)，因此由阻抗不匹配而產(chǎn)生的一些瑕疵及交叉耦合干擾的可能性也會(huì)增加。此外，電視機(jī)列電路板的長(zhǎng)度一般都與屏幕的寬度相同，但當(dāng)電視機(jī)的屏幕達(dá)到30英寸左右，列電路板便必須一分為二，因?yàn)橛∷㈦娐钒迨苌a(chǎn)工藝所限，大小有一定的極限，電路板一分為二會(huì)令信號(hào)路徑出現(xiàn)較多連接點(diǎn)，大大增加信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，也令信號(hào)路徑設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜，原本希望盡量縮短電路以節(jié)省空間的愿望也就落空。照目前的發(fā)展趨勢(shì)估計(jì)，畫面的刷新頻率會(huì)逐漸提高至90-120赫茲，以免有源矩陣液晶顯示器因?yàn)楸仨殘?zhí)行掃描及保持功能而令運(yùn)動(dòng)畫面出現(xiàn)模糊化的現(xiàn)象。

　　高清電視機(jī)除了對(duì)信號(hào)完整性有上述的嚴(yán)格要求外，每一像素的灰度級(jí)也比電腦顯示器多。液晶電視機(jī)必須采用30位的像素(紅綠藍(lán)三色各有10位的灰度)，而并非電腦顯示器普遍采用的24位像素。液晶電視機(jī)必須采用30位的像素，才可確保在亮度梯度較淺的情況下，例如顯示黃昏的天空或茫茫的大海時(shí)，圖像不會(huì)出現(xiàn)輪廓邊線。我們?nèi)舭凑湛臻g梯度將亮度量化，便會(huì)產(chǎn)生一條明顯而突兀的線條。由于電視機(jī)一般都采用光暗對(duì)比較為強(qiáng)烈的設(shè)計(jì)，因此這種瑕疵在電視上便更為明顯。

　　液晶顯示器無(wú)法充分顯示黑暗環(huán)境的對(duì)比度，因?yàn)轱@示器無(wú)法將每一像素內(nèi)的光閥全部關(guān)閉。換言之，光閥出現(xiàn)泄漏。目前這一代的高端液晶電視機(jī)都采用先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)比度接近1000:1，但傳統(tǒng)液晶電視機(jī)的對(duì)比度只有高端產(chǎn)品的一半左右。圖像處理技術(shù)出現(xiàn)之后，這個(gè)情況獲得大幅的改善。這種圖像處理技術(shù)可以逐格審視圖像幀，以及擴(kuò)大主要的亮度范圍，使亮度范圍較小(即低對(duì)比度)的圖像可以通過(guò)調(diào)節(jié)增加其灰度級(jí)，以增強(qiáng)灰度效果。

　　對(duì)于電視機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)前消費(fèi)者最重視的是電視機(jī)的色彩效果。若將不同品牌的電視機(jī)放在一起加以比較，大部分消費(fèi)者都以色彩是否絢麗作為他們的選購(gòu)指標(biāo)?；谶@個(gè)原因，業(yè)界一直在努力研究如何將圖像的不同顏色準(zhǔn)確套入液晶顯示屏幕的彩色空間。色彩的套入通過(guò)圖像的映射完成，整個(gè)映射過(guò)程將圖像轉(zhuǎn)為適當(dāng)?shù)牧髅骷吧瓤臻g，而在處理過(guò)程中圖像的某些顏色會(huì)被突出，其它顏色則會(huì)淡化。經(jīng)過(guò)這樣的處理之后，紅綠藍(lán)三色的精確度比原本圖像的色度更為精確，因此電視機(jī)必須采用10位灰度(30位像素)，才可恰當(dāng)處理及改善圖像，以免出現(xiàn)明顯的灰度階梯瑕疵。

圖1：這樣的結(jié)構(gòu)只適用于一般的
顯示器及筆記本系統(tǒng)顯示器，
但難以應(yīng)付液晶電視機(jī)的繁
重工作量。

　　一般的消費(fèi)者也許會(huì)感到有點(diǎn)意外，液晶顯示器的刷新速度竟然無(wú)法跟上視頻系統(tǒng)。他們不知道電腦顯示器等應(yīng)用可以容忍較慢的像素響應(yīng)時(shí)間，但電視廣播的要求則完全不同。若以隔行掃描為例，則每半個(gè)幀的數(shù)據(jù)必須在1/60秒或1/50秒之內(nèi)全部捕獲。運(yùn)動(dòng)圖像的電視畫面比每幀影片更為細(xì)致。此外，播放電視圖像的幀速率比電影院播放膠片更快。電視的播放速度如此高，因此電視機(jī)需要具備較快的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于高清晰電視機(jī)來(lái)說(shuō)，響應(yīng)時(shí)間尤其具有舉足輕重的作用。但對(duì)于其它視頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，響應(yīng)的快慢并不那么重要。

針對(duì)液晶電視的技術(shù)解決方案

　　基于以上的原因，液晶電視機(jī)必須采用響應(yīng)時(shí)間補(bǔ)償(RTC)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路模塊，以便為液晶顯示器的較慢光學(xué)響應(yīng)提供補(bǔ)償。這個(gè)響應(yīng)時(shí)間補(bǔ)償電路模塊設(shè)于定時(shí)控制器(TCON)之內(nèi)，負(fù)責(zé)截取數(shù)字視頻流，然后將每一像素的前一個(gè)灰度指令與最新的灰度指令加以比較，再?gòu)牟檎冶?LUT)挑選另一個(gè)已預(yù)設(shè)的灰度級(jí)。這個(gè)預(yù)先寫入查找表的替用灰度值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)挑選出來(lái)的，以便在幀尾段將亮度提升至目標(biāo)值。若新的灰度級(jí)比前一個(gè)灰度級(jí)更淺，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出指令，要求先提供一個(gè)更淺的灰度級(jí)。若新的灰度級(jí)較深，系統(tǒng)便會(huì)先發(fā)出一個(gè)比這個(gè)灰度級(jí)深的指令。

　　液晶顯示器及筆記本系統(tǒng)顯示器所采用的結(jié)構(gòu)及技術(shù)根本無(wú)法滿足液晶電視機(jī)的嚴(yán)格要求(見(jiàn)圖1)。多分支(Multi-Drop)差分總線結(jié)構(gòu)利用不同的傳輸線將數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳送至列驅(qū)動(dòng)器，但這樣的結(jié)構(gòu)難以應(yīng)付液晶電視機(jī)的繁重工作量。例如，傳送信號(hào)時(shí)，信號(hào)波形必須保持完美，以便電視機(jī)能夠以更高速度傳送數(shù)據(jù)。但由于信號(hào)的傳送線路較長(zhǎng)，加上電視機(jī)的屏幕更大，采用的列驅(qū)動(dòng)器分支也就更多，因此數(shù)據(jù)傳輸速率便很難滿足要求。為了解決這些問(wèn)題，有些公司正在研發(fā)級(jí)聯(lián)式解決方案。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是利用傳統(tǒng)的總線連接列驅(qū)動(dòng)器的一端，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩沖之后，再轉(zhuǎn)送到下一個(gè)列驅(qū)動(dòng)器。這樣將傳統(tǒng)的總線轉(zhuǎn)變成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送方式，其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)完整性更高，但缺點(diǎn)是要添加更多列驅(qū)動(dòng)器輸入/輸出端及相關(guān)電路。利用級(jí)聯(lián)方式將總線結(jié)構(gòu)重新改造雖然可以改善信號(hào)完整性，但仍然無(wú)法滿足其它的要求，例如更精確的灰度、增強(qiáng)光暗對(duì)比度、改善色彩管理，以及添加其它更先進(jìn)的功能。

　　首先最重要的是，對(duì)于采用電阻串?dāng)?shù)模轉(zhuǎn)換器(RDAC)及列驅(qū)動(dòng)器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，要在符合成本效益的基礎(chǔ)上提供每一顏色10位的灰度是一個(gè)很艱巨的挑戰(zhàn)。一直以來(lái)，只有筆記本系統(tǒng)顯示器及一般的顯示器才采用RDAC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)字灰度級(jí)的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)差分傳輸總線傳送至列驅(qū)動(dòng)器。列驅(qū)動(dòng)器會(huì)通過(guò)映射將有關(guān)數(shù)值傳送至串行電阻串上的其中一個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)。根據(jù)列驅(qū)動(dòng)器的原有設(shè)計(jì)，每一節(jié)點(diǎn)的電壓都設(shè)定在某一指定的水平，并確保這一設(shè)定的電壓可以將液晶顯示器的亮度調(diào)節(jié)至可與某一灰度級(jí)相匹配的水平。換言之，RDAC不但負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，而且還負(fù)責(zé)執(zhí)行伽瑪逆轉(zhuǎn)換功能，而后者可通過(guò)映射確保液晶顯示器所獲得的供電電壓能配合每一灰度級(jí)所要求的顯示器亮度。

　　RDAC可以在64灰度級(jí)(6位)的環(huán)境下迅速執(zhí)行這兩個(gè)功能。但以256灰度級(jí)(8位)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于增加了灰度級(jí)，因此列驅(qū)動(dòng)器必須將256個(gè)電壓的兩個(gè)電極分別由芯片的一端傳送至另一端，加上每一輸出端都需要設(shè)有電路，以便進(jìn)行譯碼以及從中挑選一個(gè)合適的電壓，因此列驅(qū)動(dòng)器的裸片面積會(huì)占去整體裸片面積的大部分。若灰度級(jí)增至1024(10位)，并假設(shè)其它條件不變，所占用的裸片面積實(shí)在太大，令整個(gè)設(shè)計(jì)無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的作用。

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)取向與采用RDAC的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)大不相同。我們成功開發(fā)一款采用線性循環(huán)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的列驅(qū)動(dòng)器。由于這個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的裸片面積較小，每一輸出端都可裝設(shè)兩個(gè)相同的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，每一電極各有一個(gè)。當(dāng)其中一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器正在不停轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)以供下一條線使用時(shí)，另一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器已利用剛在上一條線已轉(zhuǎn)變的電壓驅(qū)動(dòng)目前這條線。這個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是能夠通過(guò)靈活調(diào)節(jié)功能提高位的準(zhǔn)確度。若要提高分辨度，只需提高同一數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路的操作周期便可，而無(wú)需加大裸片面積。由于我們采用這種結(jié)構(gòu)，因此能夠在極具成本效益的基礎(chǔ)上利用較細(xì)小的裸片提供10位的灰度級(jí)。典型的10位點(diǎn)至點(diǎn)差分信號(hào)傳輸(PPDS)列驅(qū)動(dòng)器的裸片體積不但比典型的8位RDAC列驅(qū)動(dòng)器小一半以上。

圖2：全新點(diǎn)至點(diǎn)差分信號(hào)傳輸
結(jié)構(gòu)是一個(gè)由多條獨(dú)立的點(diǎn)至點(diǎn)鏈
路組成的線路系統(tǒng)。

　　該設(shè)計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換電路不再負(fù)責(zé)執(zhí)行反伽瑪功能。換言之，每一列驅(qū)動(dòng)器輸出端都可將數(shù)字電壓值直接轉(zhuǎn)為模擬電壓值。設(shè)于上游的定時(shí)控制器(TCON)則負(fù)責(zé)將數(shù)字灰度級(jí)轉(zhuǎn)為數(shù)字電壓。即，定時(shí)控制器內(nèi)的查找表負(fù)責(zé)執(zhí)行反伽瑪功能，這個(gè)設(shè)計(jì)具有較大的靈活性，使每一灰度級(jí)可以通過(guò)映射配合液晶顯示器的亮度。事實(shí)上，定時(shí)控制器可為每一顏色分別提供不同的查找表，甚至可以實(shí)時(shí)更新有關(guān)圖表，以便能夠就不同圖像源、對(duì)比增強(qiáng)、顏色管理、以至溫度轉(zhuǎn)變做出相適應(yīng)的調(diào)節(jié)。

　　列驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)是整個(gè)PPDS(參看圖2)結(jié)構(gòu)的其中一部分。顧名思義，PPDS傳輸并不是多分支總線，而是由多條獨(dú)立的點(diǎn)至點(diǎn)鏈路組成的線路系統(tǒng)，可為每一列驅(qū)動(dòng)器提供一條通道。這條通道可以傳送列驅(qū)動(dòng)器的控制數(shù)據(jù)及數(shù)字電壓數(shù)據(jù)，而列驅(qū)動(dòng)器會(huì)將這些數(shù)字電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為模擬電壓數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)采用脈沖串模式將數(shù)據(jù)傳送到列驅(qū)動(dòng)器，而且在同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)列驅(qū)動(dòng)器能夠接收數(shù)據(jù)，因?yàn)榭偩€是共用的。若采用PPDS結(jié)構(gòu)，所有列驅(qū)動(dòng)器都可同時(shí)接收數(shù)據(jù)。因此即使只有一條差分通道為每一列驅(qū)動(dòng)器提供數(shù)據(jù)，但這條通道在整個(gè)時(shí)段內(nèi)都可使用。因此這兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率有很大差別。

　　PPDS系統(tǒng)的其中一個(gè)重要特點(diǎn)是，可以通過(guò)逐行送往每一列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)包頭分別控制每一列驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)結(jié)構(gòu)必須采用這種嵌入式的控制方式，因?yàn)橹挥羞@樣，列驅(qū)動(dòng)器與定時(shí)控制器才可以無(wú)需互相傳送個(gè)別的專用信號(hào)，有助縮小系統(tǒng)體積及節(jié)省成本。由于系統(tǒng)可以靈活控制列驅(qū)動(dòng)器，因此能夠執(zhí)行特別的波形控制功能。要驅(qū)動(dòng)大屏幕電視機(jī)，便必須控制驅(qū)動(dòng)平板顯示器的波形，以便達(dá)致最佳的信號(hào)傳播效果以及提高像素充電率(pixel charging ratio)。

　　由于定時(shí)控制器能夠分別提供各自獨(dú)立的紅綠藍(lán)伽瑪查找表，因此可以準(zhǔn)確校正每一灰度級(jí)的色溫。由于紅綠藍(lán)伽瑪查找表都各自獨(dú)立，讓每一顏色都可獲得獨(dú)立的伽瑪校正，因此可為所有灰度級(jí)提供固定的色溫，而且更可將這種技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大至高效能系統(tǒng)。由于定時(shí)控制器可以直接進(jìn)入伽瑪查找表進(jìn)行存取，因此可以靈活因應(yīng)不同內(nèi)容實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)伽瑪校正功能，調(diào)節(jié)的幅度大小則由定時(shí)控制器內(nèi)的圖像處理單元決定。新一代的配置相信可以在顯示器的不同窗口內(nèi)提供不同的伽瑪傳送功能(參看圖3)。電腦操作系統(tǒng)可為定時(shí)控制器提供窗口邊界坐標(biāo)，然后命令定時(shí)控制器根據(jù)要寫入的不同顯示區(qū)選擇不同的伽瑪查找表。

　　生產(chǎn)大屏幕電視機(jī)的廠商都希望能夠生產(chǎn)效果媲美影院的產(chǎn)品。若要確保畫面效果可以媲美影院，灰度級(jí)是否準(zhǔn)確以及色彩管理是否完善都是成敗的關(guān)鍵。由輸入到輸出的整個(gè)顯示過(guò)程之中，PPDS結(jié)構(gòu)都可支持30位的全彩色精確度，再加上獨(dú)立伽瑪查找表所提供的多種功能，因此圖像處理的效果可以獲得大幅提升。此外，由于圖像的色彩及光暗對(duì)比度獲得增強(qiáng)，因此圖像的灰度級(jí)更為準(zhǔn)確。由于各自獨(dú)立的伽瑪查找表各有自己的設(shè)定，因此可以直接控制圖像效果，無(wú)需利用色彩增強(qiáng)或其它方法達(dá)到每一像素要求的亮度。

　　對(duì)于顯示器及筆記本系統(tǒng)顯示器來(lái)說(shuō)，液晶顯示器模塊接收灰度級(jí)指令，然后為平板顯示器提供控制信號(hào)，以便產(chǎn)生所要求的灰度級(jí)。而電視機(jī)的要求則不同，電路要兼顧畫面效果，例如增強(qiáng)彩色深度、改善色彩平衡、增強(qiáng)動(dòng)態(tài)對(duì)比、提供響應(yīng)時(shí)間補(bǔ)償以及色溫控制。