观赏一场身历其境的世界杯足球赛已经不再是一场遥不可及的梦想。 随着民众对影音质量的要求日益提升，各种显示技术开始迈向高分辨率、更快的更新频率，以及高动态对比发展，并且针对支持4K/8K甚至10K影像提出最佳的解决方案。 目前主流的有线影音传输接口，包含高分辨率多媒体接口(High-Definition Multimedia Interface, HDMI)、DisplayPort，以及Thunderbolt等技术， 这些技术各自有不同的规格特色及发展愿景。
不过，在技术推陈出新的同时，厂商在产品开发过程亦会遇到不少技术验证上的困难点，本篇文章将分享各传输技术的演进，并针对不同技术问题提出解析与建议。
DisplayPort技术演进与验证困难点
数字影音接口DisplayPort(简称DP)是由影像电子标准协会(Video Electronics Standards Association, VESA)于2006年的时候所制定，其主要用于显示器等装置的联机。
该标准甫一推出，便立即受到Dell、HP、AMD，以及NVIDIA等全球知名厂商的青睐，在当年就有采用DisplayPort技术的产品推出，像是液晶屏幕、笔电，以及显示适配器等。
DisplayPort从1.1规格支持2K分辨率以及声音传输，到2009年发布的1.2规格，由原有的单信道带宽2.7Gbps增加到5.4Gbps，分辨率更达到4K60，另支持3D功能、High Bit Rate Audio以及单独使用一个DP接口，即可同时驱动多台屏幕的多屏幕显示功能(Multi Stream Transport, MST)(图1)。
图1 DP支持的多萤显示功能(MST)
这也让当时DisplayPort 1.2在跟HDMI 1.4规格作比较时较为胜出，因为当时HDMI 1.4只支持到4K30并且没有类似MST功能，需要两个HDMI发送接口以驱动两个屏幕。
到了2016年底推出的DisplayPort 1.4世代，单信道的带宽又提升到8.1Gbps，使得影像分辨率向上支持到8K30(无显示串流压缩状况下以4：2：2色彩取样模式)，另新增了HDR功能以及显示串流压缩技术( Display Stream Compression, DSC)，DSC技术的压缩比高达3：1，可在同带宽条件下，以较好的4：4：4色彩取样模式，支持较8K30更高的分辨率以及更快的更新频率。
DisplayPort Alt Mode可应用于Type-C接口
除了标准DP以及Mini-DP接口，DP技术亦可应用在USB Type-C接口(亦称作USB-C)，也就是DP Alt Mode Over USB-C技术(图2)，DP Alt Mode拥有多样性传输模式， 亦可同时传递DisplayPort高分辨率影像讯号、USB数据以及高达100W的电力；除了USB-C to USB-C传输接口，USB-C to HDMI/VGA/DVI/DP转接器亦可作为DP沟通管道。
图2 DP Alt Mode技术
在使用DP Alt Mode不传送USB讯号状况下，DP讯号是可以使用四个信道的；然若是在DP Data跟USB Data同时传送状况下，DP最多只能使用二个信道，所以会少掉二个信道带宽。 所幸VESA推出了DSC压缩标准，这使得DP即使使用二个信道，还是可以传输8K30分辨率的影像。
兼容性议题急迫待解
基于USB-C通用性，终于使得IT产品以及行动装置陆续采用DisplayPort over USB-C来做为影音传输接口，然而由于DP Alt Mode提供更大弹性以及更多功能的用途，相对应地产品在设计上也较为复杂， 加上新旧技术需向下兼容，产品与产品间因协议沟通不良等因素，容易造成产品互不兼容、无法正常连接运作，最后导致用户体验不佳，严重影响自身品牌形象。
由于市场应用装置类型众多，采买各样式装置成本较高，常常让开发单位陷入难题。 目前不少厂商，都会寻求备有装置数据库的专业测试实验室协助。 以百佳泰实验室为例，由于长期收集全球各主要市场的测试平台，因此能依据不同状况，建议符合产品需求的兼容性测试。 无论是一网打尽、挑选市占率高的热销机种，达到市场上高度兼容性信心水平的「Test to Pass」测试；亦或是针对重点问题，和兼容性问题高的机种作全面性地配对、验证测试发掘重要问题的「Test to Fail」测试，都不失为解决兼容性问题的有效方案。
HDR表现力也待克服
除了DP兼容性问题之外，高动态对比(High Dynamic Range, HDR)的表现力亦是另一个问题点。 简易而言，就是让原本的影像及图档可以透过DP 1.4规格内的HDR封包，以及EDID定义的亮度(Luminance)，让支持HDR功能的讯号传送端(Source)跟和讯号接收端(Sink)能够彼此沟通， 进而忠实呈现最明亮与最深黯的位阶之间的对比细节。
虽然说VESA协会于今年刚推出DisplayHDR认证服务，只有针对支持HDR面板产品检测，并没有对DP Source产品及USB-C to HDMI/DVI转接器或线缆产品做测试。 然而，现今的Sink产品都有搭载HDMI接口，也有愈来愈多的Source产品搭载USB Type-C接口。
因此，连接两种接口产品的USB-C to HDMI线缆亦在市场上逐渐受到欢迎。 由于DP 1.4和HDMI 2.0规格也有支持HDR功能，所以DP Source连接到HDMI Sink原则上是可以实现HDR功能的。
经由百佳泰实际测量支持HDR的USB-C to HDMI线缆，发现了二个有趣的现象。 第一个是亮度(Luminance)，当HDMI HDR屏幕透过HDMI线缆连接一台HDMI HDR Source产品时，屏幕呈现的亮度可达到最佳规格600nits；然而若是连接到一台DP HDR Source产品， 屏幕的亮度会明显下降(图3)，而下降的变化是人眼可以轻易分辨得出来。
图3 透过USB-C to HDMI线缆传输，屏幕无法达到最佳规格。
另一个现象是色域(Color Gamut)表现的改变，Color Gamut关系到显示器呈现物体色彩的表现，也是用户能够感觉到差异的地方。 目前几乎每一个关于面板显示标准组织，都会制定相关测试规格及检验的项目(图4)。
图4 理想中的显示器Color Gamut值
以图4来说明，黑色线条的三角形是DCI-P3的规格要求，而虚线三角形是屏幕用光学设备所量出来的Color Gamut效能。 虚线三角形跟黑色线条三角形的重迭面积愈高，表示显示器的Color Gamut效能愈好(图5)。
图5 透过USB-C to HDMI线缆传输，显示器Color Gamut值有偏差。
而经由实测USB-C to HDMI线缆，可以很清楚看到上图的虚线三角形偏离DCI-P3规格定义的黑色线条三角形许多，代表显示器的Color Gamut透过USB-C to HDMI线缆被改变了， 意即无法在HDR显示器可以呈现很好的色彩度(图6)。
图6 透过USB-C to HDMI线缆传输，屏幕产生色差。
综合上述问题，在启动HDR功能后，屏幕却达不到HDR Ecosystem应有的HDR表现力，是会造成用户对购买的HDR产品产生不信任感。 目前ITE半导体推出的HDR-Capable DP to HDMI 2.0 Converter IC(IT6564)，是第一个通过百佳泰实验室推出的「DisplayPort Advanced Test Program」认证测试，即便透过转接线传输，屏幕画面依旧能够呈现HDR应有的质量。
HDMI技术演进与验证困难点
HDMI于2002年由各家电视业者共同推出，是为了和早期DVI接口兼容的影音连接器发展而来。 该影音接口可同时传送影像及声音频号，现已成为家用消费性显示器所采用的标准，例如透过笔电、PS4等将影像数据与家中电视机同步播放。
VESA于2016年底所推出DisplayPort 1.4标准，堪称是当时最高规格的影音传输技术。 而不让VESA专美于前，HDMI协会(HDMI Licensing Administrator, Inc)也终于在2017年底的时候，发表了最新规格HDMI 2.1。
HDMI 2.1可支持多种高分辨率及更快更新频率(图7)，采用了新的FRL(Fixed Rate Link)技术搭配16b18b编码方式，使得原本HDMI 2.0的影像输出规格从4K60提升至8K60。
图7 HDMI 2.1支持的更新率
在更新频率上，因带宽从原有HDMI 2.0的18G提升至48G，使得原有4K60的更新率变为4K120，等于足足提升了约两倍速，在播放4K动态影像转换将更加流畅，减少残影现象。
再加上采用了VESA提出来的视讯串流压缩格式(Display Stream Compression, DSC)，可以让同带宽条件下支持更高的分辨率及更快的更新频率，高达10K120(图8)。
图8 HDMI 2.1支持的分辨率
此外，HDMI 2.1也搭配了可变更新率(Variable Refresh Rate, VRR)让来源装置和显示设备更智能地同步变换与调整更新频率，来减少或是消除画面延迟、停住等不正常的现象。 快速画面传输技术(Quick Frame Transport, QFT)是指来源装置可以允许画面与画面之间(Frame)能够更快速地切换以降低延迟现象，进而创造顺畅无延迟的交互式虚拟游戏实境。
为了让消费者在切换不同多媒体内容时(例如从电影切换到运动赛事)，能够体验到前所未有的顺畅感，快速媒体切换模式(Quick Media Switching, QMS)让来源装置在快速切换分辨率或是更新率下， 显示设备不至于有空白延迟或是任何显示中断。 而自动低延迟模式(ALLM)是透过自动最佳的延迟设定来达到最佳的画面表现力，实现流畅不间断地影像播放。
在影像的细节上，从原本支持HDR格式的PQ10和HLG的静态HDR(图9)提升到动态HDR(图10)，使得每一个场景、每一个Frame都能达到最佳景深、明亮、对比、色域等的参数的呈现，让影像明暗之间呈现更丰富的细节。
图9 静态HDR，每一个Frame都运用相同的影像信息。
图10 动态HDR，每一个Frame或是每一个Scene都有相对应的影像信息。
在音频上，eARC(Enhanced Audio Return Channel)是原有音频回传信道(ARC)的加强版。 eARC不一定要靠CEC即能够简易连接，可以支持最新的音频格式以及最高的音质，例如DTS Master、DTS:X、Dolby TrueHD、Dolby Atmos等。
为了达到最大传输带宽48G，HDMI 2.1也在线缆(图11)与连接器上，推出新规格使其支持未压缩的HDMI 2.1功能，以及具有非常低的EMI辐射。 综观所述，HDMI 2.1除了在分辨率、更新率以及带宽提高之外，同时也加强了影像细节、音频与音质规格，而新增的影像规格也直接提升了用户真实体验感受，像是游戏不能有Lag、画格撕裂画面，动画及影片的观赏也必须顺畅、无停滞， VR也要能不间断实时的互动，电视电影的媒体内容切换也需要迅速、无空白间断。
不过，HDMI 2.1规格的产品上市时间被没有这么快，相关产品最快也要等到2019年之后才会在市场上出现，甚至得等到2020年才会慢慢开始普及。
目前产品大宗仍是HDMI 2.0以及HDMI 1.4，而为了确保HDMI产品能够正确传送收发影音以及控制讯号，目前HDMI 1.4及2.0皆有相对应的CTS(Compliance Test Suite)，厂商可以向HDMI LA授权的HDMI实验室申请认证测试，以确保产品的影音传输质量。
HDMI测试数据分析结果
根据HDMI测试大数据分析，我们可以得知在整个HDMI Source测试过程当中，在电气测试(Electrical Test)发生问题的机率占了66%；非电气测试(Protocol、Video、Audio及其他类别) 则占了34%。
至于在HDMI Sink方面，由于延伸显示能力识别(Extended Display Identification Data, EDID)是储存于Sink装置的屏幕参数数据，因此特别多了EDID类别测试。
透过表1数据分析显示，在HDMI 1.4测试方面，电气(Electrical)问题占了49%，EDID则为20%，非电气测试则为31%；HDMI 2.0则在电气方面占了22%，EDID占了43%，非电气测试占了35%。
厂商一般在工程验证阶段(Engineering Verification Testing, EVT)，会先找出硬件与机构规格是否有重大设计问题并加以修正。 因此，在EVT阶段建议进行电气测试，针对各个pin脚量测电压、电流、容抗、阻抗是否符合产品规格，提前发掘并修正硬件问题，以作为进入设计验证阶段(Design Verification Testing, DVT)版本依据。
在这边举一个常见的电气测试问题，Sink装置会因抖动容忍度(Jitter Tolerance)超过规范标准，而造成屏幕没有画面，或是画面有噪声屏幕闪烁等状况，建议的解决方案除了芯片商透过软件调整设定值(Equalizer Value)，另外可以要求厂商更改TMDS电阻。
此外，EDID同样也是令厂商多加费心的测试项目。 当一HDMI Source无法正确读取Sink的EDID，会无法正确输出分辨率、xvYCC、YCbCr、RGB等讯号，故针对笔电类的产品，建议直接更换显示适配器的驱动程序版本或是v BIOS版本 ；而非笔电类产品则是建议直接更新韧体(Firmware)。
而若是HDMI Sink端因EDID宣告有误，或是EDID格式有误，会造成HDMI Source端无法正常辨识、读取Sink端的EDID表格，而无法正常输出讯号给Sink端。 最常见的解决方案，是要设计更改EDID内容以及更新功能宣告窗体(CDF)。
Thunderbolt技术演进与验证困难点
Thunderbolt是Intel于2009发表的连接器标准，被当作计算机与其他装置之间的桥梁。 Thunderbolt结合了两种通讯协议，包含作为数据传输的PCI Express，以及用在影像传输的DisplayPort，能够完整兼容现有的DisplayPort装置。
Thunderbolt 1于2011年推出，双向传输速度可高达到10Gbps速度，堪称是当时最快的传输技术。 Thunderbolt 2于两年后推出，除了可支持20Gbps双向传输，另可传送4K分辨率显示器。
第一代及第二代的Thunderbolt使用的Mini DisplayPort接口，由于Thunderbolt成本昂贵，加上Mini Displayport的接口较为特殊， 市场上仅苹果产品或是极少数的Windows高阶系统在使用，普及率较低。
Thunderbolt自2015年推出了第三代，重大规格改变开始使用USB Type-C接口，双倍带宽更支持到40Gbps，另具备Type-C最大供电100W功能，并支持USB 3.1(10Gbps)及3.1规格以下功能、 HDMI 2.0和DisplayPort 1.2传输，同时也与USB Type-C端口兼容，并能兼容Thunderbolt第一代及第二代产品。 此外，由于Thunderbolt 3有着40Gbps的带宽，因此一个Thunderbolt 3的端口即可透过Thunderbolt 3-Dual DP/HDMI Adapter产品来实现同时连接两个4k显示器的设置。
值得一提的是，Intel于2017年所新推出的Thunderbolt 3新一代芯片Titan Ridge，其DisplayPort部份可支持到DisplayPort 1.4规格， 意味着若是Source端及Sink端皆使用Thunderbolt 3 Titan Ridge芯片，即可实现8K显示的需求。
那么，消费者该如何判别自身购买的USB Type-C产品是否搭载Thunderbolt呢?一般来说，USB Type-C接头上标示一个闪电图样即代表Thunderbolt 3(图12)，若USB传输速度支持至USB 3.1，就会在接头上标示「SS」。
在测试方面，由于Thunderbolt 3高达40Gbps的传输速度容易造成高频讯号衰减等问题，提高了产品的测试难度。 另Thunderbolt 3采用USB Type-C接口而使得应用范围更加广泛多元，影像传输在不同装置间与不同协议沟通上，同前述DP Alt Mode产品一样，容易发生兼容性问题，因此测试业者需具备丰富多元的装置数据库， 以提供符合厂商需求的兼容性测试，进而协助厂商发掘重要问题。
技术复杂度提升 解决方案需多元化
目前三种主流的影音传输技术最高规格分别为DP 1.4、 HDMI 2.1(CTS即将推出)及Thunderbolt 3，三种技术有各自发展的特色与愿景。 VESA除了大力推广DP Alt Mode技术之外，今年更特别针对据HDR功能的面板推出DisplayHDR认证服务，而没有含括在该认证的产品对象，譬如DP Source产品及USB-C to HDMI/DVI转接器或线缆， 则透过百佳泰推出的DisplayPort Advanced Test Program服务则能够补强目前在HDR上的测试不足点。
HDMI 2.1规格算是近期的技术亮点，不过，HDMI现阶段仍着重HDMI 1.4及HDMI 2.0的测试，因此建议厂商能够在EVT阶段先进行电气测试，找出重大硬件问题，好作为进入DVT阶段的依据。 另外在HDMI Sink端的EDID问题看似简单却是层出不穷，这也是厂商须要特别注意的测试类别项目。
随着DP Alt Mode、Thunderbolt利用USB Type-C等联机技术更加多元化，产品与产品间出现的兼容性问题亦加深了不少产品验证困难度，故产品在出货前除了通过标准认证测试确保基本功能， 另更可以透过兼容性测试确保与市面上的机种可以相互运作。
总而言之，DisplayPort、HDMI、Thunderbolt等显示技术已朝向高分辨率、更快的更新频率、高动态对比发展，为了确保产品符合规格及市场期待，测试业者也已准备好相对应的测试验证方案，来替厂商做好质量把关。
(本文作者皆任职于百佳泰)
