Введение

Стандарт для передачи цифрового видео на дисплей

Digital Visual Interface (DVI) – это видеоинтерфейс, разработанный Рабочей группой по цифровым дисплеям (DDWG). Цифровой интерфейс используется для подключения источника видеосигнала, например, видеоконтроллера, к устройству отображения, такому как компьютерный монитор. Он был разработан с целью создания отраслевого стандарта для передачи несжатого цифрового видеоконтента. Устройства DVI, выполненные в формате DVI I, поддерживают аналоговые подключения и совместимы с аналоговым интерфейсом VGA благодаря наличию VGA-контактов, в то время как устройства DVI D являются исключительно цифровыми. Эта совместимость, а также другие преимущества, способствовали его широкому распространению по сравнению с конкурирующими стандартами цифровых дисплеев Plug and Display (P&D) и Digital Flat Panel (DFP). Хотя DVI в основном ассоциируется с компьютерами, он иногда используется и в другой бытовой электронике, такой как телевизоры и DVD-плееры.

История

Ранее попытка внедрить обновленный стандарт для аналогового VGA-коннектора была предпринята Ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA) в 1994 и 1995 годах с помощью расширенного видеоконнектора (EVC), который должен был объединить кабели между компьютером и монитором. EVC использовал 35-контактный разъем Molex MicroCross и передавал аналоговое видео (вход и выход), аналоговое стереозвуковое (вход и выход) и данные (через USB и FireWire). Однако, с ростом доступности цифровых плоских дисплеев, приоритет сместился в сторону цифровой передачи видео, что позволило бы исключить дополнительные этапы аналого-цифрового преобразования, необходимые для VGA и EVC; в результате чего в 1997 году был выпущен стандарт Plug & Display (P&D). Поскольку P&D был физически крупным и дорогим разъемом, консорциум компаний разработал стандарт DFP (1999), который был ориентирован исключительно на цифровую передачу видео с использованием 20-контактного микроленточного разъема и не поддерживал аналоговое видео и передачу данных, как P&D. DVI, напротив, решил отказаться только от функций передачи данных в P&D, используя 29-контактный разъем MicroCross для передачи цифрового и аналогового видео. Важно отметить, что DVI поддерживает сигналы TMDS с двойной связью, что означает, что он обеспечивает поддержку более высоких разрешений, чем разъемы P&D и DFP с одинарной связью, что и привело к его успешному принятию в качестве отраслевого стандарта. Совместимость DVI с P&D и DFP обычно достигается с помощью пассивных адаптеров, обеспечивающих соответствующие физические интерфейсы, поскольку все три стандарта используют одни и те же протоколы согласования DDC/EDID и цифровые видеосигналы TMDS. DVI начал появляться в продукции с 1999 года. Одним из первых мониторов DVI стал оригинальный Cinema Display от Apple, представленный в 1999 году.

Технический обзор

Формат цифровой передачи видео DVI основан на последовательном формате panelLink, разработанном компанией Silicon Image, который использует высокоскоростную последовательную шину, известную как дифференциальная сигнализация с минимальным переходом (TMDS).

ТМДС

Данные цифрового видеопикселя передаются по нескольким скрученным парам TMDS. На электрическом уровне эти пары обладают высокой помехоустойчивостью к электрическим шумам и другим видам аналоговых искажений.

Односторонняя связь

Одноканальное соединение DVI имеет четыре пары TMDS. Три пары данных передают соответствующие 8-битные компоненты RGB (красный, зеленый или синий) видеосигнала, в сумме 24 бита на пиксель. Четвертая пара передает тактовый сигнал TMDS. Бинарные данные кодируются с использованием кодирования 8b/10b. DVI не использует пакетизацию, а передает пиксельные данные так, как если бы это был растрированный аналоговый видеосигнал. Следовательно, полный кадр отрисовывается во время каждого периода вертикальной развертки. Полная активная область каждого кадра всегда передается без сжатия. Видеорежимы обычно используют горизонтальные и вертикальные частоты развертки, совместимые с дисплеями на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), хотя это и не является обязательным условием. В одноканальном режиме максимальная частота тактового сигнала TMDS составляет 165 МГц, что поддерживает максимальное разрешение 2,75 мегапикселя (включая интервал обратного хода) при частоте обновления 60 Гц. На практике это позволяет использовать максимальное разрешение экрана 16:10 – 1920 × 1200 при 60 Гц.

Двойная связь

Для поддержки дисплеев с более высоким разрешением, спецификация DVI предусматривает использование двухканальной передачи данных. Двухканальный DVI удваивает количество пар данных TMDS, тем самым эффективно удваивая пропускную способность видео, что позволяет достигать разрешений до 2560 × 1600 при частоте 60 Гц и выше, или более высоких частот обновления при более низких разрешениях.

Совместимость

Для обеспечения обратной совместимости с дисплеями, использующими аналоговые сигналы VGA, некоторые контакты разъема DVI передают аналоговые сигналы VGA. Чтобы гарантировать базовый уровень совместимости, устройства, соответствующие стандарту DVI, должны поддерживать один базовый режим отображения – "режим низкого разрешения" (640 x 480 при 60 Гц).

ДСК

Как и современные аналоговые VGA-коннекторы, DVI-коннектор включает в себя контакты для канала данных дисплея (DDC), позволяющие графическому адаптеру считывать расширенные данные идентификации дисплея (EDID) монитора. При подключении источника и дисплея, поддерживающих версию DDC2, источник сначала запрашивает возможности дисплея, считывая блок EDID монитора по шине I²C. Блок EDID содержит идентификационные данные дисплея, цветовые характеристики (например, значение гаммы) и таблицу поддерживаемых видеорежимов. В таблице может быть указан предпочтительный режим или родное разрешение. Каждый режим представляет собой набор параметров синхронизации, определяющих длительность и частоту горизонтальной/вертикальной развертки, положение активной области отображения, горизонтальное и вертикальное разрешение, а также частоту обновления.

Длина кабеля

Максимальная длина, рекомендуемая для кабелей DVI, не указана в спецификации, так как она зависит от частоты тактового сигнала TMDS. Как правило, кабели длиной до [вставить значение] будут работать с разрешением экрана до 1920 × 1200. Более длинные кабели длиной до [вставить значение] можно использовать с разрешением экрана 1280 × 1024 или ниже. Для больших расстояний рекомендуется использовать усилитель DVI — повторитель сигнала, который может питаться от внешнего источника, чтобы уменьшить ухудшение сигнала.

Цифровая кодировка данных

Одной из целей кодирования потока DVI является обеспечение DC-сбалансированного выходного сигнала, что снижает вероятность ошибок декодирования. Эта цель достигается за счет использования 10-битных символов для представления 8-битных или менее символов и использования дополнительных битов для DC-балансировки. Как и в других способах передачи видео, выделяют две области: активную, в которой передаются данные пикселей, и область управления, в которой передаются сигналы синхронизации. Активная область кодируется с использованием дифференциальной сигнализации с минимизацией переходов, а область управления – фиксированным кодированием 8b/10b. Поскольку эти две схемы генерируют различные 10-битные символы, приемник может однозначно различать активную и контрольную области. При разработке DVI большинство компьютерных мониторов все еще использовали электронно-лучевые трубки, которым требовались аналоговые сигналы видеосинхронизации. Временные характеристики цифровых сигналов синхронизации соответствуют аналоговым, поэтому для преобразования DVI в аналоговый сигнал и обратно не требуется дополнительная (высокоскоростная) память, которая в то время была дорогостоящей. HDCP представляет собой дополнительный уровень, который преобразует 10-битные символы перед передачей. Только после успешной авторизации приемник может расшифровать данные, зашифрованные HDCP. Области управления не шифруются, чтобы приемник мог определить начало активной области.

Отношения между часами и данными

DVI обеспечивают одну пару тактовых сигналов TMDS и 3 пары данных TMDS в режиме одинарной связи или 6 пар данных TMDS в режиме двойной связи. Пары данных TMDS работают с общей битовой скоростью, которая в 10 раз превышает частоту тактовых сигналов TMDS. В каждом периоде тактового сигнала TMDS содержится 10-битный символ на пару данных TMDS, представляющий 8 бит цвета пикселя. В режиме одинарной связи каждый набор из трех 10-битных символов представляет один 24-битный пиксель, а в режиме двойной связи каждый набор из шести 10-битных символов представляет либо два 24-битных пикселя, либо один пиксель с цветовой глубиной до 48 бит. Спецификация допускает отсутствие синхронизации данных и тактовых сигналов. Однако, поскольку соотношение между тактовыми сигналами TMDS и общей битовой скоростью на пару TMDS фиксировано как 1:10, неизвестная расфазировка сохраняется во времени. Приемник должен восстановить биты в потоке, используя любые методы восстановления тактовой частоты и данных, чтобы определить правильную границу символа. Спецификация DVI допускает изменение частоты тактовых сигналов TMDS в диапазоне от 25 МГц до 165 МГц. Это соотношение 1:6,6 может усложнить восстановление тактовой частоты, поскольку фазовые автогенераторы, если они используются, должны работать в широком диапазоне частот. Одним из преимуществ DVI перед другими интерфейсами является относительная простота преобразования сигнала из цифровой области в аналоговую с помощью видео ЦАП, поскольку передаются как тактовые сигналы, так и сигналы синхронизации. Интерфейсы с фиксированной частотой, такие как DisplayPort, должны восстанавливать тактовую частоту из передаваемых данных.

Управление питанием дисплея

Спецификация DVI предусматривает сигналы для снижения энергопотребления. Аналогично аналоговому стандарту VESA DPMS (Display Power Management Signaling) для управления питанием дисплея, подключенное устройство может выключать монитор при выключении самого устройства или программно, если это поддерживается контроллером дисплея. Устройства, обладающие такой функциональностью, также могут соответствовать требованиям сертификации Energy Star.

Аналогичные

Аналоговый раздел документа спецификации DVI лаконичен и отсылает к другим спецификациям, таким как VESA VSIS для электрических характеристик и GTFS для информации о синхронизации. Причина включения аналогового сигнала – обеспечение совместимости с предыдущими кабелями и разъемами VGA. Выводы VGA для HSync, Vsync и трех видеоканалов доступны как в разъемах DVI-I, так и в DVI-A (но не в DVI-D) и электрически совместимы, в то время как выводы для DDC (тактовые импульсы и данные) и питания 5 В и заземления сохранены во всех разъемах DVI. Таким образом, пассивный адаптер может обеспечить интерфейс между разъемами DVI-I или DVI-A (но не DVI-D) и разъемами VGA.

Совместимость DVI и HDMI

HDMI — это более новый цифровой аудио/видеоинтерфейс, разработанный и продвигаемый индустрией потребительской электроники. DVI и HDMI имеют одинаковые электрические характеристики для своих TMDS и VESA/DDC скрученных пар. Однако HDMI и DVI различаются несколькими ключевыми моментами. HDMI не поддерживает совместимость с VGA и не включает аналоговые сигналы. DVI ограничен цветовой моделью RGB, в то время как HDMI также поддерживает цветовые пространства YCbCr 4:4:4 и YCbCr 4:2:2, которые обычно не используются в компьютерной графике. Помимо цифрового видео, HDMI поддерживает передачу пакетов данных для цифрового аудио. Источники HDMI различают устаревшие дисплеи DVI и дисплеи с поддержкой HDMI, считывая блок EDID дисплея. Для обеспечения совместимости между устройствами DVI D и HDMI, источники HDMI и дисплеи поддерживают сигнализацию DVI D. Например, дисплей HDMI может быть подключен к источнику DVI D, поскольку HDMI и DVI D определяют общий минимальный набор поддерживаемых разрешений и форматов буфера кадров. Некоторые источники DVI D используют нестандартные расширения для вывода HDMI-сигналов, включая аудио (например, серии ATI 3000 и NVIDIA GTX 200). Некоторые мультимедийные дисплеи используют адаптер DVI-HDMI для приема сигнала HDMI с аудио. Конкретные возможности зависят от спецификаций видеокарты. В обратной ситуации дисплей DVI, не имеющий обязательной поддержки HDCP, может быть не в состоянии отображать защищенный контент, даже если он в остальном совместим с источником HDMI. Функции, специфичные для HDMI, такие как дистанционное управление, передача аудио, xvYCC и расширенная цветовая гамма, не могут использоваться на устройствах, поддерживающих только сигналы DVI. Совместимость HDCP между исходным и целевым устройствами определяется спецификациями производителя для каждого устройства.