跟着电视游乐器一路从 8 位元、16 位元,2D 点阵、3D 多边形,SD 标准画质到 HD 高画质甚至 4K 超高画质等规格一路走过来的玩家,相信对能把这些绚烂影像与动听声音传递到电视等显示装置呈现的 “ 传输接口” 都不陌生。虽然现在主流清一色都是 HDMI 接口,但是在这 40 多年的发展历程中,曾出现过许许多多不同的规格。本篇专栏将分为“类比世代”与“数位世代”两篇,带大家一同回顾这些影音传输接口的演进。
对古早类比时代影音端子有兴趣的玩家,不妨可以点击以下连结观看类比世代回顾篇的介绍。
数位世代
在类比篇回顾完现在已经不常见的类比影音传输端子之后,接下来就是进入目前大家比较熟悉的数位影音端子了,包括目前最普遍的 HDMI 端子,日益普及的 DisplayPort 端子,以及新兴的 USB Type-C 端子。
讲到 HDMI 端子,相信现在的玩家都不陌生,毕竟牵扯到连接萤幕显示的装置,不论是电视或电脑萤幕,十之八九都配备有 HDMI 端子。不过在正式进入 HDMI 之前,先来看一下做为 HDMI 基础的 DVI 端子吧。
DVI 端子
1990 年后半,以数位控制来精确点对点显示的液晶显示器技术逐渐成熟,以往针对映像管扫描线显像所设计的类比影像讯号就逐渐不合时宜。因此市面上需要一种能以数位方式传输影像的接口,来替代行之有年的类比影像传输接口。因应此一需求,由多家电子电脑大厂联合组成的“数位显示工作小组(DDWG)”于是在 1999 年 4 月制定与发表了名为“DVI(Digital Visual Interface,数位视讯接口)”的数位影像传输接口。
DVI 规格的标志,编辑其实也是查资料的时候才第一次看到……
主要针对 PC 应用的 DVI 采用外型相同、但规格有别的 DVI-A、DVI-D 与 DVI-I 3 种接头,来满足类比与数位影像传输的需求。其中 DVI-A 只能输出相容 VGA 的类比影像讯号,透过简单的转接就能兼容既有的 VGA 萤幕。DVI-D 则是输出纯数位影像讯号,只能相容 DVI 萤幕。而 DVI-I 则是类比与数位整合规格,可同时输出类比与数位影像讯号,单一输出接头就能满足 VGA 与 DVI 两种规格的萤幕,因此是显示卡的主流配备。
不过近年来因为支援类比输入的显示器已经退出主流,因此不少显示卡逐渐转为只支援 DVI-D 输出。
各种不同规格定义的 DVI 接头(母座),其中类比讯号主要是透过右侧的接脚传输,数位讯号则是靠左侧的接脚传输
DVI 采用半导体大厂 Silicon Image 研发的“TMDS(Transition-Minimized Differential Signaling,最小化传输差分讯号)”高速数位传输技术,将传输连结分为 R、G、B 与时脉共 4 组讯号,在最高 165MHz 的时脉下可达成 4.95Gbps 的传输频宽,足以应付 1080p 或 UXGA 60Hz 传输的需求。此外 DVI 还定义了双连结(Dual Link)的规格,可以透过两组传输连结来加倍传输频宽,接头中已经有预留 Dual Link 的脚位。
DVI 采用“TMDS”高速数位传输技术,将传输连结分为 R、G、B 与时脉共 4 组差分讯号来传输
Dual Link DVI-D 连接线
不过 DVI 端子自发表以来,后续几乎没有任何改良,直到今日频宽仍维持 20 年前最初的规格。此外 DVI 端子接头庞大、接线繁复,而且未整合音讯传输与内容保护机制,不利于数位影音家电等消费市场用途。
DVI-D 转 HDMI 的线材,可以清楚看出两端子的尺寸大小差异
HDMI 端子
有鉴于 DVI 的不足,包括 Sony、Panasonic、东芝、日立、飞利浦等多家家电大厂于是于 2002 年 12 月组成了“HDMI 论坛”,以 DVI 的技术为基础,制定出针对数位影音家电用途的“HDMI(High Definition Multimedia Interface,高画质多媒体接口)”。采用比 DVI 更小巧紧致的接头,整合数位音讯传输功能及影音资料加密保护技术“HDCP(High-Bandwidth Digital Content Protection,高画质数位内容保护)”,满足以方便插拔的单一接头同时传输数位影像与声音,同时确保无失真的数位影音资料不被盗录复制的需求。
HDMI 最初定义 2 种规格的接头,分别为 A Type 跟 B Type,前者就是最常见的标准 19 pin 接头,后者则是传输通道加倍的 29 pin 接头,但 B Type 并没有应用到任何产品上,只出现在规格书中。后续还定义了尺寸较小的 C Type(Mini HDMI)与 D Type(Micro HDMI),但都只是接头尺寸微缩,接脚定义并未改变。
左起 A Type 端子、C Type(Mini)端子与 D Type(Micro)端子
HDMI 同样承袭 DVI 的 TMDS 传输技术,不过影像传输通道除了 DVI 定义的 R、G、B 之外,还新增支援电视领域常用的 Y、Cb、Cr 格式。此外还把数位音讯混入影像通道的水平同步讯号中一起传输,初版最高就已经能支援 8 声道 192KHz 24bit LPCM 未压缩音讯的传输,相当充裕。后续还扩充支援更多格式与声道。
因为 HDMI 承袭 DVI 的核心规格与技术,所以两者具备某种程度的相容性,可以透过简单的转接头转接。HDMI 装置能完整相容 DVI 讯号,但 DVI 装置不支援 HDMI 新增的数位音讯与加密保护功能,无法解码音讯,且无法显示 HDCP 加密保护的内容(输出装置会认证接收装置是否支援 HDCP,不支援时无法输出)。
有别于几乎没有进步的 DVI,HDMI 在几家家电大厂的力推下,规格不断推陈出新,2002 年到 2005 年间陆续改版 1.1、1.2,支援更多影音规格,像是 SACD、Dolby TrueHD、DTS-HD Master Audio 音讯等。
2006 年 HDMI 发表了重大改版的 1.3 版,将最高传输时脉从 165MHz 提升至 340MHz,传输频宽扩大为 10.2Gbps。当年 11 月推出的 PS3 主机随即就支援了 HDMI 1.3 版,成为首款标准配备 HDMI 端子的游乐器。竞争对手的 Xbox 360 在隔年也推出了支援 HDMI 端子的更新款式。之后 5 年间 HDMI 又进行了几波小改版,像是整合 Ethernet 网络传输功能,新增音讯回传通道(ARC)、支援 4K 分辨率 / 3D 立体影像传输等。
PlayStation 3
2013 年 9 月,因应 4K 超高分辨率影像的传输需求,HDMI 推出重大改版的 2.0 版,再次将最高传输时脉拉高到 600MHz,传输频宽提升至 18.0Gbps。虽然 1.4 版也能支援 4K 影像传输,但最高只到 30Hz。这也是为什么早期不少过渡性 4K 显示器只能支援 4K 30Hz 输入的主因。只有 2.0 版的频宽才能真正支援 4K 60Hz 传输。此外 2.0 版还将音讯从最高 8 声道扩增为 32 声道,数位资料加密保护技术升级为 HDCP 2.2。
不过传输频宽的提升,同时也提高了对传输线材品质的要求。HDMI 2.0 版必须使用“第 2 类(Cat 2)” 线材才能达成 4K 60Hz 的影像传输。沿用既有 HDMI 1.x 版的 Cat 1 线材时,只能以较低的速度运作。
经过 HDMI Premium 认证的 Sony HDMI 2.0 连接线
2015 年 4 月、2016 年 3 月,HDMI 又陆续推出 2.0a、2.0b 版,新增支援“高动态范围(High Dynamic Range,HDR)”格式影像的传输。在搭配支援 HDR 的显示器时,能大幅扩展影像明暗对比的表现。第一款支援 HDMI 2.0b 的电视游乐器再度由 Sony 的 PS4 Pro 拿下,后续的 Xbox One S / X 也有支援。
由于 8K 等更高分辨率显示技术的快速发展,HDMI 于 2017 年 1 月又再度迎来重大改版的 2.1 版。其讯号传输与编码方式大幅改变,不再使用资料与时脉分开的 TMDS 传输技术,而是改采名为“固定速率连结(Fix Rate Link,FRL)”的传输模式,将时脉混入资料讯号,把 4 条讯号线都拿来传输资料。每线的传输率可设定为 3 / 6 / 8 / 12Gbps 共 4 阶段的速度,4 线合并频宽最高可达 48Gbps。同时采用更有效率的 16b/18b 编码,让资料传输频宽达到 2.0 版的 3 倍。另外还导入压缩比约 3:1 的视觉无失真 ※ 压缩技术“DSC(Display Stream Compression,显示串流压缩)”,借由压缩节省频宽,最高可支援到 10K 120Hz 影像的传输。
※ 意指人眼无法察觉压缩所造成的失真,但还原出来的资料与原始资料仍有偏差
不过进一步提升的频宽,再次提高了对传输线材品质的要求。而且不只是线材品质,这次甚至已经触碰到铜线传输的物理极限。HDMI 2.1 除了必须使用经过认证的第 3 类(Cat 3)新规格线材,而且长度限制更大。传统的被动线材很难超过 2 公尺,要导入能主动放大讯号的主动线材或转换成光纤才能进一步延伸长度。
HDMI 论坛针对 HDMI 2.1 规格连接线颁布了新的认证标准
此外 HDMI 2.1 还导入了许多针对影音与游戏等当下热门应用的改良,包括新增支援可针对每张画面改变动态范围的“动态 HDR”,针对游戏应用的“可变更新率(Variable Refresh Rate,VRR)”与“自动低延迟模式(Auto Low Latency Mode,ALLM)”等。其中 VRR 技术让显示器能配合影像输出装置如游乐器主机的画面绘制速度来更新画面,摆脱以往以固定更新率运作所导致的画面撕裂、停格或是延迟问题,一如 PC 上的 G-Sync 与 FreeSync 技术。ALLM 技术则是可以让显示器自动切换为低延迟显示模式,如同许多电视会提供的“游戏模式(Game Mode)”,让需要即时互动的电玩游戏不至于受到电视额外影像处理的延迟影响。
Xbox One X 是首款支援 VRR 可变更新率与 ALLM 自动低延迟模式的主机。
※ 备注:Xbox One X 的 HDMI 虽然只是 HDMI 2.0b 规格,不过率先支援了 HDMI 2.1 纳入的 VRR 与 ALLM 功能
HDMI 2.1 可以说是针对未来的需求所规划,虽然目前市面上支援 HDMI 2.1 的产品还不多,但已经陆续有电视开始提供 HDMI 2.1 输入。预定年底登场的 PS5、Xbox Series X 等下一代游乐器主机都已经确定会支援 HDMI 2.1,藉以提供 4K 120Hz、动态 HDR、可变更新率、自动低延迟模式等能提升游戏体验的功能。
PS5
Xbox Series X
如果玩家最近有想买一台能充分发挥 PS5、Xbox Series X 画质的电视或萤幕,那么务必要记得选择支援 HDMI 2.1 规格的机种,才有办法完整体验新主机所带来的画面输出新功能。如果是只支援 HDMI 2.0 的机种,就只能体验基础的 4K 60Hz 静态 HDR 了。另外要注意的是,目前有些高阶电竞萤幕虽然标榜 4K 120Hz HDR 的支援能力,不过是透过 DP 端子来达成的,搭配 PS5 或 Xbox Series X 时仍会受限于 HDMI 2.0 的规格。
目前市面上支援 HDMI 2.1 规格的电视产品还不多,像是 Sony X9000H(左)、LG C9(右)等 等 PS5 / Xbox Series X 主机上市后,明年应该会有一波 HDMI 2.1 电视新产品热潮
台湾 PC 大厂华硕日前才宣布将推出世界首款 HDMI 2.1 认证的 43 吋电竞萤幕,但尚未揭露详细资讯
虽然问世已经将近 20 年,不过 HDMI 至今仍是大家最熟悉,且持续进化的主流规格。
DisplayPort 端子
DisplayPort 端子(以下简称 DP)其实并不符合本篇专栏设定的 “ 电视游乐器影音传输接口” 范围,因为实际上并没有任何一台电视游乐器有提供 DP 端子输出(Nintendo Switch 勉强沾到边,这部分后面会介绍)。不过因为 DP 可说是目前发展最快、最有活力且最具潜力的数位影音接口,所以本专栏就顺便介绍一下。
DP 是由多家电子与电脑大厂所组成的“视讯电子标准协会(Video Electronics Standards Association,VESA)”于 2006 年 5 月发表的数位影音传输接口,主要是针对 PC 用途设计,用来取代先前的 DVI,提供更强大、更具扩展性的数位影音传输功能。DP 采用 20 pin 的方形接头,后续有推出小型化的 Mini DP 规格。
标准 DP 端子(左)与 Mini DP 端子(右)对比
起步较晚的 DP 端子采用了在网络或数位资料传输接口如 USB、PCIe 等相当常见的封包化传输。不像 DVI 或 HDMI 那样是直接以独立资料线个别传输数位影像的 R、G、B 像素,而是把数位影像资料包裹成微小的资料封包,透过数量可增减的高速序列总线通道传输。标准是 4 线,但视需求亦可减为 2 线或 1 线,这点对后面提到的 USB Type-C DP 替代模式的应用相当关键。此一架构不但具备更高的扩充延展性,而且更容易整合不同类型数位资料的传输,例如可以轻易打包音讯资料,或是可以透过单一接线传输多萤幕画面。
标准 DP 端子采用有方向性的 20 pin 端子,将影音讯号包裹成资料封包,透过 4 条传输通道来传输
后起之秀的 DP 端子因为技术较先进,初始频宽就达到 10.8Gbps(4 线),是 HDMI 1.0 的两倍,跟同期的 HDMI 1.4 频宽相当。支援 RGB 与 YCbCr 影像格式,可同时满足 PC 与影音家电的应用。默认采用独自的“DPCP(DisplayPort Content Protection)”加密保护技术,后续也把 HDMI 的 HDCP 加密纳入规格中。
2010 年 DP 发表了 1.2 版规格,将传输频宽加倍为 21.6Gbps,此一传输模式被称为“HBR 2”,自此 DP 得以完整支援 4K 60Hz 的影像传输(约需 12Gbps 资料频宽),比 HDMI 2.0 的问世早了 3 年。因此早年的 4K 电脑萤幕几乎都是靠 DP 来达成 4K 60Hz 画面的传输。1.2 版还导入独立多视讯串流功能,可以透过单一接头传输多组独立的画面输出,只要透过串接方式就可以支援多组不同画面同时显示。2013 年 DP 又发表 1.2a 版规格,首度将可变更新率功能“Adaptive Sync”纳入选配支援项目,同样比 HDMI 早了许多。
DP 1.2 开始支援独立多视讯串流功能,以往多萤幕需要靠多个端子输出,现在 DP 靠一个端子输出再串接就可以搞定
2013 年 DP 发表了 1.3 版规格,将传输频宽提升为 32.4Gbps,此一传输模式被称为“HBR 3”,可支援 8K 30Hz、5K 60Hz、4K 120Hz 或 2 组 4K 60Hz 的画面传输。2016 年 DP 发表了 1.4 版规格,这次并未提升传输频宽,而是导入“DSC”视觉无失真压缩技术来扩增画面传输的支援能力。不过因为目前很少有装置需要超过 DP 1.4 未压缩频宽,所以实际支援的产品并不多,只有少数支援 4K 144Hz 的电竞萤幕有动用到。
因应传输频宽的提升,要保证达成 HBR 3 以上的传输速度,需要使用通过 VESA DP8K 认证的线材。
VESA DP8K 认证线材
2019 年 6 月 DP 迎来一波发表以来最大的改版 2.0,将底层传输技术直接改为 Thunderbolt 3 的实体层,同时将编码从原本的 8b/10b ※1 改为 128b/132b ※2 ,让有效传输频宽比例从先前的 80% 提升至 97%,藉以提供 3 倍于 DP 1.4a 的 77.37Gbps 资料传输频宽。未压缩即可传输 8K 60Hz 4:4:4 HDR10 的画面。搭配 DSC 压缩甚至可以传输 16K 60Hz 4:4:4 HDR10 的画面,或是 2 组 8K 120Hz 4:4:4 HDR10 的画面。
※ 1:将 8bit 资料编码成 10bit 传输、以达成直流平衡的编码,实际资料传输频宽为连接频宽的 80% ※ 2:将 128bit 资料编码成 132bit 传输、以达成直流平衡的编码,实际资料传输频宽为连接频宽的 96.97%
DP 2.0 导入了“UHBR 10”、“UHBR 13.5”与“UHBR 20”3 种传输模式,顾名思义就是单线的传输频宽可达 10Gbps、13.5Gbps 与 20Gbps,4 线总和的传输频宽可达 40Gbps、54Gbps 与 80Gbps。
DP 2.0 借由运作速度提升与编码技术改进,让资料传输频宽增加为 DP 1.3 / 1.4 的 3 倍
DP 2.0 的规格同样显著超越 HDMI 2.1,不过目前尚未有任何支援的产品推出。
比较可惜的是支援能力后来居上的 DP 并未获得家电厂商青睐,因此没有应用在电视游乐器主机上过。
USB Type-C 端子
或许有些玩家会觉得奇怪,这篇不是在介绍影音传输接口,怎么会跑出 USB Type-C 来?不过相信有用过新款笔记型电脑或是手机的玩家,都会知道 USB Type-C 也可以用来输出影音讯号(虽然大多是透过转接),Nintendo Switch 主机也是透过 Type-C 来输出影音,因此专栏最后就来介绍一下这个新兴的影音端子。
许多笔电、平板与手机都可以透过 USB Type-C 输出影音讯号
USB Type-C 顾名思义就是 USB C 型接头,这是一个设计之初就考量多用途需求的规格,因此除了基本的 USB 接口连接用途之外,还可以肩负起大功率电源供应、影音传输等应用。Type-C 端子采用对称无方向性的接头,内藏双面各 12 支的接脚。与传统 USB Type-A / B 端子不同,Type-C 端子没有方向性,不论正反插都可以用。其祕诀就在双面的接脚其实是重复的,所以不论怎么插都可以接通,但实际只使用其中一半。
虽然 USB 3.0 / 3.1 只使用 Type-C 端子一面的 12 支接脚传输,但 Type-C 端子实际上是有两面共 24 支接脚的。因此 USB 论坛替 Type-C 端子保留了“替代模式(Alternate Mode,Alt Mode)”,让 Type-C 端子除了 USB 3.x 的讯号之外,还可以与其他传输协定整合,充分活用那另一半为正反插备用的讯号接脚。
USB Type-C 端子内的接脚是两面对称的,单面各有一整组完整的 USB 2.0 与 USB 3.x 传输线,还有电源供应线路
不只是替代模式会用上这些额外线路,USB 3.2 规格中也定义了同时使用双面所有接脚来加倍 USB 传输频宽到 20Gbps 的 “x2” 规格。不过 x2 规格把正反两面的线路都用光了,所以并无法配合替代模式运作。
USB Type-C 端子本身没有制定独自的影音输出标准,都是透过替代模式结合其他标准来输出影音。
DP 替代模式
DP 替代模式是结合 DP 标准的模式,能同时满足 USB 资料与 DP 影音的传输需求,是 Type-C 影音输出的主流。目前市面上支援 Type-C 影音输出的笔电、手机乃至 Nintendo Switch 主机 ※ ,都是采用此规格。
※ Nintendo Switch 虽然底座配备的是 HDMI 端子,但主机是透过 DP 替代模式输出影音讯号,再由底座转换为 HDMI 讯号
Nintendo Switch
当 Type-C 端子以 DP 替代模式运作时,有两种组态可以选择。其一是把正反两面共 4 对高速传输讯号线都拿去传输 DP 讯号,如此一来就跟标准 4 线 DP 端子支援能力相同,但无法提供 USB 3.x 连接功能。其二是把其中 2 对讯号线保留给 USB 3.x,另外 2 对讯号线给 DP,如此一来就能保有 USB 3.x 传输功能,又能提供标准 DP 一半的影音传输频宽。没有动用到的 USB 2.0 与电源供应线路则是不受影响,可以一并提供。
DP 替代模式可以挪用 USB Type-C 端子中留给 USB 3.0 高速传输用的讯号线来传输 DP 讯号
当搭配 DP 1.3 / 1.4 时,2 对讯号线就足以传输 4K 60Hz 的画面,对大多数应用来说已经足够。未来如果搭配最新的 DP 2.0,还可以传输到 4K 144Hz 的画面,开启 DSC 压缩的话要传输 8K 120Hz 也不是问题。
HDMI 替代模式
不只是 VESA 制定的 DP 替代模式,HDMI 论坛也在 2016 年替 Type-C 制定了 HDMI 替代模式的规格。基本上就是借由 Type-C 端子的讯号接脚来输出 HDMI 讯号,所以只要被动转接线即可。因为 HDMI 必须使用独立 4 对线传输,无法缩减,不像 DP 的传输通道那样有弹性,因此没办法保留 USB 3.x 传输的功能。
目前市面上几乎找不到支援 HDMI 替代模式的装置,绝大多数可以连接 Type-C 端子输出 HDMI 影音讯号的转接器,都是以 DP 替代模式输出后再透过主动芯片转换为 HDMI 讯号的,包括 Nintendo Switch 在内。
HDMI 替代模式可以透过简单的被动转接线来连接支援 HDMI 输入的装置
USB Type-C HDMI 替代模式的讯号接脚定义
VirtualLink
由于 Type-C 端子的高度整合性与连接性,因此 NVIDIA 于 2018 年联合 Oculus、Valve、AMD 与微软共组联盟,制定针对 VR 虚拟实境装置连接需求的业界开放标准“VirtualLink”,以单一高频宽的 USB Type-C 端子整合 VR 装置所需的多组连接线,同时满足影音传输、控制 / 侦测讯号传输与装置电源供应的需求。
VirtualLink 虽然影音传输的部分是采用 DP 1.4 规格,但接脚定义跟 DP 替代模式略有出入。主要差别是将原本保留给 USB 2.0 的 2 对讯号线转给 USB 3.x 讯号使用,因此可以同时传输 10Gbps 的 USB 3.1 Gen 2 讯号与 32.4Gbps 的 DP 1.4 讯号,还能同时提供最高 27W 的电力。但不相容旧有的 USB 2.0 规格。
VirtualLink 把原本保留给 USB 2.0 的讯号线挪给 USB 3.x 使用(蓝色部分),因此可以同时提供完整的 DP 与 USB 3.x 传输功能
NVIDIA 在 GeForce RTX 20 系列显示卡开始整合 VirtualLink 接头。AMD 虽然有参与联盟,但至今尚未推出过支援 VirtualLink 的显示卡。Oculus 与 Valve 目前也还没有推出过支援的 VR 装置,都需要透过转接。
NVIDIA 在 GeFroce RTX 20 系列显示卡上率先配备 VirtualLink 端子
目前有厂商推出可以把 VirtualLink 转换成 USB 3.1 Type-A 端子与 DP 1.4 端子的转接器,供既有 VR 装置使用
在看完怀旧复古的类比篇与回顾现状展望未来的数位篇之后,相信大家对电视游乐器的影音传输接口有了更进一步的认识。在迎接 PS5 / Xbox Series X 的 4K 120Hz 乃至 8K 超超高分辨率影音,以及身历其境的 VR 虚拟实境等新世代体验之余,可别忘了在这些主机与装置背后默默传递绚烂声光讯息的影音传输接口喔!