【技術文章】DisplayPort™ 2.0 Overview

Granite River Labs, GRL
Jerry Sung 宋超宇

 

        DisplayPort™ 2.0 (簡稱 DP 2.0),在 2019 年 6 月 VESA 正式釋出了 DP 2.0 的規範,其中導入了與以往 DP 1.4 不同的物理層使頻寬提升 3 倍以外,更導入了 Panel Replay (簡稱 PR) 讓產品在高頻寬的影音傳輸下能降低功率的消耗,並且搭載 Display Stream Compression (簡稱 DSC)讓影音傳輸的能力更加提升。

        對於 DP 2.0 產品而言,必須支援 DSC 影像壓縮技術,而 DSC 必須在 Source 端和 Sink 端都支援的情況下,DSC 才能啟用,如圖(1)所示。由於 DSC 在 2019 下半年才制定了完整釋出相容測試規格 Compliance Test Specification (CTS),所以對於 DP 2.0 產品可以更完整導入 DSC 技術的使用。DSC 影像壓縮技術,是可以透過較低的頻寬來滿足高解析度的需求,透過壓縮影像,來降低頻寬需求,而不影響視覺的感受,在影像壓縮的過程中也不會導致影像延遲。

 

圖 1

        另外,DP 2.0 還導入了另一項主要的功能,Panel Replay (PR),此功能主要能夠在高頻寬 DP 影像傳輸時降低功率消耗,供應商能夠決定是否要支援此功能,Panel Replay (PR) 是根據早期的 Panel Self Refresh (PSR) 技術的延伸,以往 PSR 只用於 eDP 的介面上,PR 和 PSR 一樣都是一種自我更新機制,可以透過 DP Sink 內部的Remote Frame Buffer (RFB)來存取影像,此時 Source 就可以停止訊號的傳輸,讓 DP Sink 可以做自我更新,以達到 Source 端省電的功能,特別在 DP 2.0 支援高解析度所需要的功率消耗是很重要的,此功能主要會用於移動式裝置如筆記型電腦。由於功率的消耗及電量對於移動式裝置格外重要,此時 PR 的功能對於此類型設備更加重要。

        在 DP 2.0 中,影像實際的顯示能力,可以透過下表來了解,在 DP 1.4 規格中透過影像壓縮技術,最高可以支援到 8K (7680×4320)解析度與 60Hz 的更新率,而 DP 2.0 透過影像壓縮技術後,可以支援到
16K(15360×8460)解析度與 60Hz 的更新率,如表(1)所示。

 

表 1

 

        由於 DP 2.0 有足夠的頻寬可以使用,因此也相容 USB-C 介面中 DP alt mode 輸出模式,當 DP 使用 USB-C的介面時,可以透 Power Devilry (PD)的溝通,同時使用 2 Lanes DP 和 1 Lane USB 3.2 的傳輸,此時對於 AR/VR 的裝置更有發展的空間。

        DP 2.0 導入了新的物理層,使用 128b/132b 的編碼方式來提升頻寬的使用效率,但在 DP 1.4 的規格中是使用 8b/10b 的編碼方式,但 DP 2.0 延續了 DP 1.4 版本的設計,能夠相容 DP 1.4 的產品,所以架構中就會同時包含 8b/10b 的編碼為 DP 1.4 使用和 128b/132b 的編碼為 DP 2.0 使用。另外 DSC 技術的導入,其架構如圖(2)所示:

圖 2

 

        當 Source 端傳送 Video Stream 時,會先透過 DSC 編碼後,再由 Aux channel 判斷當下所需的傳輸方式,之後會進行 High-Bandwidth Digital Content Protection (簡稱 HDCP),將影音資訊進行加密,最後再透過 128b/132 的編碼傳輸影音訊號到 Sink 端。Sink 端也是用同樣的方式,做反向的解碼,影音資料可以正確輸出在 Sink 上。由於傳輸速度可以達到每條通道 20Gbps,針對均衡器(Equalizer)做了修正,以彌補高頻寬傳輸時的訊號失真,在 DP 2.0 Transmitter 均衡器是使用 De-emphasis Level 及 Pre-shoot,Receiver 端使用 Continuous Time Linear Equalization(簡稱 CTLE)及 Decision Feedback Equalization(DFE)改善訊號從 Source 到 Sink 的失真,以確保影音資料能完整傳送至Sink 端,如圖(3)所示:

圖 3

 

        DP 2.0 規格中的傳輸速率稱為 Ultra High Bit Rate(簡稱 UHBR),分別有三種傳輸速率,10Gbps(UHBR10)、13.5Gbps (UHBR13.5)、20Gbps (UHBR20),其中 10Gbps 是必須要支援的,而 13.5Gbps 和 20Gbps 是可選的,可由廠商決定是否要支援。而 VESA 也針對這三種速率定義的可使用的線纜類型,如表(2):

Date Rate UHBR10 UHBR13.5/UHBR20
Cable Type DP8K cable Tethered USB-C cable
USB Gen1 cable TBT USB-C cable (0.8m)

表 2

 

        由於 DP 2.0 的高頻寬傳輸速率,目前 DP8K 及 USB-C Gen1 線纜只能支援 UHBR10,而 UHBR13.5 及 UHBR20 只能支援本身帶線的產品,如 docking、dongle,如下圖(4)所示,或是使用 0.8 公尺的 Thunderbolt 3 線纜。因為此限制,就會顯得 DSC 技術更加重要,並且 VESA 也在積極制定標準 DP 的主動式線纜的測試規範,去擴展 DP 2.0 的使用範圍,以達到市場及消費者的需求。

圖 4

 

        鏈結層在 DP 2.0 也擴展了 Aux 通道的使用,為了提升相容性,在 DisplayPort Configuration Data (簡稱 DPCD) 增加屬於 UHBRx 的暫存器位址,而 DPCD 只導入於 Sink 端,其位址用來做為 DP 2.0 的 Link Training,Link Training 主要用來設定及管理當下傳輸影音數據的條件,透過 Link Training 可以設定產品的傳輸方式及傳輸通道的數量,另外可以決定要使用的 EQ 參數,以確保訊號是用最佳的狀況進行傳輸,避免影像失真。

  • DP 2.0 Link Training 的過程有四個主要部分:

1. Source 讀取 Sink 的 DPCD 來確認支援的能力。
2. 啟用 DP 2.0 128b/132b 的傳輸方式。
3. 溝通 EQ 參數設置,確認傳輸的品質。
4. 使用不同的 Training pattern 去驗證 Link training 中的品質

  • DP 2.0 Link Training 的過程如下:

        DP 2.0 CTS 相容測試規格預計要到 2020 年第二季才會階段性的發布,但以 Granite River Labs (GRL) 認證測試實驗室的觀察發現,大部分廠商還是會以 DP 1.2 與 DP 1.4 的測試為主,因為業者認為高解析度的需求並未普及,影音內容也是以 4K 為大宗。由於 4K 的解析度只要透過 DP 1.2 的規格就能實現,而 DP 1.4 的規格已經包含了 DisplayHDR 的功能,由 GRL 的測試經驗觀察,發現廠商使用 DP 1.4 規格的主因是 DisplayHDR,並不是追求高解析度的需求,所以 DP 2.0 產品趨勢值得繼續觀察。

        最後,筆者閱讀完 VESA DisplayPort (DP) Standard 2.0 後,在此篇整理 DP 1.4 及 DP 2.0 的差異性,如表(3),由於規格持續在修正及討論階段,以下規格僅供參考,實際的規範請參考 VESA 最新釋出的內容為主。

表 3

 

 

參考文獻

  • VESA DisplayPort (DP) Standard Version 2.0 26 June, 2019: https://vesa.org/

 

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作者
GRL 台灣技術經理 宋超宇 Jerry Sung

GRL 全球 DisplayPort 技術發展負責人,熟悉 DisplayPort、HDMI、Thunderbolt、Power Delivery、SD 等多種應用介面,擔任 GRL 技術文章作者及講師,且擁有 7 年測試經驗。

 

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                        發佈日期 2020/01/03 AN-200101-TW