CN1761321A - 用于数字显示器的光纤连接 - Google Patents

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Abstract

诸如DVI连接的数字图形连接使用光纤用于代表时钟信号和并行像素数据通道的传输。在一个实施例中，DVI线缆包括源侧连接器，该源侧连接器包含有源电路，例如用于交织像素数据和时钟信息的复用器以及用于控制激光器在光纤上发送光信号的驱动器电路。显示器连接器可包括光电二极管、时钟和数据恢复电路以及重构并行电信号的解复用器。

Description

用于数字显示器的光纤连接
技术领域
本发明涉及数字图形连接。
背景技术
当今的大多数计算机都处理数字视频，但是包括将数字视频转换为适合于模拟显示的模拟信号的视频卡或类似设备。然而，诸如数字平板监视器的数字显示器可以直接使用数字数据，从而不必要进行数模转换。为了利用数字显示能力，已提出了多种数字图形连接标准，其允许在合理的线缆(cable)长度上传输高带宽的视频数据。例如，数字显示工作组(DDWG)引入了一种称为DVI(数字视频接口)的标准以用于数字图形连接。
图1的框图图示了具有从视频源120到数字显示器130的传统DVI连接110的***100。视频源120一般是计算机，而数字显示器130可以是平板显示器或类似的数字显示器。DVI连接110包括具有合适的连接器116和118的多线线缆112，连接器116和118分别连接到视频源120和数字显示器130上的连接器126和138。DVI标准规定了连接器116和118的形状和管脚数。为了容易说明，图1示意性地示出线缆112传送四个信号RED(红)、GREEN(绿)、BLUE(蓝)和CLOCK(时钟)。图1中的信号CLOCK代表时钟信号，信号RED、GREEN和BLUE分别代表红色、绿色和蓝色像素值的数字比特流。然而，DVI线缆一般包括24条或更多的导线和具有24根或更多管脚的连接器(DVI-I或DVI-D)。
数字显示器130通常利用时钟信号CLOCK来同步于提供像素值的红色、绿色和蓝色分量的分离数据通道。DVI将每个通道RED、GREEN和BLUE的最大字节速率限制为大约165MHz，该速率与“铜势垒(CopperBarrier)”匹配，铜势垒源于物理上对数据在铜线上传输的限制。单链路DVI连接可提供代表高达每秒165百万像素的数据，这足以在60Hz刷新速率的情况下，显示1600×1200的图像。对于更大的显示器，DVI提供了双链路配置，双链路配置通过使用三个额外的像素数据通道，使数据率加倍。
传统上，DVI连接的每条数据通道采用被称为最小化传输差分信令(TMDS)的数据传输技术。TMDS通常要求每条数据通道有铜双绞线。即使利用该技术，线缆电感/电阻也通常将高带宽传输限制在小于10m的距离内。另外，DVI连接所需要的线缆需要大量的铜线。由于线路数目多，可能使得DVI线缆笨重且昂贵。
考虑到当前数字图形连接的限制，人们寻求允许在更大距离上不采用笨重或昂贵的线缆而进行低功耗连接的***和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，诸如DVI连接的数字图形连接使用光纤用于代表时钟信号和多条数据通道的高带宽传输。单根光纤可为DVI的单链路或双链路版本中所有的数据提供足够的带宽。因而可避免笨重的线缆，并且对于光纤上的光传输，可以将数据传送更长的距离。为了实现光信号化，DVI线缆可以包括有源电路(例如，在所需的连接器中)。具体地说，视频源连接器可以包括交织电子数据和时钟信息的复用器以及控制激光器在光纤上发送光信号的驱动器电路。显示器连接器可包括光电二极管、时钟和数据恢复电路以及重构电信号的解复用器。
本发明的一个具体实施例是用于将视频源连接到数字显示器的***。该***包括：将数字像素数据从并行电信号编码为串行光信号的第一电路；对串行光信号解码并重建并行电信号的第二电路；以及耦合来将来自第一电路的光信号传送到第二电路的光纤。第一电路可以连接到或者并入到第一DVI连接器，第二电路可以连接到或者并入到第二DVI连接器。
并行电信号可以代表像素数据的多条数据通道(例如，红色、绿色和蓝色像素值)，并且附带地可代表时钟信号。更具体地说，并行电信号可包括三条并行电子数据通道，其中每条数据通道代表指示像素的对应颜色分量值的独立比特流。对于DVI连接，电信号是TMDS信号。
第一电路可由以下组分实现：输入信号为并行电信号的复用电路；耦合到复用电路的输出端的驱动器电路；以及在驱动器电路的控制下生成光信号的光发射源，如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和法布里-帕罗(FP)激光二极管。第二电路可由以下组分实现：与光源类型相匹配的、耦合来接收来自光纤的光信号的光电二极管；连接来由从光电二极管输出的信号生成二进制信号的量化器；连接来从二进制信号生成时钟信号的时钟恢复电路；以及连接来接收来自时钟恢复电路的时钟信号和来自量化器的二进制信号的解复用电路。解复用电路具有多条线，用于输出重建后的并行电信号。
本发明的另一个实施例是DVI线缆。DVI线缆包括合适的连接器、第一电路、第二电路和光纤。第一电路运行来将经由第一连接器接收的多个TMDS信号转换为光信号。第二电路运行来从光信号中重建TMDS信号，并经由第二连接器发送TMDS信号。单根光纤将来自第一电路的光信号传送到第二电路。TMDS信号可代表时钟信号和像素数据的并行通道。
本发明的另一个实施例是用于将数字数据发送到数字显示器的方法。该方法通过线缆的第一连接器接收多个并行电信号，其中并行电信号以数字形式表示像素的各个颜色分量。利用集成在线缆中的第一电路，将并行电信号转换为比特流，该比特流以代表其的光信号为形式在光纤上传输。第二电路从光信号中重建并行电信号，并通过线缆的第二连接器发送重建后的并行电信号。
附图说明
图1示出了具有传统DVI连接的***的框图。
图2示出了根据本发明实施例具有带光链路的DVI连接的***框图。
图3A和3B分别示出了传统DVI-I和DVI-D连接器的管脚布图。
图4图示了根据本发明实施例具有有源电路的DVI线缆。
在不同的图中相同的标号指代类似或相同的项。
具体实施方式
根据本发明的一个方面，低功耗数字图形连接可采用单根光纤、将来自视频源的多个电信号转换为单个高带宽光信号以在光纤上传输的有源输入电路和将高带宽光信号转换为分离的电信号以数字显示的有源输出电路。数字图形连接可遵从于诸如DVI的已有标准，但另外允许长的线缆长度而不增加所需的传输功率。另外，由于单光缆携带了多个高频像素数据和时钟信号，因此线缆直径和复杂性都被最小化。
图2图示了根据本发明实施例的数字图形连接200，其中，线缆210包含光纤212，光纤212提供了视频源120和数字显示器130之间的连接。视频源120可以是任意数字视频源，包括但不限于计算机、DVD播放机或HD-TV调谐器。数字显示器130可以是任意类型的数字视频显示器，包括但不限于平板显示器、数字CRT显示器、投影机或HDTV。下面的描述将集中于本发明的示例性实施例，其中，视频源120和数字显示器130具有遵从DVI标准的连接器和电路。然而，本发明的原理可应用到具有多个高带宽数据通道或时钟信号的其他类型的数字图形连接中。
除了光纤212以外，线缆210的图示实施例还包括连接器116和118以及相关的有源电路216和218。有源电路216和218可连接到连接器116和118，或者可以并入连接器116和118中。如下面所述的，有源电路216包括复用电路、激光器驱动电路和激光器，有源电路218包括光电二极管和解复用电路。连接器116和118的形状和管脚适于分别连接到视频源120和数字显示器130上的连接器126和138。
图3A和3B分别示出了传统DVI-D连接器300和DVI-I连接器350的管脚。DVI-D连接器300是只用于数字的连接器，DVI-I连接器350是既可用于数字，又可用于模拟信号的集成连接器。DVI-D连接器300与DVI-I连接器350的不同点在于在连接器300中未使用交叉管脚C1到C5，因为这些管脚与模拟信号相关联，而数字显示器中是不需要模拟信号的。表1列出了与图3A和3B中所示的每个管脚相关联的信号。
表1：DVI-I管脚分配
  管脚号   信号   管脚号   信号
  1   TMDS DATA 2-   16   HOT PLUG DETECT
  2   TMDS DATA 2+   17   TMDS DATA 0-
  3   TMDS DATA 2/4SHIELD   18   TMDS DATA 0+
  4   TMDS DATA 4-   19   TMDS DATA 0/5SHIELD
  5   TMDS DATA 4+   20   TMDS DATA 5-
  6   DDC CLOCK   21   TMDS DATA 5+
  7   DDC DATA   22   TMDS CLOCK SHIELD
  8   ANALOG VERT.SYNC   23   TMDS CLOCK+
  9   TMDS DATA 1-   24   TMDS CLOCK-
  10   TMDS DATA 1+
  11   TMDS DATA 1/3SHIELD   C1   ANALOG RED
  12   TMDS DATA 3-   C2   ANALOG GREEN
  13   TMDS DATA 3+   C3   ANALOG BLUE
  14   +5V POWER   C4   ANALOG HORZ SYNC
  15   GND   C5   ANALOG GROUND
DVI-D连接器300或DVI-I连接器350对于双链路配置中的像素数据使用六条高带宽数据通道DATA 0-DATA 5，对于单链路配置中的像素数据使用三条数据通道DATA 0-DATA 2。数据通道DATA 0-DATA 5中的每一条都使用最小化传输差分信令(TMDS)将像素数据从源侧的连接器116传输到显示器侧的连接器118，并且对应于差分信号对DATA 0-/DATA 0+到DATA 5-/DATA 5+中的对应一对。另外，每对数据通道0/5、1/3或2/4具有相关的屏蔽。用来与数据通道同步的高频时钟信号类似地使用TMDS来传输，并且对应于具有相关屏蔽的差分信号对CLOCK+和CLCOK-。
DVI标准还为低频信号提供了显示数据通道(DDC)、DDC时钟和热插拔检测信号。DVI还提供了电源和地信号。
在图2的数字图形连接200中，有源电路216将多条高带宽电子数据通道(例如，对于单链路DVI连接是三条数据通道DATA 0-DATA 2，对于双链路DVI连接是六条数据通道DATA 0-DATA 5)和高频时钟信号(例如，TMDS时钟信号)转换为比特流。经由光纤212传输的光信号代表该比特流。有源电路218利用光信号来重构分离的数据通道和时钟信号。
图4的框图图示了有源电路216和218的具体实施例。在图示实施例中，有源电路216包括复用电路410、驱动电路420和激光二极管430或其他光源。取决于希望采用单链路还是双链路DVI连接，输入到复用电路410中的每个电子像素数据通道RED、GREEN和BLUE代表一条或两条对应的数据通道DATA 0-DATA 5。信号CLOCK对应于在DVI连接中使用的TMDS时钟信号，并且也被输入到复用器410中。在一个具体实现中，用于单链路DVI连接的复用电路410接收表1的信号DATA 0+、DATA 1+、DATA 2+和CLOCK+。
复用电路410中的输出选择的运行频率高于像素数据的比特率。例如，复用电路410的时钟频率可以是信号DATA 0+、DATA 1+或DATA2+的比特率的多倍(例如四倍)，从而使得复用电路410输出的比特流顺序地代表信号DATA 0+、DATA 1+、DATA 2+和CLOCK+的值。例如，在显示分辨率为1600×1200像素的UXGA显示尺寸的情况下，每个像素数据信号DATA 0+、DATA 1+或DATA 2+的比特率为1.6Gbps。如果三种(红色、绿色和蓝色)信号被组合，则像素数据的总比特率为4.8Gbps(即，1.6Gbps×3)，并且复用电路410的工作频率应当大于4.8GHz，以对所有的像素数据和时钟信号串行地编码。DVI连接的时钟信号CLOCK+的频率通常低于各个数据信号的比特率，从而使得对于每个像素数据比特的表示，可以多次重复时钟信号值。更一般地，复用电路410可使用任何希望的串行化像素数据和时钟信息的方法来创建高频比特流。
驱动器电路420驱动激光二极管430(一般是VCSEL或FP激光器)，以将来自复用电路410的比特流表示为单个光信号。由于双链路DVI的最大数据速率约为9.6Gbps，这在光通信网络中很容易达到，因此光信号可以容纳DVI连接的整个带宽。因而，驱动器420和激光器430可以是当前用在光计算机网络中的那些器件类型。类似地，接着使用公知的光耦合器可以将来自激光器430的光信号耦合到传统的光纤212中。例如，可以使用商业上可获得的产品，如吉比特以太网或10Gbit以太网产品来实现驱动器420、激光器430和关联的光耦合器。
光纤212将来自激光器430的光信号传送到线缆400的显示器侧上的有源电路218。光纤212可以是传统的多模或单模光纤，其具有诸如在光数据网络中通常采用的屏蔽层或保护层。
有源电路218接收来自光纤212的光信号，并将光信号转换为DVI连接所需的并行数据和时钟信号。为了执行这一功能，图4中所示的有源电路218的实施例包括光电二极管440、跨阻放大器(TIA)450、量化器(quantizer)460、时钟数据恢复电路470和解复用电路480。光电二极管440经由光耦合器(未示出)接收来自光纤212的光信号，并生成电信号。TIA 450和量化器460将来自光电二极管440的信号转换为具有对应于逻辑高和低状态的电压电平的二进制信号。
时钟数据恢复电路470分析来自量化器460的二进制信号以生成时钟信号。解复用电路480使用该时钟信号，该时钟信号的频率优选地与有源电路216的复用电路410中所用的频率相同。解复用电路480对来自量化器460的二进制信号取样，以生成并行信号RED、GREEN、BLUE和CLOCK，这些信号分别代表红色像素数据、绿色像素数据、蓝色像素数据和时钟信号。然后将信号RED、GREEN、BLUE和CLOCK转换为TMDS信号，以在DVI连接器的合适管脚上输出。
如上所述的单根光纤212可以将来自视频源120的所有高带宽信号传送到数字显示器130。用DVI标准实现的剩余信号要么可以被忽略，要么可以被提供。例如，在显示器侧，电压适配器可提供电源电压和地，以经由显示器侧的DVI连接器输出并用于有源电路218(有源电路216可使用经由视频源侧的DVI连接器提供的电源和地来运行)。显示数据信号和相关的DDS时钟通常在视频源和显示器之间往返发送，并且如果在显示器侧加上光发射器(未示出)，在视频源侧加上光接收器(未示出)，也可以在光缆212上传输。或者，显示数据信号和相关的DDS时钟信号是低频信号，其可以使用与光纤212平行的铜线(未示出)传输相当长的距离。类似地，热插拔检测信号要么可以被忽略、模拟、经由光纤212传输，要么可以经由伴随导线电传输。
尽管已参考具体实施例描述了本发明，但是该描述只是本发明应用的一个示例，并且不应当被认为是限制。对所公开实施例特征的各种改动和组合都落在由所附权利要求定义的本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种用于将视频源连接到数字显示器的***，包括：
将数字像素数据从多个并行电信号编码到串行光信号中的第一电路；
解码所述光信号并重建所述并行电信号的第二电路；以及
耦合来将来自所述第一电路的光信号传送到第二电路的光纤。
2.如权利要求1所述的***，其中：
所述第一电路被连接到第一数字视频接口连接器，所述第一电路通过所述第一数字视频接口连接器接收所述并行电信号；以及
所述第二电路被连接到第二数字视频接口连接器，所述第二电路通过所述第二数字视频接口连接器发送所述并行电信号。
3.如权利要求1所述的***，其中，所述多个并行电信号代表第一数据通道、第二数据通道和第三数据通道，并且每条数据通道都使用最小化传输差分信令来编码。
4.如权利要求3所述的***，其中，所述多个并行电信号还代表第四数据通道、第五数据通道和第六数据通道，并且所述第四、第五和第六数据通道中的每一条通道都使用最小化传输差分信令来编码。
5.如权利要求1所述的***，其中，所述第一电路还将时钟信号编码到所述光信号中，并且所述第二电路从所述光信号中恢复所述时钟信号。
6.如权利要求5所述的***，其中，所述电信号和所述时钟信号中的每一个都使用最小化传输差分信令来编码。
7.如权利要求1所述的***，其中，所述第一电路包括：
输入信号为所述并行电信号的复用电路；
耦合到所述复用电路的输出端的驱动器电路；以及
在所述驱动器电路的控制下，生成所述光信号的光源。
8.如权利要求1所述的***，其中，所述第二电路包括：
耦合来接收来自所述光纤的光信号的光电二极管；
连接来由从所述光电二极管输出的信号生成二进制信号的量化器；
连接来由所述二进制信号生成时钟信号的时钟恢复电路；以及
连接来接收来自所述时钟恢复电路的时钟信号和来自所述量化器的二进制信号的解复用电路，所述解复用电路具有多个用于重建的并行电信号的输出端口。
9.如权利要求1所述的***，其中，所述第一电路、所述第二电路和所述光纤被并入到数字视频接口线缆中。
10.如权利要求1所述的***，其中，所述并行电信号包括：
第一电信号，代表了指示像素的第一颜色分量值的第一比特流；
第二电信号，代表了指示所述像素的第二颜色分量值的第二比特流；以及
第三电信号，代表了指示所述像素的第三颜色分量值的第三比特流。
11.一种数字视频接口线缆，包括：
第一连接器；
第二连接器；
连接到所述第一连接器的第一电路，其中，所述第一电路运行来将通过所述第一连接器接收的多个最小化传输差分信令转换为光信号；
连接到所述第二连接器的第二电路，其中，所述第二电路运行来由所述光信号重建所述最小化传输差分信令，并经由所述第二连接器发送所述最小化传输差分信令；以及
耦合来将来自所述第一电路的光信号传送到所述第二电路的光纤。
12.如权利要求11所述的数字视频接口线缆，其中，所述最小化传输差分信令包括代表像素数据的并行通道的多个信号。
13.如权利要求12所述的数字视频接口线缆，其中，所述最小化传输差分信令还包括时钟信号。
14.一种用于将数字数据发送到数字显示器的方法，包括：
通过线缆的第一连接器接收多个并行电信号，所述多个并行电信号以数字形式表示像素的各个颜色分量；
利用集成在所述线缆中的第一电路将所述并行电信号转换为串行比特流；
经由光纤发送代表所述串行比特流的光信号，所述光纤在所述线缆中，并且将所述第一电路连接到集成在所述线缆中的第二电路；
利用第二电路从所述光信号中重建所述并行电信号；以及
通过所述线缆的第二连接器发送重建后的并行电信号。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一连接器包括数字视频接口连接器，并且所述并行电信号包括代表像素数据的多条并行数据通道的最小化传输差分信令。
16.如权利要求14所述的方法，还包括：
通过所述第一连接器接收时钟信号；
利用所述第一电路将所述时钟信号编码到所述比特流中；以及
利用所述第二电路从所述光信号中重建所述时钟信号。
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