[转帖]VGA信号传输中的数值分析作者刘力

jack.hu · 发表于 2005-12-15 20:39:48

编者按：多媒体显示控制工程中，在系统方案设计、数据分析、材料和设备选型时，经常会遇到许多实际的问题，尤其是新技术应用，新应用领域的扩展需要引进新的理念。为此，本刊特邀业内资深人士对这类问题进行介绍点评，旨在介绍新技术、新观念，解决工程中常见的技术问题，提供一个可供切磋的互动平台，形成一个学术性、技术性的论坛。 VGA信号根据不同的分辨率和场频（刷新频率），其像素的点时钟不同或者说折合的模拟宽带不同，如下表：Resolution Refresh Rate Horizontal Frequency Pixel Frequency 640×480 60Hz 31.5 kHz 25.175 MHz 72 Hz 37.9 kHz 31.500 MHz 75 Hz 37.5 kHz 31.500 MHz 85 Hz 43.3 kHz 36.000 MHz 800×600 56 Hz 35.1 kHz 36.000 MHz 60Hz 37.9 kHz 40.000 MHz 72 Hz 48.1 kHz 50.000 MHz 75 Hz 46.9 kHz 49.500 MHz 85 Hz 53.7 kHz 56.250 MHz 1024×768 43Hz Interlaced 35.5 kHz 44.900 MHz 60 Hz 48.4 kHz 65.000 MHz 70 Hz 56.5 kHz 75.000 MHz 75 Hz 60.0 kHz 78.750 MHz 85 Hz 68.7 kHz 94.500 MHz 1280×1024 60 Hz 64.0 kHz 108.000 MHz 75 Hz 80.0 kHz 135.000 MHz 85 Hz 91.1 kHz 157.500 MHz 1600×1200 60 Hz 75.0 kHz 162.000 MHz 65 Hz 81.3 kHz 175.500 MHz 70 Hz 87.5 kHz 189.000 MHz 75 Hz 93.8 kHz 202.500 MHz 80 Hz 106.3kHz 229.500 MHz 根据理论分析，方波是由1、3、5……等奇次谐波组成，如果能保证3次谐波通过，可保留其信息量的80%左右，如果保证5次谐波通过，可报留其信息量的90%以上。一般而言，在折算模拟宽带时至少应保证3次谐波通过。另外，根据奈奎斯特采样原理，在A/D和D/A过程中，最大模拟带宽为采样率的1/2，因此由点（像素）时钟折算带宽时，考虑到D/A的过程，计算公式为：点时钟×3/2（如果要保证5次谐波则为点时钟×5/2），例：1024×768×70，带宽为100MHZ左右，1280×1024×60，带宽为150MHZ左右，1600×1280，带宽为240MHZ左右，在系统分析设计中首先要考虑的是信号的带宽。 VGA信号由于带宽较宽（或者说频谱较宽），在传输过程中会表现出两种特性，第一，幅频特性，第二群延时特性，两种特性对图像质量影响的表现不同，解决的方式也不相同。一．幅频特性：简言之，就是传输过程中不同频率分量与幅度的关系，如下图：上图是电缆的典型传输曲线，可以看出，频率越高，衰减就越大，即高频分量损失越多，通常定义幅度衰减3db时的频率为带宽，其中db=20lg幅度比或10lg功率比，3db意味着幅度比为0.707，功率比为1/2。传输系统中不仅只有电缆，如分配，切换，转换等过程都是传输过程，但一般这些过程都会有相应指标保障（仅幅频特性而言），传输的瓶颈主要在线缆方面。一般比较典型的电缆的幅频特性，如下表：SYV-75-2 SYV-75-3 SYV-75-5 RG59 RG60 20 dB 16 dB 10 dB 8 dB 0.8 dB 以上参数为100米/100MHZ时的参数。许多电缆的标称指标较高，但实际使用时效果很差，估计是指标参数不准确，故不可过于相信厂家（尤其是非正规厂家）的指标。SYV标准的电缆在拖尾等方面不如RG标准的电缆，在选型时可参考，以RG59电缆为例，下表是一组典型的参数：电容延时直流电阻等效阻抗 50PF/m 4ns/m 0.02Ω/m 75Ω±5% 仅就幅频特性而言，1024×768×70的信号，要保证3db的带宽，用RG59的电缆，不加其他补偿措施的传输距离仅在30—40米左右，高分辨率的图像传输距离会更短。有一种较实际的估算方法评估图像质量：3db带宽为图像质量的理论值，工程实际中6db衰减时是可以认可的，9db衰减是能容忍的，再大就无法容忍了，这在数值分析时是一组可参考的数据。二．群延时特性：理论上讲，不同的频率分量在同一介质中传输时，到达的时间不同。这是由于传输系统的分布参数引起的。形象地说，一个胖子和一个瘦子跑百米，不出意外的话，瘦子会先跑到。且不说VGA信号中频率分量很多，就单一波形而言，基波与多次谐波到达的时间就不同，这将造成波形的后延性失真，在图像表现上为“拖尾”。这在工程中很常见，比如有一色块，在其后有由深到浅的虚图像。线缆越细，距离越长，表现越明显。要解决传输问题，不仅要解决幅频特性的问题，也要解决群延特性的问题，长线驱动器就因此而生，就幅频特性而言，要解决的问题如下图：就幅频特性而言，以利国的长线驱动为例，补偿后可达到150MHZ/100米；而针对群延时特性而言，就要对分布参数作出预校整（预失真），消除拖尾现象，长线驱动时根据线缆的参数和传输距离，分档进行不同的补偿调整，如8级或16级调整。值得说明的是，补偿是针对已破坏的图像而言，可使其看起来在亮度、模糊和拖尾等方面没有明显的缺陷，但比原装信号还是要差一些的。在系统设计时，首先要搞清楚信号的分辨率，最长的传输距离，才好决定使用什么线缆及选用何种设备，何种接口，一般而言，以1024×768分辨率为例，可进行如下选择：（仅供参考）距离（米） < 20 < 50 < 100 < 200 < 300 方案 3+2或3+4 RG59RG6VMay

jack.hu · 发表于 2005-12-15 20:46:49

作者小传：刘力，高级工程师，毕业于清华大学无线电系，后进入中国科学院自动化研究所工作，曾参加国家重点科技项目的研发，1989年参与创办北京利国电子公司至今，任副总工程师、副总经理，所领导的项目曾获北京市科技进步一等奖，并收入中国科技成果大全，任“慧聪网”广电行业顾问，广电部“有线电视杂志”编委，北京科技实业家协会常务理事，常有专业技术文章发表，在广电、显控行业颇有影响。

jack.hu · 发表于 2005-12-15 21:05:59

资料来自[URL=.gif>http://www.infoavchina.com[/URL.gif>;

eie1992 · 发表于 2005-12-18 07:24:05

VGA信号传输中的数值分析作者刘力谢谢jack.hu的[专帖.gif>。只是因本人知识有限，看不太懂，希望得到指点：1）VGA信号到底是数字信号还是模拟信号？2）文中提到“例：1024×768×70，带宽为100MHZ左右，1280×1024×60，带宽为150MHZ左右，1600×1280，带宽为240MHZ左右，在系统分析设计中首先要考虑的是信号的带宽。”——这些“带宽”都是从0频率起算的吗？如1024×768×70，带宽为100MHZ左右——是指0-100MHZ的带宽概念，还是别的什么概念？3）文中提到[COLOR=red]：[有一种较实际的估算方法评估图像质量：3db带宽为图像质量的理论值，工程实际中6db衰减时是可以认可的，9db衰减是能容忍的，再大就无法容忍了，这在数值分析时是一组可参考的数据。.gif>[/COLOR]——这个估算方法评估图像质量的方法，很新颖，能不能提供有关进一步的分析和解释资料或文章，以便学习。谢谢。

lqq · 发表于 2005-12-19 17:22:51

VGA信号是模拟信号！！但是它是由数字信号转化过来的！！进入显示器后将再次转化为数字信号。VGA显示器上面都标示有带宽多少。。。。。。eie前辈就不要再次发招了，这个论坛现在都没有人来讲普通的视频传输了，难道把我们做VGA的视频传输的也赶跑？？

于洪 · 发表于 2005-12-19 17:51:28

呵呵，LQQ朋友不要过于敏感。尺有所短，寸有所长。EIE先生虽然是专家，也不是所有都擅长，作为交流是完全可以的嘛。老先生也没有说用同轴来取代VGA，是不是呀。其实以前论坛里争论过很多次这样那样的话题。其实仔细看一下，EIE先生也并没有反对其它传输方式（这和VGA没有关系），只是希望厂家能够客观地以数据方式来论述传输，我以前也一直申明自己的观点——不反对或支持哪种传输方式，关键是以谨慎的态度针对实际需求选择合适的传输方式和产品。

lqq · 发表于 2005-12-19 18:43:06

于洪大侠好久不见！这段时间论坛人气很淡，我想说几句体外的话：争论是看的人过瘾，争的人伤心，建议大家和气“讨论”。我不懂技术，但是我知道技术不是用来说和写的，它的表现是在产品上面。如果我有独特技术，至少暂时我不会暴露，这是一个涉及小企业生死存亡的问题。所以我不赞同对别人的具体技术过于穷根究底。技术暴露越多，仿制就越多，这是国情！！如果论坛有个产品评估部分就好了，他要吹，就拿个样品来评估下具体效果再公布结果。我敬佩各位前辈的技术水平和严谨的作风，但是还是考虑行业发展，企业发展和论坛的发展，不要过多争论！对于论坛来说：争论短期内可以提升人气，但是凡是争论总会伤害一部分人的自尊（不只是发起帖子的某一个人），这对论坛是绝对不利的。如果你们有人数浏览统计的话，每次争论论坛都会有高峰人流量，但是我相信，争论结束后，会有个相当的低谷。另外：我觉得版主在争论里面加入是不太好的，无论对错与否！无论是否对版主有意见、漫骂等。也许你认为自己是非常公正的了，但是那也是你自己的认为！它并不等价于他人的感受！我感觉这个论坛气氛以指责、讽刺等语气为多，不知道以后会不会有所变化！

于洪 · 发表于 2005-12-19 18:59:28

感谢LQQ朋友对论坛的关心和忠告。对于你说的现象的确存在，从个人角度说也不希望出现类似攻击、漫骂之类的“争论”，尽最大努力维护论坛正常的技术气氛，当然也希望广大网友监督。对于你说的斑竹尽量不要加入争论的提议是好的，我个人以后会认真听取你这个意见。其实你可以看到在以前很多争论中，我和笑总是很少参与的。我个人参与的宗旨是要出来抵制沽名钓誉的伪科学，因为有些人的作为你可能还不是很了解，他到底想干什么，想把论坛搞成什么样子，这些你也许真的不了解。可以容忍技术上的科学争论，但不能忍受误人子弟的行为。最后，再次感谢你的回帖，这些话绝对不是题外话，谢谢。

jack.hu · 发表于 2005-12-19 19:14:56

EIE老师，您好上面的文章是我转贴的，感觉不错，就拿来了，真高兴能得到您的提问，呵呵，大家说到争论，真是搞大了。我入行不久，大家一起学习蛮好，您的提问又促使我去寻找了更多的东西。我找到的东西，见下面1）VGA信号到底是数字信号还是模拟信号？VGA，即Video Graphics Array （视频图形阵列),接口是D-Sub15接口，是把（显存内的）数字格式存储的图像( 帧) 信号经RAMDAC转换好的模拟信号输出到CRT或者LCD显示器中。所以VGA信号是模拟信号。注：RAMDAC是数/模转换器2、这些“带宽”都是从0频率起算的吗？上面文章中所说的“带宽”应是“视频带宽”，视频带宽是相对于音频带宽而言的，传送系统图像电磁信号的最低频率与最高频率之间的频率范围，这个范围叫频带，频带的宽度就叫“视频带宽”，简称“带宽”。

lqq · 发表于 2005-12-19 19:51:41

在数字传输方面，也常用带宽来衡量传输数据的能力。用它来表示单位时间内传输数据容量的大小，表示吞吐数据的能力。以下引用：什么是带宽？认清这个扑朔迷离的世界在各类电子设备和元器件中，我们都可以接触到带宽的概念，例如我们熟知的显示器的带宽、内存的带宽、总线的带宽和网络的带宽等等；对这些设备而言，带宽是一个非常重要的指标。不过容易让人迷惑的是，在显示器中它的单位是MHz，这是一个频率的概念；而在总线和内存中的单位则是GB/s，相当于数据传输率的概念；而在通讯领域，带宽的描述单位又变成了MHz、GHz……这两种不同单位的带宽表达的是同一个内涵么？二者存在哪些方面的联系呢？本文就带你走入精彩的带宽世界。一、带宽的两种概念　　如果从电子电路角度出发，带宽（Bandwidth）本意指的是电子电路中存在一个固有通频带，这个概念或许比较抽象，我们有必要作进一步解释。大家都知道，各类复杂的电子电路无一例外都存在电感、电容或相当功能的储能元件，即使没有采用现成的电感线圈或电容，导线自身就是一个电感，而导线与导线之间、导线与地之间便可以组成电容——这就是通常所说的杂散电容或分布电容；不管是哪种类型的电容、电感，都会对信号起着阻滞作用从而消耗信号能量，严重的话会影响信号品质。这种效应与交流电信号的频率成正比关系，当频率高到一定程度、令信号难以保持稳定时，整个电子电路自然就无法正常工作。为此，电子学上就提出了“带宽”的概念，它指的是电路可以保持稳定工作的频率范围。而属于该体系的有显示器带宽、通讯/网络中的带宽等等。　　而第二种带宽的概念大家也许会更熟悉，它所指的其实是数据传输率，譬如内存带宽、总线带宽、网络带宽等等，都是以“字节/秒”为单位。我们不清楚从什么时候起这些数据传输率的概念被称为“带宽”，但因业界与公众都接受了这种说法，代表数据传输率的带宽概念非常流行，尽管它与电子电路中“带宽”的本意相差很远。。。。。。。。显示器中的带宽　　以上我们所说的“带宽”指的都是速度概念，但对CRT显示器来说，它所指的带宽则是频率概念、属于电路范畴，更符合“带宽”本来的含义。　　要了解显示器带宽的真正含义，必须简单介绍一下CRT显示器的工作原理——由灯丝、阴极、控制栅组成的电子枪，向外发射电子流，这些电子流被拥有高电压的加速器加速后获得很高的速度，接着这些高速电子流经过透镜聚焦成极细的电子束打在屏幕的荧光粉层上，而被电子束击中的地方就会产生一个光点；光点的位置由偏转线圈产生的磁场控制，而通过控制电子束的强弱和通断状态就可以在屏幕上形成不同颜色、不同灰度的光点——在某一个特定的时刻，整个屏幕上其实只有一个点可以被电子束击中并发光。为了实现满屏幕显示，这些电子束必须从左到右、从上到下一个一个象素点进行扫描，若要完成800×600分辨率的画面显示，电子枪必须完成800×600=480000个点的顺序扫描。由于荧光粉受到电子束击打后发光的时间很短，电子束在扫描完一个屏幕后必须立刻再从头开始——这个过程其实十分短暂，在一秒钟时间电子束往往都能完成超过85个完整画面的扫描、屏幕画面更新85次，人眼无法感知到如此小的时间差异会“误以为”屏幕处于始终发亮的状态。而每秒钟屏幕画面刷新的次数就叫场频，或称为屏幕的垂直扫描频率、以Hz（赫兹）为单位，也就是我们俗称的“刷新率”。以800×600分辨率、85Hz刷新率计算，电子枪在一秒钟至少要扫描800×600×85=40800000个点的显示；如果将分辨率提高到1024×768，将刷新率提高到100Hz，电子枪要扫描的点数将大幅提高。　　按照业界公认的计算方法，显示器带宽指的就是显示器的电子枪在一秒钟内可扫描的最高点数总和，它等于“水平分辨率×垂直分辨率×场频（画面刷新次数）”，单位为MHz(兆赫)；由于显像管电子束的扫描过程是非线性的，为避免信号在扫描边缘出现衰减影响效果、保证图像的清晰度，总是将边缘扫描部分忽略掉，但在电路中它们依然是存在的。因此，我们在计算显示器带宽的时候还应该除一个取值为0.6~0.8 的“有效扫描系数”，故得出带宽计算公式如下：“带宽＝水平像素（行数）×垂直像素（列数）×场频（刷新频率）÷扫描系数”。扫描系数一般取为0.744。例如，要获得分辨率1024×768、刷新率85Hz的画面，所需要的带宽应该等于：1024×768×85÷0.744，结果大约是90MHz。　　不过，这个定义并不符合带宽的原意，称之为“像素扫描频率”似乎更为贴切。带宽的最初概念确实也是电路中的问题——简单点说就是：在“带宽”这个频率宽度之内，放大器可以处于良好的工作状态，如果超出带宽范围，信号会很快出现衰减失真现象。从本质上说，显示器的带宽描述的也是控制电路的频率范围，带宽高低直接决定显示器所能达到的性能等级。由于前文描述的“像素扫描频率”与控制电路的“带宽”基本是成正比关系，显示器厂商就干脆把它当作显示器的“带宽”——这种做法当然没有什么错，只是容易让人产生认识上的误区。当然，从用户的角度考虑没必要追究这么多，毕竟以“像素扫描频率”作为“带宽”是很合乎人们习惯的，大家可方便

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