不過，在技術推陳出新的同時，廠商在產品開發過程亦會遇到不少技術驗證上的困難點，本篇文章將分享各傳輸技術的演進，並針對不同技術問題提出解析與建議。
DisplayPort技術演進與驗證困難點
數位影音介面DisplayPort(簡稱DP)是由影像電子標準協會(Video Electronics Standards Association, VESA)於2006年的時候所制定，其主要用於顯示器等裝置的連線。
該標準甫一推出，便立即受到Dell、HP、AMD，以及NVIDIA等全球知名廠商的青睞，在當年就有採用DisplayPort技術的產品推出，像是液晶螢幕、筆電，以及顯示卡等。
DisplayPort從1.1規格支援2K解析度以及聲音傳輸，到2009年發布的1.2規格，由原有的單通道頻寬2.7Gbps增加到5.4Gbps，解析度更達到4K60，另支援3D功能、High Bit Rate Audio以及單獨使用一個DP接口，即可同時驅動多台螢幕的多螢幕顯示功能(Multi Stream Transport, MST)(圖1)。
這也讓當時DisplayPort 1.2在跟HDMI 1.4規格作比較時較為勝出，因為當時HDMI 1.4只支援到4K30並且沒有類似MST功能，需要兩個HDMI發送接口以驅動兩個螢幕。
到了2016年底推出的DisplayPort 1.4世代，單通道的頻寬又提升到8.1Gbps，使得影像解析度向上支援到8K30(無顯示串流壓縮狀況下以4：2：2色彩取樣模式)，另新增了HDR功能以及顯示串流壓縮技術(Display Stream Compression, DSC)，DSC技術的壓縮比高達3：1，可在同頻寬條件下，以較好的4：4：4色彩取樣模式，支援較8K30更高的解析度以及更快的更新頻率。
DisplayPort Alt Mode可應用於Type-C介面
除了標準DP以及Mini-DP介面，DP技術亦可應用在USB Type-C介面(亦稱作USB-C)，也就是DP Alt Mode Over USB-C技術(圖2)，DP Alt Mode擁有多樣性傳輸模式，亦可同時傳遞DisplayPort高解析度影像訊號、USB資料以及高達100W的電力；除了USB-C to USB-C傳輸介面，USB-C to HDMI/VGA/DVI/DP轉接器亦可作為DP溝通管道。
在使用DP Alt Mode不傳送USB訊號狀況下，DP訊號是可以使用四個通道的；然若是在DP Data跟USB Data同時傳送狀況下，DP最多只能使用二個通道，所以會少掉二個通道頻寬。所幸VESA推出了DSC壓縮標準，這使得DP即使使用二個通道，還是可以傳輸8K30解析度的影像。
相容性議題急迫待解
基於USB-C通用性，終於使得IT產品以及行動裝置陸續採用DisplayPort over USB-C來做為影音傳輸介面，然而由於DP Alt Mode提供更大彈性以及更多功能的用途，相對應地產品在設計上也較為複雜，加上新舊技術需向下相容，產品與產品間因協定溝通不良等因素，容易造成產品互不相容、無法正常連接運作，最後導致用戶體驗不佳，嚴重影響自身品牌形象。
由於市場應用裝置類型眾多，採買各樣式裝置成本較高，常常讓開發單位陷入難題。目前不少廠商，都會尋求備有裝置資料庫的專業測試實驗室協助。以百佳泰實驗室為例，由於長期收集全球各主要市場的測試平台，因此能依據不同狀況，建議符合產品需求的相容性測試。無論是一網打盡、挑選市占率高的熱銷機種，達到市場上高度相容性信心水準的「Test to Pass」測試；亦或是針對重點問題，和相容性問題高的機種作全面性地配對、驗證測試發掘重要問題的「Test to Fail」測試，都不失為解決相容性問題的有效方案。
HDR表現力也待克服
除了DP相容性問題之外，高動態對比(High Dynamic Range, HDR)的表現力亦是另一個問題點。簡易而言，就是讓原本的影像及圖檔可以透過DP 1.4規格內的HDR封包，以及EDID定義的亮度(Luminance)，讓支援HDR功能的訊號傳送端(Source)跟和訊號接收端(Sink)能夠彼此溝通，進而忠實呈現最明亮與最深黯的位階之間的對比細節。
雖然說VESA協會於今年剛推出DisplayHDR認證服務，只有針對支援HDR面板產品檢測，並沒有對DP Source產品及USB-C to HDMI/DVI轉接器或線纜產品做測試。然而，現今的Sink產品都有搭載HDMI接口，也有愈來愈多的Source產品搭載USB Type-C接口。
因此，連接兩種接口產品的USB-C to HDMI線纜亦在市場上逐漸受到歡迎。由於DP 1.4和HDMI 2.0規格也有支援HDR功能，所以DP Source連接到HDMI Sink原則上是可以實現HDR功能的。
經由百佳泰實際測量支援HDR的USB-C to HDMI線纜，發現了二個有趣的現象。第一個是亮度(Luminance)，當HDMI HDR螢幕透過HDMI線纜連接一台HDMI HDR Source產品時，螢幕呈現的亮度可達到最佳規格600nits；然而若是連接到一台DP HDR Source產品，螢幕的亮度會明顯下降(圖3)，而下降的變化是人眼可以輕易分辨得出來。
另一個現象是色域(Color Gamut)表現的改變，Color Gamut關係到顯示器呈現物體色彩的表現，也是使用者能夠感覺到差異的地方。目前幾乎每一個關於面板顯示標準組織，都會制定相關測試規格及檢驗的項目(圖4)。
以圖4來說明，黑色線條的三角形是DCI-P3的規格要求，而虛線三角形是螢幕用光學設備所量出來的Color Gamut效能。虛線三角形跟黑色線條三角形的重疊面積愈高，表示顯示器的Color Gamut效能愈好(圖5)。
而經由實測USB-C to HDMI線纜，可以很清楚看到上圖的虛線三角形偏離DCI-P3規格定義的黑色線條三角形許多，代表顯示器的Color Gamut透過USB-C to HDMI線纜被改變了，意即無法在HDR顯示器可以呈現很好的色彩度(圖6)。
綜合上述問題，在啟動HDR功能後，螢幕卻達不到HDR Ecosystem應有的HDR表現力，是會造成使用者對購買的HDR產品產生不信任感。目前ITE半導體推出的HDR-Capable DP to HDMI 2.0 Converter IC(IT6564)，是第一個通過百佳泰實驗室推出的「DisplayPort Advanced Test Program」認證測試，即便透過轉接線傳輸，螢幕畫面依舊能夠呈現HDR應有的品質。
HDMI技術演進與驗證困難點
HDMI於2002年由各家電視業者共同推出，是為了和早期DVI介面相容的影音連接器發展而來。該影音介面可同時傳送影像及聲音訊號，現已成為家用消費性顯示器所採用的標準，例如透過筆電、PS4等將影像資料與家中電視機同步播放。
VESA於2016年底所推出DisplayPort 1.4標準，堪稱是當時最高規格的影音傳輸技術。而不讓VESA專美於前，HDMI協會(HDMI Licensing Administrator, Inc)也終於在2017年底的時候，發表了最新規格HDMI 2.1。
HDMI 2.1可支援多種高解析度及更快更新頻率(圖7)，採用了新的FRL(Fixed Rate Link)技術搭配16b18b編碼方式，使得原本HDMI 2.0的影像輸出規格從4K60提升至8K60。
在更新頻率上，因頻寬從原有HDMI 2.0的18G提升至48G，使得原有4K60的更新率變為4K120，等於足足提升了約兩倍速，在播放4K動態影像轉換將更加流暢，減少殘影現象。
再加上採用了VESA提出來的視訊串流壓縮格式(Display Stream Compression, DSC)，可以讓同頻寬條件下支援更高的解析度及更快的更新頻率，高達10K120(圖8)。
此外，HDMI 2.1也搭配了可變更新率(Variable Refresh Rate, VRR)讓來源裝置和顯示裝置更智慧地同步變換與調整更新頻率，來減少或是消除畫面延遲、停住等不正常的現象。快速畫面傳輸技術(Quick Frame Transport, QFT)是指來源裝置可以允許畫面與畫面之間(Frame)能夠更快速地切換以降低延遲現象，進而創造順暢無延遲的互動式虛擬遊戲實境。
為了讓消費者在切換不同多媒體內容時(例如從電影切換到運動賽事)，能夠體驗到前所未有的順暢感，快速媒體切換模式(Quick Media Switching, QMS)讓來源裝置在快速切換解析度或是更新率下，顯示裝置不至於有空白延遲或是任何顯示中斷。而自動低延遲模式(ALLM)是透過自動最佳的延遲設定來達到最佳的畫面表現力，實現流暢不間斷地影像播放。
在影像的細節上，從原本支援HDR格式的PQ10和HLG的靜態HDR(圖9)提升到動態HDR(圖10)，使得每一個場景、每一個Frame都能達到最佳景深、明亮、對比、色域等的參數的呈現，讓影像明暗之間呈現更豐富的細節。
在音頻上，eARC(Enhanced Audio Return Channel)是原有音頻回傳通道(ARC)的加強版。eARC不一定要靠CEC即能夠簡易連接，可以支援最新的音頻格式以及最高的音質，例如DTS Master、DTS:X、Dolby TrueHD、Dolby Atmos等。
為了達到最大傳輸頻寬48G，HDMI 2.1也在線纜(圖11)與連接器上，推出新規格使其支援未壓縮的HDMI 2.1功能，以及具有非常低的EMI輻射。綜觀所述，HDMI 2.1除了在解析度、更新率以及頻寬提高之外，同時也加強了影像細節、音頻與音質規格，而新增的影像規格也直接提升了使用者真實體驗感受，像是遊戲不能有Lag、畫格撕裂畫面，動畫及影片的觀賞也必須順暢、無停滯，VR也要能不間斷即時的互動，電視電影的媒體內容切換也需要迅速、無空白間斷。
不過，HDMI 2.1規格的產品上市時間被沒有這麼快，相關產品最快也要等到2019年之後才會在市場上出現，甚至得等到2020年才會慢慢開始普及。
目前產品大宗仍是HDMI 2.0以及HDMI 1.4，而為了確保HDMI產品能夠正確傳送收發影音以及控制訊號，目前HDMI 1.4及2.0皆有相對應的CTS(Compliance Test Suite)，廠商可以向HDMI LA授權的HDMI實驗室申請認證測試，以確保產品的影音傳輸品質。
HDMI測試數據分析結果
根據HDMI測試大數據分析，我們可以得知在整個HDMI Source測試過程當中，在電氣測試(Electrical Test)發生問題的機率占了66%；非電氣測試(Protocol、Video、Audio及其他類別)則占了34%。
至於在HDMI Sink方面，由於延伸顯示能力識別(Extended Display Identification Data, EDID)是儲存於Sink裝置的螢幕參數資料，因此特別多了EDID類別測試。
透過表1數據分析顯示，在HDMI 1.4測試方面，電氣(Electrical)問題占了49%，EDID則為20%，非電氣測試則為31%；HDMI 2.0則在電氣方面占了22%，EDID占了43%，非電氣測試占了35%。
廠商一般在工程驗證階段(Engineering Verification Testing, EVT)，會先找出硬體與機構規格是否有重大設計問題並加以修正。因此，在EVT階段建議進行電氣測試，針對各個pin腳量測電壓、電流、容抗、阻抗是否符合產品規格，提前發掘並修正硬體問題，以作為進入設計驗證階段(Design Verification Testing, DVT)版本依據。
在這邊舉一個常見的電氣測試問題，Sink裝置會因抖動容忍度(Jitter Tolerance)超過規範標準，而造成螢幕沒有畫面，或是畫面有雜訊螢幕閃爍等狀況，建議的解決方案除了晶片商透過軟體調整設定值(Equalizer Value)，另外可以要求廠商更改TMDS電阻。
此外，EDID同樣也是令廠商多加費心的測試項目。當一HDMI Source無法正確讀取Sink的EDID，會無法正確輸出解析度、xvYCC、YCbCr、RGB等訊號，故針對筆電類的產品，建議直接更換顯示卡的驅動程式版本或是v BIOS版本；而非筆電類產品則是建議直接更新韌體(Firmware)。
而若是HDMI Sink端因EDID宣告有誤，或是EDID格式有誤，會造成HDMI Source端無法正常辨識、讀取Sink端的EDID表格，而無法正常輸出訊號給Sink端。最常見的解決方案，是要設計更改EDID內容以及更新功能宣告表單(CDF)。
Thunderbolt技術演進與驗證困難點
Thunderbolt是Intel於2009發表的連接器標準，被當作電腦與其他裝置之間的橋樑。Thunderbolt結合了兩種通訊協定，包含作為資料傳輸的PCI Express，以及用在影像傳輸的DisplayPort，能夠完整相容現有的DisplayPort裝置。
Thunderbolt 1於2011年推出，雙向傳輸速度可高達到10Gbps速度，堪稱是當時最快的傳輸技術。Thunderbolt 2於兩年後推出，除了可支援20Gbps雙向傳輸，另可傳送4K解析度顯示器。
第一代及第二代的Thunderbolt使用的Mini DisplayPort介面，由於Thunderbolt成本昂貴，加上Mini Displayport的介面較為特殊，市場上僅蘋果產品或是極少數的Windows高階系統在使用，普及率較低。
Thunderbolt自2015年推出了第三代，重大規格改變開始使用USB Type-C介面，雙倍頻寬更支援到40Gbps，另具備Type-C最大供電100W功能，並支援USB 3.1(10Gbps)及3.1規格以下功能、HDMI 2.0和DisplayPort 1.2傳輸，同時也與USB Type-C端口相容，並能兼容Thunderbolt第一代及第二代產品。此外，由於Thunderbolt 3有著40Gbps的頻寬，因此一個Thunderbolt 3的端口即可透過Thunderbolt 3-Dual DP/HDMI Adapter產品來實現同時連接兩個4k顯示器的設置。
值得一提的是，Intel於2017年所新推出的Thunderbolt 3新一代晶片Titan Ridge，其DisplayPort部份可支援到DisplayPort 1.4規格，意味著若是Source端及Sink端皆使用Thunderbolt 3 Titan Ridge晶片，即可實現8K顯示的需求。
那麼，消費者該如何判別自身購買的USB Type-C產品是否搭載Thunderbolt呢?一般來說，USB Type-C接頭上標示一個閃電圖樣即代表Thunderbolt 3(圖12)，若USB傳輸速度支援至USB 3.1，就會在接頭上標示「SS」。
在測試方面，由於Thunderbolt 3高達40Gbps的傳輸速度容易造成高頻訊號衰減等問題，提高了產品的測試難度。另Thunderbolt 3採用USB Type-C介面而使得應用範圍更加廣泛多元，影像傳輸在不同裝置間與不同協定溝通上，同前述DP Alt Mode產品一樣，容易發生相容性問題，因此測試業者需具備豐富多元的裝置資料庫，以提供符合廠商需求的相容性測試，進而協助廠商發掘重要問題。
技術複雜度提升 解決方案需多元化
目前三種主流的影音傳輸技術最高規格分別為DP 1.4、 HDMI 2.1(CTS即將推出)及Thunderbolt 3，三種技術有各自發展的特色與願景。VESA除了大力推廣DP Alt Mode技術之外，今年更特別針對據HDR功能的面板推出DisplayHDR認證服務，而沒有含括在該認證的產品對象，譬如DP Source產品及USB-C to HDMI/DVI轉接器或線纜，則透過百佳泰推出的DisplayPort Advanced Test Program服務則能夠補強目前在HDR上的測試不足點。
HDMI 2.1規格算是近期的技術亮點，不過，HDMI現階段仍著重HDMI 1.4及HDMI 2.0的測試，因此建議廠商能夠在EVT階段先進行電氣測試，找出重大硬體問題，好作為進入DVT階段的依據。另外在HDMI Sink端的EDID問題看似簡單卻是層出不窮，這也是廠商須要特別注意的測試類別項目。
隨著DP Alt Mode、Thunderbolt利用USB Type-C等連線技術更加多元化，產品與產品間出現的相容性問題亦加深了不少產品驗證困難度，故產品在出貨前除了通過標準認證測試確保基本功能，另更可以透過相容性測試確保與市面上的機種可以相互運作。
總而言之，DisplayPort、HDMI、Thunderbolt等顯示技術已朝向高解析度、更快的更新頻率、高動態對比發展，為了確保產品符合規格及市場期待，測試業者也已準備好相對應的測試驗證方案，來替廠商做好品質把關。
(本文作者皆任職於百佳泰)
