首页 > 工程资料 > VGA的极限分辨率在哪里?从原理角度深挖模拟信号与数字信号的差别

VGA的极限分辨率在哪里?从原理角度深挖模拟信号与数字信号的差别

时间:2023-4-27    作者:bokewo    分类: 工程资料


这是一个比较经典的问题——VGA支持的最大分辨率是多少?

有人说是2048*1536,但我感觉不太对劲,因为我的显示器的VGA口支持最高也就是1080P,当然不排除显示器厂商“偷工减料”。

在这个问题之前,首先要了解一下,VGA的原理是什么。

电脑硬件知识入门,D-Sub(VGA的正式名字)传输的是模拟信号。

这就牵扯到模拟信号和数字型号的恩恩怨怨了。

经典的显示传输理论,离不开一个词汇——扫描。所以我们从扫描切入。

模拟信号和传统的CRT(“大屁股”)显示器是天造地设的一对。

首先要了解CRT的工作原理:电子枪负责发射电子,电子的发射剂量由加在电子枪上的信号控制,偏转线圈控制电子发射到屏幕前的位置。剩下的基本上都是高中物理知识了,这里不再赘述。

我要说的就是高中物理没有讲过的。

假如扫描是从左上角开始,在偏转线圈的控制下,电子束对准屏幕左上角,根据显示的内容不同,电子枪(如果是彩色显示器,那就是3个电子枪,RGB)发射不同的电子,如果是显示红色,那就把红色电子枪供电加满,电子束射中左上角的红色荧光粉区域,这个像素就红了。

当然这不是结束,在千万分之一秒的时间之内,要控制第二个像素了,原理还是如上,只不过偏转线圈稍微控制一下磁场,让电子束在洛伦兹力的作用下转而射中第二个像素的位置。

当第一行像素被点亮后,该扫描下一行了,这个时候需要给偏转线圈一个信号,我们称之为“行信号”,让它去控制电子束去扫描第二行。

第二行也是如此,扫描到这一行的最后,接收行信号后,扫描第三行。

直到扫描完屏幕的最后一行,到了“右下角”,这个时候一帧画面已经显示完成,这个时候显示器的偏转线圈不仅要接收行信号,还要接收将电子束复位到左上角的“场信号”。

然后就是扫描第2帧,经过无数次重复,你的CRT显示器就能正常地工作了。

因为视觉暂留效应,虽然每个像素只亮了不到千万分之一秒,但是我们看到的图像依然是连续的。

然后我们回到VGA接口。

VGA接口的核心是5对信号线——红绿蓝行场(RGBHV)。

行和场上文已经介绍过了,就是给显示器“换行”和“翻页”的信号。

其中RGB信号控制的就是三杆电子枪,就是那个一通电就会射电子的东西,通电的电压越高,发射的电子越多,射到屏幕上就越亮,而RGB可以表示几乎所有的可见光颜色,这个时候只要控制三杆枪通电的比例,就能表现出各种颜色。

RGB信号,是模拟信号,模拟信号给人的印象大多是正弦波。然而视频信号却不是这个样子,完美的视频信号其实应该更接近于方波。

但它还是模拟信号啊!只不过是方波而已,或者说,像是哪个没脑子的人设计的“楼梯”。

以红色R为例,假如现在显示的内容十分“喜庆”,全是红的,红色拉到满的那种,那样的话,R信号就一直保持最高状态就可以了。

但是不会有人天天看这种“血腥”的东西的,所以RGB信号还是需要变化的,那它变化的最小单位是多少呢?

当然,计算一下应该就都懂了。

假如显示器的分辨率是1920*1080,逐行扫描,刷新率60Hz(也就是说每秒钟60场)。

(控制行信号可以控制显示的纵向分辨率,每场n行代表纵向分辨率为n,控制场信号则可以控制刷新率,每秒x场代表刷新率为x Hz。)

这样的话,每秒钟就需要扫描1920108060个像素,=124 416 000,≈124.4MHz。

但别忘了,劳资是模拟信号,所以这124.4MHz的信息量是很大的。

刚才我们似乎忽视了一个数据——色彩的深度,简称色深,也就是说能够显示多少级灰阶的颜色,乘在一起就是能够显示多少种颜色。

当下最常见的色深是每像素8-bit,2的8次方就是256,256256256(因为是RGB三基色)就是约1678万,也就是说每个像素点的子像素(也就是单个的R/G/B)要有256级的亮度控制,如果用模拟信号的话,直接用256级的电压来控制就好了。

所以,你能理解为什么视频模拟信号在理想状态下是方波了吧?显示器的像素点无非就是“电压表”,信号给的高一点电压,像素点就亮一点,电压不是连续变化的,而是被分成了256级。

刚才说到一个数据,那就是124.4MHz,指的是1080P 60Hz下R/G/B信号的频宽(其实叫带宽更顺嘴),这个数字很高吗?似乎并不高,因为你可以拿它和数字信号进行一下对比。

数字信号是什么?

数字信号,无非就是对模拟信号的一个量化后传输。典型的案例就是HDMI,现在我们先不考虑HDMI的编码、音频等功能,我们就只讨论它对模拟信号的纯粹量化。

HDMI有3对主要的差分信号传输线,分别负责R/G/B,我们还是以R为例。

假如屏幕左上角的那个像素点需要将红色拉满,它在模拟型号中就是R的电压为255,我们把这个255记录下来。

但数字信号只有0和1,所以255要被记录成8位二进制数,也就是11111111。

这样就可以传输了,而且只要不出数据错误,输入端和输出端可以毫无差别,因为传输256级的电压信号是很容易出现谬误的,而传输0和1,只要不五感尽失,肯定不会出错。

但是代价就来了,原本传输一个像素只需要1单位时间,传输256级电压的一种就可以,现在则要将这1单位的时间分成8份,传输频率至少翻了8倍!1080P 60Hz 8-bit下传输频率就已经接近1GHz了。

这就是为什么人类是从模拟发展到数字的一大原因,因为干同样的活,模拟控制器只需要数字控制器的1/8的频率就可以了,只有到了半导体技术发展到可以轻松承载GHz级别的数据传输频率时,数字信号传输才会发展。

那你会说,数字信号真的就那么依赖半导体技术吗?

回答很简单——你应该听说过电报吧?电报就是非常典型和原始的数字型号传输媒介,只不过这种傻了吧唧的玩意儿是拿人类来进行模数转换的……但是,打电话可能会出现歧义,电报是绝对不会的(前提是电报员是正常工作的)。

但模拟信号虽然看似传输压力低,但有致命的缺点——低保真。

还是那个256级电压理论,模拟传输发出的255的信号,但谁也不能保证传输的线是0阻抗的(超导体当导线?至少没人会做这种傻事吧,大材小用了),可能发射的是255,接收端就只能理解为254、甚至是253乃至更低。这就像你做试卷,别人做了一张卷子的十分之一,但做的全对,得了10分(100满分),而你全做完了,结果全军覆没,每道题的结果都差了个1,最终0分!模拟信号只能给你模拟的体验,要想高保真,数字传输不可少!毕竟现在的数字传输是可以做到“满分”的。

干扰也是模拟信号面临的一大问题,我们生活的环境是十分复杂的,各种电磁干扰防不胜防,而模拟信号对付电磁干扰的唯一做法就是“屏蔽”,给线缆包上越来越厚的屏蔽层,但依然不能保证0干扰。电磁波干扰,磁生电,结果信号的波形就变了,对于模拟信号来说就是致命的,无论采取什么手段,在模拟信号上也消除不了干扰带来的失真。

数字信号就不同了,本身数字信号传输就对电磁干扰有一定的抵抗力(因为信号简单),数字信号还有更先进的解决方法——差分信号,利用电磁干扰加在两根线上的幅度相同的原理,靠电压差来实现0和1的传输,极难被干扰。现在大多数高速数字接口都是差分的,例如USB、HDMI、DP、SATA、PCIe等等。

数字信号还有终极大杀器——光纤传输,No干扰,开挂一样的存在,模拟传输想都不敢想。

所以可以理解,为什么现在都要求数字化了吧?因为数字信号可以尽可能地还原真实情况,而模拟信号嘛,以人类的科技来看,模拟信号永远都无法还原真实,所以说它才叫“模拟”。

又回到最初的问题,VGA的极限在哪里?

虽然理论上模拟信号对传输带宽的要求要远低于数字信号,但事实就是,数字信号的DP2.0都支持16K分辨率绝壁高清传输了,“真”HDMI2.1也做到了8k 60Hz,VGA还是1080P都做不好,它最适合的分辨率还真就是VGA(VGA分辨率指640*480分辨率)。

VGA信号说是方波,那只是最理想的状态下,实际上,干扰、传输等因素都会受到影响,导致波形发生变化,而分辨率越高,对扫描的精度要求就越高,同时也对失真的信号就越敏感,连续几个像素点的信号受影响的话,那就是一糊一大块,这就是模拟信号的VGA提高分辨率比较困难的原因,也就是高分辨率的VGA传输时图像边界发虚的原因。

所以,不仔细盯着屏幕看的话,1080P应该是接近极限了,再高的话还是上数字接口吧,你要做的不是挖掘VGA的潜力,而是换一根靠谱的线缆(和一块靠谱的显卡)。

其实更高的分辨率也不是不可以,只不过质量的下降会令人难以接受。

还记得上文我说过什么吗?CRT和VGA是天造地设的一对,那液晶屏呢?
因为CRT显示器是靠扫描来显示的,所以以时间轴方式传输的VGA是很合适的,RGB用来控制电子枪,biu biu biu嘛,一帧就是将所有的像素都扫一遍嘛。但液晶屏则完全不同,液晶屏的所有像素都是可以同时发生偏转的,也就是说,传统的VGA的那种扫描模式已经不适合液晶屏了,而脱胎于VGA的HDMI也是需要扫描的(部分HDMI显示器、电视高延迟可能就是这个原因导致的),所以——计算机显示的未来属于Displayport!
(话说荆轲又把世界地图当燕国的地图给秦王看了……)

最后是一个“课后”问题——1080P 60Hz下,行信号和场信号的频率分别是多少?

答案是:行信号为1080*60=64 800Hz,场信号为60Hz,你猜对了吗?

转自https://www.bilibili.com/read/cv18939127
作者:SasugaSetsuna

正文完

推荐阅读:

本文最后更新于2023-4-27,已超过1年没有更新,如果文章内容或图片资源失效,请留言反馈,站长会及时处理,谢谢!

分享到:


请遵守《全国人大常委会关于维护互联网安全的决定》及中华人民共和国有关法律法规

工程资料 VGA的极限分辨率在哪里?从原理角度深挖模拟信号与数字信号的差别
这是一个比较经典的问题——VGA支持的最大分辨率是多少?有人说是2048*1536,但我感觉不太对劲,因为我的显示器的VGA口支持最高也就是1080P,当然...
扫描二维码阅读原文
前尘影事 www.bokewo.com
生成社交图 ×