#12/2006 • ЖЗИ

Константин БЫСТРУШКИН, Лариса СТЕПАНЕНКО

РАЗРЕШЕНИЕ С ПРОБЛЕМАМИ

МЫ НАСТОЛЬКО ПРИВЫКЛИ К ЧУДЕСАМ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ, ЧТО ПОЯВЛЕНИЕ ПЛОСКИХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПАНЕЛЕЙ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ ВОСПРИНЯЛИ КАК ДОЛЖНОЕ. А МЕЖДУ ТЕМ ПЕРЕХОД ОТ МОДЕЛЕЙ HD READY С МАТРИЦЕЙ 768 Х 1280 К FULL- HD С 1080 Х 1920 ПИКСЕЛЕЙ ЯВЛЯЕТСЯ НАСТОЯЩИМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОРЫВОМ, БЕЗ ВСЯКОГО ПРЕУВЕЛИЧЕНИЯ ОТКРЫВАЮЩИМ НОВЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ПЛОСКИХ ПАНЕЛЕЙ. ЧТОБЫ ПОНЯТЬ, НАСКОЛЬКО СЛОЖНЕЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ «ПОЛНЫЙ» HD-ДИСПЛЕЙ ПО СРАВНЕНИЮ С «ГОТОВЫМ К ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ», ДОСТАТОЧНО СКАЗАТЬ, ЧТО ПЕРВЫЙ ИМЕЕТ ВДВОЕ БОЛЬШЕЕ КОЛИЧЕСТВО ПИКСЕЛЕЙ!

Особенно трудно дался переход к full-HD производителям плазменных панелей, поскольку сам принцип действия ячеек накладывает весьма жесткие ограничения на их минимальный объем. Как известно, свечение люминофоров PDP происходит под воздействием ультрафиолетового излучения, возникающего во время высоковольтного электрического разряда в среде разреженного газа. Оптимальные условия для разряда получаются при вполне определенных размерах ячейки, и вот почему:

— с увеличением ячейки для пробоя плазмы требуется гораздо более высокое напряжение, что приводит к необходимости применять дорогие высоковольтные драйверы;

— с уменьшением ячейки резко снижается КПД преобразования энергии разряда в ультрафиолетовое излучение. Как следствие — снижение яркости и контрастности изображения.

Наиболее близкими к оптимальному размеру являются ячейки 42-дюймовых панелей стандартного разрешения 480 х 640 пикселей. Их технология изготовления сегодня хорошо отработана, поэтому панели с таким разрешением самые дешевые на рынке — порядка $2000. Создание плазменных дисплеев HD-Ready с диагональю 42 дюйма, но с разрешением 720 — 768 линий становится уже гораздо более сложной задачей, поскольку ячейку при этом приходится сильно уменьшать. Этим и объясняется более высокая цена экранов, «готовых к высокой четкости», которая в среднем составляет $3000 — 5000. Достичь же уровня full-HD с размерностью матрицы 1080 х 1920 при диагоналях 40 — 50 дюймов в рамках традиционных плазменных технологий на практике вообще невозможно. Попутно отметим, что у гигантских дисплеев с размером экрана 63 — 103 дюйма при увеличении числа пикселей экрана проблема уменьшения КПД преобразования энергии разряда в ультрафиолетовое излучение не возникает, и разрешения full-HD вполне реально достичь и при использовании традиционных технологий.

Работы по созданию PDP высокого разрешения начались в середине 90-х. Уже первые эксперименты показали, что за счет одного лишь масштабирования (т.е. пропорционального сокращения ячеек на стеклянной подложке) панель HDTV c диагональю 42 — 50 дюймов не сделать. Дело в том, что в соответствии с законом о переходе количественных изменений в качественные при уменьшении размеров плазменных ячеек возникают следующие, помимо отмеченных выше, проблемы:

— резко возрастают требования к оборудованию, формирующему микрорельеф для плазменных ячеек на стеклянной подложке PDP;

— в малом объеме гораздо сложнее добиться стабильности и управляемости разряда в плазме;

— удвоение числа пикселей требует гораздо более быстродействующих схем управления ячейками;

— увеличение скорости сканирования ячеек, в свою очередь, еще больше затрудняет управление процессом разряда.

Уже один только этот, далеко не полный перечень чисто технологических проблем объясняет, почему производители плазменных панелей столь долго не отвечали на вызов ЖК-конкурентов. LCD-телевизоры full-HD продаются уже около года, а первая 50-дюймовая плазма высокой четкости Pioneer PDP-5000EX появилась лишь нынешним летом.

На примере этой модели мы и покажем, к каким хитроумным технологическим изыскам пришлось прибегнуть производителям плазменных панелей нового поколения, чтобы получить разрешение HDTV. Эта информация была открыта совсем недавно в докладе разработчиков R&D Group PDP Development Center компании Pioneer на симпозиуме SID-2006 (Society for International Display) (www.sid.org).

МИКРОСКОП ДЛЯ 50 ДЮЙМОВ

Очевидно, что удвоение числа пикселей при той же диагонали экрана требует пропорционального уменьшения размеров ячеек по вертикали и горизонтали. В результате у 50-дюймового модуля размер пикселя получается всего 0,192 х 0,575 мм (для сравнения — у панели HD Ready той же диагонали 0,286 х 0,808 мм), при этом объем ячейки уменьшается на 53%!

Понятно, что формирование на поверхности стеклянной заготовки более 6 млн. изолированных друг от друга камер (напомним, что общее число ячеек первичных цветов втрое больше количества пикселей) столь микроскопического размера само по себе является сложной технологической задачей. Тем более со 100-процентной гарантией качества каждой из них, ведь на экране не должно быть ни одного мертвого пикселя! Если учесть, что в плазменных панелях Pioneer для повышения яркости используются ячейки увеличенной глубины (фирменная глубокая «вафельная» технология — Deep waffle rib structure), сложность ее решения возрастает в геометрической прогрессии. Наконец, чтобы частично компенсировать уменьшение внутреннего объема HDTV-ячейки, специалистам Pioneer пришлось дополнительно уменьшить толщину стенок на 15%.

Понятно, что на обычных заводах с оборудованием для производства HD Ready PDP даже новейшего 7-го поколения выпускать подобные видеомодули невозможно. Точно так же и в электронной промышленности — каждый раз при повышении степени интеграции микросхем (например, при уменьшении топологических норм с 0,25 до 0,18 мкм) приходится устанавливать совершенно новое оборудование. У производителей «плазмы» сейчас те же проблемы: для выпуска full-HD-панелей им необходима коренная реконструкция заводов. Поэтому-то PDP-5000EX пока изготавливаются только на одной технологической линии в Токио на опытном производстве, где возможно получение глубоких ячеек поистине микроскопических размеров. Кроме того, на заводе в Омори (подробнее см. www.salonav.com/arch/2006/06/006-014.html) на 40 % повышена точность нанесения люминофора и резко ужесточены технологические допуски на все элементы панели. В ходе модернизации производства в 2007 — 2008 гг. аналогичные линии будут смонтированы и на других заводах Pioneer. После этого компания планирует перейти от выпуска PDP 7-го поколения исключительно на модели full-HD.

Другим неизбежным следствием миниатюризации структуры экрана является уменьшение геометрических размеров электродов, между которыми происходит электрический разряд. Поскольку при этом через них проходит большой импульсный ток, для снижения потерь необходимо всемерно уменьшать сопротивление и электрическую емкость цепи. Для решения этих задач в последних поколениях плазмы Pioneer используются специальные Т-образные электроды из металлических сплавов повышенной проводимости. Тем не менее этого оказалось недостаточно, и для PDP-5000 EX был специально разработан новый сплав с экстремально высокой проводимостью.

СЕКУНДЫ ЯРКОСТИ

Перечисленные выше технологические проблемы, несмотря на их сложность, были только цветочками на тернистом пути к высокой четкости PDP. Ягодки посыпались одна за другой при попытке получить на экране реальную картинку. Вот тут-то и выяснилось, сколько сюрпризов может преподнести, казалось бы, хорошо отработанная в течение многих лет технология.

Во-первых, оказалось, что сразу же после окончания одного разряда немедленно добиться второго довольно проблематично, поскольку для накопления ионизированных молекул газа требуется определенное время. Это неприятное явление даже получило собственное название DLT (Discharge time lag) с численным измерением в микросекундах. Т.е. ситуация оказалась примерно та же, что и в LCD, но с временными показателями на три порядка лучше.

Во-вторых, если пауза между разрядами длится дольше определенного (и достаточно короткого) времени, зажигание ячейки также замедляется! Здесь, как и в предыдущем случае, DLT заметно растет, а яркость панели, соответственно, падает.

Как видим, маленькая плазменная ячейка оказалась гораздо капризнее своих более крупных предшественниц. При этом любое изменение в характеристиках электрического разряда, например, затягивание фронта или периода импульсов, неизбежно приводит к снижению эффективности преобразования электрической энергии в ультрафиолетовое излучение. А если учесть, что в малой ячейке и люминофора меньше, получение высокой яркости в дисплеях full-HD становится крайне проблематичным.

Инженеры Pioneer решили эту задачу чрезвычайно элегантно, поместив в каждую ячейку Deep waffle со стороны фронтальной панели дополнительный слой вещества с малой энергией выхода электронов (технология CEL — Crystal Emissive layer). Благодаря этому удалось радикально — в три и более раз — уменьшить время разряда и регенерации газа до вторичной вспышки. В результате резко повысилась интенсивность ультрафиолетового излучения и, как следствие, яркость свечения панели при одновременном снижении энергопотребления. Впервые технология CEL была с успехом применена в панели Pioneer шестого поколения PDP-506XDE, и она внесла весомый вклад в достижение высокого качества картинки. А совсем недавно благодаря CEL в модели PDP-5000EX удалось добиться рекордных для плазменной панели full-HD яркости и контрастности — 1000 кд/м2 и 3000:1 соответственно.

И ШИНЫ НАШИ БЫСТРЫ

Как видим, задача производства собственно видеомодуля PDP высокой четкости сегодня успешно решена. Однако для создания дисплея full-HD это необходимое, но не достаточное условие. Для панелей высокого разрешения (это относится и к LCD) требуется и соответствующая электронная начинка, способная обрабатывать видеосигнал и управлять ячейками экрана в режиме реального времени.

Чего стоит только одна задача масштабирования растра входных сигналов под физическое разрешение экрана! Мало того, что преобразование должно выполняться «на лету», при этом необходимо исключить потери информации и сохранить натуральность движения объектов без каких-либо побочных эффектов, например, прерывистости или появления зазубрин на наклонных линиях. Процесс это очень сложный, чтобы описывать его нюансы в журнале, поэтому остановимся на главном — высокоскоростных цифровых шинах обмена данными между узлами HDTV-дисплея. Ведь без них никакой высокой четкости не получится. Суть проблемы в том, что при переходе от стандартного разрешения 480i к 1080р необходимо в 2 — 4 раза ускорить обработку данных в видеопроцессорах. Соответственно, потребуются и более быстрые шины (интерфейсы) для обмена данными.

До недавнего времени в моделях HD Ready и full-HD с поддержкой формата 1080i использовалось 24-битовое представление сигнала (3 цвета х 8 бит каждый) и сравнительно медленные интерфейсы. Но сегодня 8-разрядный тракт выглядит явным анахронизмом, особенно если учесть, что в DVD-проигрывателях давно используются 12-ти и 14-разрядные видеоЦАПы. В новых моделях LCD и PDP при 10 и 12 битах глубина цвета составляет, соответственно, 30 и 36 бит, однако для обмена данными между блоками и в этих дисплеях зачастую используются медленные цифровые шины.

Такое положение дел до недавнего времени в немалой степени объяснялось отсутствием доступных по цене контроллеров для 30-ти и 36-разрядных шин. Однако сегодня жизнь изменилась к лучшему, поскольку разработчики получили сразу несколько чипсетов, поддерживающих режим full-HD от входа дисплея до экранного модуля.

Если заглянуть внутрь любого современного HDTV-дисплея, можно увидеть, что ядром блока обработки сигналов является мощный DSP, производящий все преобразования и коррекции видеосигнала. Связь процессора с внешними цифровыми источниками видеопрограмм осуществляется, естественно, тоже по цифре — через интерфейс HDMI. Аналоговые же сигналы предварительно конвертируются в цифровой вид с помощью быстродействующего АЦП. Обработанные процессором данные на дисплейный HDTV видеомодуль передаются по быстрой внутренней шине.

Физически цифровые видеоинтерфейсы выполняются в виде приемника (дисплей) и передатчика (источник сигнала) в дифференциальном включении. Массово выпускаемые чипы поддерживают скорость лишь в 1,8 Гбит/с, при этом возможно передать сигналы трех первичных цветов с разрешением всего в 7 разрядов при частоте тактирования 85 МГц. Если такие чипы еще худо-бедно работают в дисплеях HD Ready (хотя картинка выглядит гораздо лучше при восьми разрядах), то для HDTV они категорически не подходят, даже при 1080i. Принимая во внимание то, что этот формат с нынешнего года считается устаревшим, ведущие производители в своих новых моделях панелях все активнее внедряют поддержку прогрессивного формата 1080p. А для этого требуется увеличить скорость передачи данных по цифровым шинам как минимум до 4,5 Гбит/с.

Подобные чипы уже серийно выпускаются, например, компания Silicon Image Inc. анонсировала комплект интерфейсных СБИС из передатчика и приемника, обеспечивающих передачу данных на скоростях до 5,4 Гбит/с, при этом поддерживается глубина представления цветов в 48 бит! (что соответствует 16-разрядному представлению для каждого из видеосигналов RGB).

Таким образом, доступная уже сегодня элементная база для цифровых интерфейсов имеет изрядный запас производительности в расчете на дальнейшее развитие дисплейных технологий. А это значит, что после создания новых поколений PDP и LCD-видеомодулей c 12 — 15-битовым трактом на рынке могут появиться еще более совершенные дисплеи HDTV 1080p с поистине выдающимся качеством изображения.

***

Как видите, создать дисплеи, полностью отвечающие спецификациям HDTV, было совсем не просто. Но судя по экспозициям ведущих компаний на «IFA-2006» (см. репортаж в прошлом номере), многочисленные трудности были успешно преодолены, благодаря чему во многих странах возникают реальные предпосылки для окончательного перехода на HDTV-вещание. Нам же остается уповать на скорое появление проигрывателей Blu-ray и HD-DVD вкупе с соответствующим контентом. l

Посетители «IFA-2006» уверенно отличали разницу между HD Ready и Full HD на испытательных таблицах.