以模擬電視系統(tǒng)介紹CRT顯示技術原理

1. 前言

CRT（Cathode Rays Tube，陰極射線管）是最原始的電子顯示技術，在上世紀被廣泛運用于模擬電視（Analog television）系統(tǒng)中。本文將以模擬電視系統(tǒng)為背景，介紹CRT顯示技術的原理、特性以及一些關鍵術語。

眾所周知，CRT顯示已經(jīng)逐步被數(shù)字顯示取代，已有退出歷史舞臺之勢，本文之所以介紹它，原因有三：

1）模擬電視是我們這一代人童年的記憶，美好又神秘?，F(xiàn)在回頭去看，發(fā)覺其中的技術是那么的簡單、有趣，值得一說。

2）幫助理解顯示時序（video mode，or display timings）。對寫過顯示驅動的人來說，顯示屏的那長長一串的時序相關的參數(shù)（xres, yres, hsync len, vsync len, left margin, etc.），足以讓自己崩潰。追根溯源，它們產生于CRT技術，現(xiàn)在之所以還存在，很大程度上是CRT的延續(xù)，沒有太多實質的意義。

3）現(xiàn)在很多前沿的顯示技術，如PDP、FED等，都和CRT的工作機制類似（具體可以參考“顯示技術介紹(2)_電子顯示的前世今生”中的介紹）。理解CRT是理解這些新技術的基礎。

2. CRT簡介

CRT顯示技術的本質是：

1）電子槍發(fā)射電子束，并在加速電場的作用下加速。

2）電子束轟擊熒光物質發(fā)光。發(fā)光的亮度取決于電子束的速度，即加速電場的強度。

3）加速電場的強度由輸入的視頻信號控制，因此可以還原視頻。

4）電子束可以產生直徑略小于1mm的光點，在偏轉系統(tǒng)的控制下，可以分時點亮屏幕上所有的區(qū)域，并利用人眼視覺暫留原理，產生一副完成的畫面（人眼看來）。

因此，CRT包含了電子束產生（電子槍）、加速系統(tǒng)、偏轉系統(tǒng)、涂有熒光物質的顯示屏等基本組件，它們組合在一起，再加一個管殼，就是常說的陰極射線管（CRT）。

3. 模擬電視系統(tǒng)簡介

模擬電視系統(tǒng)是一個包含視頻信號采集輸出、編碼、傳輸、解碼、還原顯示的系統(tǒng)，其框圖如下：

圖片1 模擬電視系統(tǒng)

模擬電視系統(tǒng)中的顯示終端（電視）基本上采用CRT顯示，因此也稱作CRT電視。一般情況下，CRT電視作為一個整體，包含了RF de-modulation、Analog decoding、CRT display三個部分。

4. 光電轉換和電光轉換

CRT是把電信號轉換為光信號的一種技術，但電信號是怎么來的呢？巧的很，也可以使用類似的技術，如下：

圖片2 光電&電光轉換

上圖描述了基于CRT的模擬電視系統(tǒng)的技術基礎：

電子束轟擊光電靶形成電回路，將光信號轉換為電信號，完成光電轉換；

加速后的電子束轟擊熒光物質發(fā)光，將電信號轉換回光信號，完成電光轉換。

光電轉換的目的是把圖像信號轉換為電信號，以便于傳輸、保存，轉換后的電信號就是電子顯示的源數(shù)據(jù)。上圖左邊部分介紹了基于陰極射線的光電轉換過程：

1）電子槍的陰極產生電子束，并打在一個導電的光電靶上。

2）光電靶通過一個電阻（RL）和電子槍的陽極連接，打在光電靶上的電子束流經(jīng)電阻回到電子槍的陽極，從而形成一個電回路。

3）光電靶本身也有電阻，且隨光線強度的改變而改變（可以看做光敏電阻）。因此在光電靶和RL之間會產生隨光線變化而變化的電壓輸出，就是視頻信號輸出。

光信號轉換為電信號后，經(jīng)過存儲、傳輸、轉換后，會以輸入信號的形式，控制CRT中加速電場的強度，進而控制熒光屏上熒光物質的發(fā)光強度，完成電光轉換（電子顯示）。

理解了上面光電轉換和電光轉換的過程之后，我們會產生如下疑問：

問題一：一個光電靶只能反映一個點的光線變化，但這顯然不夠，一個足夠大的平面上所有點的光線變化才是有意義的，要怎么做？

問題二：為什么一定需要電子束來形成電回路，一個簡單的導線不也可以達到目的嗎？

要回答上面兩個問題，我們要進一步理解電子掃描的原理。

5. 電子掃描

首先回答問題二，電子束當然不是必須的，現(xiàn)在普遍使用的數(shù)碼攝像、數(shù)字顯示等技術，都不需要電子束的參與，當然，它們不在本文的介紹范圍內，就不過多涉及了。因此，我們先分析基于電子束的場景。

對于問題一，怎么得到一個平面上多個點的光線變化呢？機智的工程師們想到了掃描（Scanning）。所謂的掃描，就是同一時刻只處理一個點，如果能夠在短時間內（足以欺騙人的眼睛的時間，如40ms）處理完所有的點，就萬事大吉了，如下圖所示：

圖片3 Raster scanning

上面圖片所描述的電子掃描（也稱作光柵掃描，Raster scanning[2]），在模擬電視系統(tǒng)中，既用于圖像的采集，也用于圖像的顯示?？梢赃@樣理解：

我們可以使用多個光電靶（假設是MxN個）組成一個平面，然后在電子束經(jīng)過的路徑上的水平和垂直方向分別加入合適的磁場，磁場的強度由一個由鋸齒波信號控制的線圈（偏轉線圈）決定，由于磁場會使電子束偏轉，因此就可以控制電子束以從左到右、從上到下的方式，分別打到每一個光電靶上。這個過程就叫做掃描。

掃描的結果，是將MxN個光電靶所代表的的光信號，分別轉換成電信號，并依次輸出。這樣的一個電信號序列，稱作一個圖像幀（Frame），接收端（CRT顯示器），按照同樣的規(guī)則，就可以將這樣的圖像幀還原顯示。

關于電子掃描，有很多重要的概念，會在顯示有關的驅動編寫中用到，下面結合上面圖片，一一解釋。

1）掃描線（Scan lines）和分辨率（Resolution）

對電子掃描而言（這里以圖像采集為例），一行中所有光電靶輸出的信號實際上是連續(xù)信號，這就意味著：

一行所包含的光電靶個數(shù)，對掃描（或者顯示）來說，是不重要的，它只影響光信號采集的精度，也即圖像的精細度。甚至，顯示端根本不關心采集端到底用了多少個光電靶采集信號（由于是模擬信號，它也無從得知）。這個特征決定在電子掃描的水平方向上，并沒有分辨率的概念，整個水平方向上的一行，稱作一個掃描線（Scan line）。

對模擬的CRT顯示來說，只需要根據(jù)顯示器的特性（水平方向有多長），將一行的模擬信號map過去即可。

當每一行掃描結束的時候，電子束需要在水平偏轉磁場和垂直偏轉磁場的偏轉作用下，回到下一行的起點（這個過程稱作回掃，下面會介紹），這中間不允許采集信號，因而每一個掃描線之間，是不連續(xù)的。也就是說，電子掃描在垂直方向上有分辨率的概念，即多少個掃描線（Scan lines）。

綜上所述，在電子掃描中，分辨率可以用Scan lines表示，例如576 lines。

2）回掃（Horizontal/Vertical retrace）

電子束從左向右掃描完一行后，需要在水平偏轉磁場的作用下快速移回到最左邊，并在垂直偏轉磁場的作用下，向下偏轉一個scan line，以便掃描下一行。同理，電子束從上向下掃描完一幀后，也需要在垂直偏轉磁場的作用下快速移回到最左邊。因此，水平和垂直兩個偏轉磁場，實際上是一個周期性的鋸齒波，如下：

圖片4 Scanning-pattern

斜率為正的上升期，稱作正掃描，電子束將會從左向右（或者從上向下）偏轉。斜率為負的下降期，稱作回掃（retrace），電子束將會從右向左（或者從下向上）偏轉。

由于回掃的過程中不能采集（或者輸出）信號，因此需要關閉電子束，稱作blank（Horizontal/Vertical balnk）。回掃結束后（回到了最左邊或者最右邊），需要重新打開電子束，稱作unblank。

注1：了解顯示驅動（如linux framebuffer）的同學，應該對blank/unblank不陌生，它們的來源正是此處。

3）前肩（front porch）和后肩（back porch）

由上面的描述可知，回掃開始的時候需要blank操作，即關閉電子束的發(fā)射。在模擬電子的世界里，關閉電子束的發(fā)射，其實就是將激發(fā)電子束發(fā)射的電壓從高電平降到一個較低的電平（接近零），但下降的過程是需要時間的（具體原因有多種，這里就不詳細分析了），因此：

在電平降到一個安全的值之前（電子束不再發(fā)射），不能開始回掃。

也就是說，有效的視頻信號必須要在回掃開始前結束（即上面圖片4中“t2”處），從有效視頻信號結束到回掃開始的那一段時間，稱作前肩（front porch），這一段時間也是blank操作所需的時間。

另外，回掃也是需要時間的（不用糾結原因，都是老歷史了），這一段時間可以用作同步信號。

同樣的道理，回掃完成后，unblank操作時，電平從接近零值上升到正常值（可以發(fā)射電子束，圖片4中的“t1”處）也需要一定的時間，稱作后肩（back porch）。在back porch的這一段時間內，視頻信號也是無效的。

綜上所述：視頻信號的有效范圍，是圖片4中t1到t2的范圍，一般稱作xres/yres；視頻信號的無效范圍，是圖片4中t2到t1的范圍，包括front porch、sync len和back porch（水平或者垂直方向上），一般稱作blanking interval（Horizontal/ Vertical blanking interval[3],[4]）。

4）同步信號（sync pulse）

由“圖片1 模擬電視系統(tǒng)”的描述可知，視頻信號在發(fā)送之前，需要經(jīng)過Analog encoding，而編碼的過程是不包括前后肩（front/back porch）信息的，因為前后肩的值和具體系統(tǒng)的電路有關，因而不應包含在傳輸系統(tǒng)中。

但是，從時間軸上看，視頻信號是不連續(xù)的，每一行的有效信號之后，會有一段horizontal blanking interval，每一幀的有效信號之后，會有一段vertical blanking interval。編碼器利用這些空隙時間，傳遞了一種特殊信號---同步信號（HSYNC和VSYNC，在模擬系統(tǒng)中，該信號以一個高于正常視頻電平的高電平脈沖），用于告知接收端每一行以及每一幀視頻信號的開始和結束。

6. 顯示時序（display timings）和視頻模式（videomode）

經(jīng)過上面章節(jié)的介紹，我們對CRT顯示技術有了一個基本的了解，并引出了前后肩、同步信號等概念，此時，我們可以回到linux kernel中，看幾個數(shù)據(jù)結構的定義：

  1: /* include/video/display_timing.h */

  2: 

  3: struct display_timing {

  4:         struct timing_entry pixelclock;

  5: 

  6:         struct timing_entry hactive;            /* hor. active video *

  7:         struct timing_entry hfront_porch;       /* hor. front porch */

  8:         struct timing_entry hback_porch;        /* hor. back porch */

  9:         struct timing_entry hsync_len;          /* hor. sync len */

 10: 

 11:         struct timing_entry vactive;            /* ver. active video *

 12:         struct timing_entry vfront_porch;       /* ver. front porch */

 13:         struct timing_entry vback_porch;        /* ver. back porch */

 14:         struct timing_entry vsync_len;          /* ver. sync len */

 15: 

 16:         enum display_flags flags;               /* display flags */

 17: };

hactive, hfront_porch, hback_porch, hsync_len/vactive, vfront_porch, vback_porch, vsync_len，是不是已經(jīng)不陌生了？

再看一下struct videmode和struct fb_videomode，以及l(fā)inux下的fbset命令（就不貼代碼了，具體可參考include/video/videomode.h、include/linux/fb.h以及Documentation/fb/framebuffer.txt），也都類似，不再難以理解了。

7. 總結

最后，本文對CRT以及模擬電視系統(tǒng)的介紹，只是九牛一毛，很多較為細節(jié)的內容，如幀率、隔行掃描（Interlaced scan）、編碼、顯示制式（PAL/NTSC）等等，都沒有涉及。有礙于篇幅和個人精力，就不一一介紹了，如有興趣，可參考本文后面的一些鏈接。

8. 參考文獻

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray_tube

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Raster_scan

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Horizontal_blanking_interval

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_blanking_interval

[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Analog_television#Structure_of_a_video_signal

[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Overscan