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強勢來襲的數位潮流:你不可不知的 DAC(下)—《音響入門誌》

PanSci_96
・2016/09/28 ・3573字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

文/珊迪、林彥君

編按:在上篇文章中,介紹了我們現在從電腦播放的音樂,需要經過類比訊號轉換成數位訊號的過程,將聲音以數位方式儲存下來,當我們要聽的時候再重新轉換成類比音源。這中間的轉換需要透過 DAC(數位類比轉換器)來幫忙。接下來這篇將介紹我們生活中運用到的 DAC,你知道其實電腦中的音效卡就屬於其中一種 DAC 嗎?

傳送訊號的橋樑:數位傳輸介面

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圖/Foundry @ Pixabay

在撰寫知識家之前,也曾經以為只要耳機連接喇叭或電腦就可以直接聽音樂,後來才曉得,原來多媒體喇叭都有內建擴大機來放大訊號、電腦則有音效卡(也就是 DAC)處理數位訊源,才能如此方便地播放音樂。

不過,因為非專業的電腦音效卡有一定的限制,講究音質的聆聽者常利用外接式 DAC 獲得更高品質的音樂。外接式 DAC 無論在解碼晶片、電源供應、類比放大等方面,製作和設計都比一般內建音效卡更加講究,是提升電腦音樂播放的利器。在操作上,不論是從電腦或 CD 播放器將數位訊號輸出至 DAC,均需透過「數位傳輸介面」傳輸,常見的有以下幾種:S / PDIF、USB、Firewire、AES / EBU、HDMI、乙太網路線等,其中又以「S / PDIF」及「USB」在家用音響界最為普遍,以下將簡單介紹這兩種介面的應用。

長距離傳輸 機器 vs. 機器

「S / PDIF」,全名為 Sony / Philips Digital Interconnect Format,是 Sony 和 Philips 這兩大製造業巨頭在 80 年代為家用器材所制定出來的數位訊號傳輸介面,主要應用於 CD 播放器。同軸與光纖(如下圖)所傳輸的信號都是「S / PDIF」格式,是相同種類的數位資料,只是使用的接頭形式不同而已。

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而「USB」介面則是由 Intel 與 Microsoft 於 90 年代倡導發起,其開發的最初目的並不是用來傳輸數位音樂,主要應用於電腦。發表初期普及度遠不如 S / PDIF,因此早期的 DAC 多配備「S / PDIF」介面。然而近幾年,幾乎每台電腦、智慧型手機都配有 USB 介面,隨著這些電子裝置的盛行,USB 的普及度也大幅提升,甚至超越 S / PDIF 介面。再加上網路及音樂播放軟體的發達,只要透過電腦便可輕鬆聆聽自己喜愛的音樂,電腦、手機等裝置逐漸取代實體 CD,成為主流的聆聽方式。

以 USB 作為傳輸介面的「USB DAC」也乘著這股風潮一躍而起,透過電腦已有的插槽取代內建的音效設備,輕鬆提升聆賞品質。

短距離傳輸 晶片vs. 晶片

前述提及的 S / PDIF 與 USB 都是屬於「機器」與「機器」之間的數位訊號傳輸介面,適用於長距離的傳輸,但 S / PDIF 與 USB 格式的訊號均無法直接傳送到 DAC 晶片,必須先把訊號轉換成 DAC 晶片看得懂的「I²S(Inter-IC Sound)」格式,才有辦法做數位與類比的轉換。

「I²S」是「晶片」與「晶片」之間傳輸數位訊號的介面標準,適用於短距離的傳輸。因此,一台 DAC 中除了有 DAC 晶片以外,還必須有對應的 S / PDIF 接收晶片或 USB 接收晶片,將訊號轉換成 I²S 後,再傳輸至 DAC 晶片做處理(如下圖)。

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點擊看大圖。圖/音響入門誌提供。

USB 接收晶片的品質好壞對訊號音質影響很大,價差可差至百倍,一個好的 USB 接收晶片是音質優異的 USB DAC 的基礎。

同步與非同步

不論是「機器」或「晶片」間的資料傳輸,發送端與接收端都必須要協調彼此間的步伐,接收與發送速度的一致性,是「資料能否如實傳遞」的關鍵。讓兩端同步發送與接收最簡單的解決方式,就是發送端把資料(Data)與時脈(Clock)同時傳給接收端,告知接收端發送的頻率是多少,接收端即依照此時脈的頻率接收資料。如剛剛圖片所示,S / PDIF 會將 Clock 編碼進 Data 裡一起傳送,I²S 則可同時分別傳送 Clock 與 Data,這兩者都稱為「同步模式」。

而 USB 介面當初設計時只能單獨傳輸 Data,無法同步傳輸 Clock,因此發送端與接收端須有各自的 Clock,兩端各依照自己的 Clock 工作,稱為「非同步模式」。試想,USB DAC(接收端)與電腦(發送端)要如何在各自有自己的 Clock 的情形下一起工作,而不會步伐不一致出現錯誤呢?

以下進一步來了解 USB DAC 的傳輸模式。

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傳送資料,默契很重要:USB DAC 的三種傳輸模式

想像棒球場上,投手與捕手之間要培養默契,傳遞訊號就像是投手(發送端,電腦)與捕手(接收端,USB DAC)之間的丟接球,為了維持兩者之間的工作順暢,USBAudio 與電腦間協定出三種傳輸模式:自由傳輸模式(Synchronous)、改良的自由傳輸模式(Self Adaptive)與迴授式傳輸模式(Asynchronous)。

這三種模式,也常被稱為同步模式、自適應模式非同步模式,但在此所指的同步、非同步與上一段提及的同步模式(同時傳送 Data 與 Clock)是完全不一樣的東西,為了避免混淆,以下以全名稱之,並詳細說明這三種模式的差異。

自由傳輸模式(Synchronous)

此模式就像投手與捕手矇住眼睛、耳朵,並在投捕手之間架一座供球傳輸的軌道,雙方約定好開始的時間點以及傳、接球的速率,各自根據自己的時鐘默數節奏,依照「默契」傳球。這種模式的設計最為簡單,但如果兩者的時鐘快慢不一致,一段時間之後,便可能產生傳的太快導致漏接、或是因為傳的太慢而發生撲空的問題。對於音質要求不高的USB 喇叭,所使用的便是此類模式的產品。

傳1

改良的自由傳輸模式(Self Adaptive)

各項條件與自由傳輸模式相同,不同的是換了個會自動調整接球頻率的捕手。投手依然遵照約定,按照自己默數的節奏丟球;但捕手在接球時多了點訣竅,如果漏接了球,便隨時微調自己的接球頻率。然而,捕手並不是每次都可以猜中投手的投球節奏,不停調整接球頻率的結果,有時反而會弄巧成拙。

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迴授式傳輸模式(Asynchronous)

此模式也稱為「非同步傳輸」。投手、捕手依舊矇著眼,但不同的是投手張了耳、捕手開了口。捕手一邊接球、一邊
開口數拍子;投手聽到捕手唸的拍子,修正自己的節奏再投球出去。理論上這是最好的方式,如果還能給捕手再配個名錶( 優質的振盪器、甚至是原子鐘),正是我們所期待的正確傳輸資料、低失真的理想狀態。

投捕2

電腦扮演的角色就像投手,在迴授式傳輸模式下,不但要尋找一個會開口數拍子的捕手(USB DAC),也要確定自己的電腦聽得懂拍子。然而,並非每台電腦的作業系統都會聽拍子,此時只能仰賴工程師在軟體上另闢出路,自行開發DAC 專屬的驅動程式,協助您打開投手的耳朵。由於作業系統版本眾多,與其他應用程式間的相容性也是一大問題,「迴授式傳輸模式(Asynchronous)」產品架構複雜,軟體開發成本高,因此多使用於高階的產品。

USB DAC 的優點與限制

USB DAC 作為時下最流行的數位類比轉換器,自然有它的道理,除了幾乎每台電腦與手機皆有配備 USB 介面以外,有別於其他傳輸介面,USB 介面不僅可以傳輸訊號,本身還帶有電源供應匯流排,攜帶式的 USB DAC 不需外接電源供應器,可由電腦主機直接供電,小巧輕便易攜帶。此外,USB 的高傳輸頻寬可輕鬆傳輸母帶規格的高解析音樂檔案,滿足發燒友的需求。

儘管 USB DAC 使用極為便利,想利用「USB DAC」得到 Hi-end 品質的音響效果,仍是一條辛苦的道路,這點需要回頭討論電腦的整體作業系統問題。現代人使用電腦時,常「多工」處理諸多事項,一邊播放高解析度音樂,一邊玩線上遊戲,社群軟體又不時地發出「叮咚」的提示音,多重音源卻只有一個聲音輸出通道,勢必要對三個不同取樣率的音源進行「混音」的工作。

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點擊看大圖。圖/音響入門誌提供

由於不同取樣率的音源無法直接混音,想在電腦上作「混音處理」,就必須對不同的音源做取樣率轉換(SRC, sampling rate conversion)。SRC 在音樂的編輯後製中經常可見,不過一般的電腦作業系統著重在資料運算能力,而非發燒友所追求音質至上的音頻處理,使用一般作業系統的 SRC,勢必會影響音質。此外,自動電平/音量匹配(automatic level matching)也會影響音頻訊號的處理,必須使用專用的音頻播放軟體及專屬驅動程式解決此問題,由於內容複雜,不在此贅述。

該如何改善電腦播放品質呢?

由以上的多方分析可知,若選擇以電腦作為訊源,想要追求更好的聆聽品質,就必須在電腦的軟硬體系統多下點功夫。有些講究音質的人會另組播放音樂專用的電腦,從避震處理、雜訊隔離到線材、電源、作業系統等都仔細琢磨,降低每一個環節的干擾,追求更高品質的享受。

然而,並不是每個人都是電腦工程師,可同時精通電腦的軟硬體系統,現在市面上已有販售專門播放數位音訊的電腦,稱為「音樂伺服器」,不過其成本高昂,售價非一般人負擔得起。如果不是電腦高手,又不想花大錢,其實買一部普通的電腦專門用來聽音樂也不失為一種解決辦法。只要簡化一下電腦的功能,再外接優質的 USB DAC,一樣可以花小錢享受聽音樂的樂趣。


Vol3

本文摘自《音響入門誌》vol. 3:DAC 篇。

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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多功能又超便利USB Type-C顯示器,看似完美其實潛藏風險?
宜特科技_96
・2023/07/28 ・3713字 ・閱讀時間約 7 分鐘

一個人正在同時使用雙螢幕連接筆電跟桌機
圖/宜特科技

可傳輸、可充電,且高清畫面的 USB Type-C 顯示器,你了解多少呢?如此多功能,幾乎可取代主機的 USB Type-C 顯示器,卻隱藏了五個潛在風險!

本文轉載自宜特小學堂〈別讓相容性成為產品的絆腳石 如何解決USB Type-C顯示器雙功能支援問題〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

2022年底,歐盟議會正式拍板定案,強制在2024年秋季前,在歐盟銷售的手機、平板、數位相機等消費性電子產品,都必須統一使用 USB Type-C 充電介面,降低電子垃圾產量。

歐盟執行委員Margrethe Vestager拿著各種規格的線材
歐盟通過2024年底充電器將統一 Type-C 規格,圖為歐盟執行委員。圖/Margrethe Vestager推特

消息一出,市場目光紛紛轉向獨立規格的蘋果,更有傳言,今年九月登場的蘋果旗艦手機 iPhone 15 系列,也終將改為 USB Type-C,正式跟 Lightning 說再見。

其實不只是手機,近年來在消費性電子產品, USB Type-C 早已是主流規格。無論是系統端、筆記型電腦、儲存裝置、顯示器等,各種 3C 周邊產品,都可看到 USB Type-C 介面的蹤跡。

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一台蘋果的平版跟Lightning、USB TYPE-C 接頭
USB Type-C 將取代 Lightning 接頭。圖/宜特科技

為什麼 USB Type-C 如此受到歡迎?它的最大優勢,就是可以將檔案傳輸、影像輸出及充電功能全部集合在同一條連接線中,並提供高達 100W 的充電電流!也不像早期一種產品就需要一種規格的線,光 USB 這個介面,就讓消費者常常被混淆不清到底是用了哪一種規格的 USB 線材。

因應市場趨勢,許多顯示器大廠也將顯示器不拘限於單一功能,而是開發出集多功能於一身的機種。例如:結合了 USB Hub (USB集線器)功能與網路功能,可替消費者節省另外購買USB Hub等周邊產品的費用,也增加了桌面使用空間。於是,顯示器是否具備多功能,也逐漸成為使用者選購的指標之一。

那你的螢幕有 USB Hub 功能嗎?若螢幕不再只是螢幕,對生活有多少改變嗎?

一、 再也不必彎腰找主機插槽,從螢幕就能輕鬆傳輸資料

如同前面所述,當螢幕顯示器不再只有基礎的顯示功能,新增的 USB Hub 端搭配 Type-C 介面,更能幫助使用者將眾多裝置集結在一台裝置中。

例如:儲存裝置,如外接硬碟及小型隨身碟、外接鍵盤、滑鼠等,或是其它不需再外接電源的 USB 相關設備,都可以一併接到螢幕的 USB Hub ,再也不必再彎腰找主機的 USB 插槽,還擔心電線亂糟糟。

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USB TYPE-C螢幕顯示器可以連接的裝置示意圖
螢幕不僅有顯示功能,後端的 USB Hub 搭配 Type-C 介面,讓使用者輕鬆連結許多裝置。圖/宜特科技

甚至,已經有推出可支援網路介面的顯示器!讓使用者在電腦主機沒有網路介面的情況下,可以透過顯示器使用有線網路,讓自己無論是處在有線或無線的網域時,都能夠方便的使用網路,真是太方便了。

二、 USB Type-C 顯示器支援雙功能,高速傳輸還是高清畫質,由你來決定

擁有 USB Hub 的顯示器,還有一個更厲害的功能,就是使用者可在高速傳輸和高解析度這兩項功能中,自行切換優先權。

基於 USB Type-C 介面在顯示部分中,依循的規範是 VESA(Video Electronics Standard Association, 視訊電子標準協會)DisplayPort 規範中的 Display 替代模式(DisplayPort Alt Mode)。

而將 DP 技術應用在 USB Type-C 介面中,被稱為 DisplayPort Alt Mode Over Type-C 技術。 DisplayPort Alt Mode 擁有多樣性傳輸模式,即可同時傳遞高解析度影像、USB 檔案傳輸及充電功能。

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品牌廠在開發商品時,為了製造更便利於消費者的功能,便在設計上賦予 USB Type-C 使用者自行選擇「顯示解析度」或「資料讀取速度」這兩方面的優先權 (USB Prioritization Function)。

VESA 是什麼單位?什麼又是 Lane?
VESA 是「視訊電子標準協會」英文全名 Video Electronics Standards Association的縮寫,該協會制定了許多關於視訊及顯示周邊產品功能的安裝標準、測試規範、標準測試認證等等,它們為 PC、工作站和消費電子行業制定行業範圍的接口標準,展現產品有獲得 VESA 的認證,對於廠商來說是品質的肯定。

那什麼是「Lane」?
DisplayPort 這個介面,跟 HDMI 之類的顯示介面不同,它分成四個通道(Lane)來發送訊號。依據使用者的視頻產品設定,決定頻寬的使用量,看會需使用到兩個通道或四個通道的頻寬,也就會稱為 2 Lane 或 4 Lane 。
而當DP技術應用在 USB Type-C 介面中,就是把 DisplayPort 的顯示頻寬與 USB Type-C 的 USB 頻寬,都必須包含在 4Lane 頻寬內去使用。

看起來可能有點抽象,我們依循 VESA Display Port 規範,實際舉例兩種使用情境來說明:

(一) 降低解析度,提高傳輸速度,使用 DisplayPort 2 Lane 頻寬:High Data Speed

第一種,使用 2 Lane 頻寬,僅用原本顯示頻寬的一半,來處理顯示的解析度及畫面構成,並將 USB 資料傳輸頻寬,調整至 USB 3.0 的速度來使用。

例如:為提高 USB 資料的傳輸速度至 USB 3.0 ,來達到高速傳輸的效果,更改使用設定為: 將原可支援到 4K 解析度更新率為 60fps (3840×2160@60Hz)的螢幕,調降成顯示解析度至 4K 解析度更新率為 30fps(3840×2160@60Hz)或是 2K(2560×1440)的解析度。

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(二) 支援高解析度最佳畫質,降低資料傳輸頻寬使用 DisplayPort 4 Lane 頻寬:High Resolution

第二種,使用 4 Lane 頻寬,讓支援到 4K(3840×2160@60Hz)更新率的高解析度螢幕,可優先使用最佳畫質來顯示。由於 USB Type-C 的頻寬是固定的,資料傳輸就會降到 USB 2.0 的速度。

三、方便之餘,潛在的風險知多少?

這類的產品設計上,對於使用者來說,真是一項智慧及便利的功能。但其實,在設計及開發的過程中,要完美兼具顯示及 USB 資料傳輸功能,卻不是一件容易的事。

為了確認產品品質,廠商需要讓顯示器做相容性測試(Compatibility Test),而宜特訊號測試實驗室,從累積了上千筆的實驗數據中,分享五項最常見的疑難雜症:

(一) 畫面全黑,突然從螢幕中看到了自己
在螢幕相容性上最常出現的問題,就是顯示器因無法正常接送訊號,而呈現出畫面全黑的狀況,也就是所謂的黑屏,造成使用者無法正常看到電腦畫面。
然而,這只是常見問題之一。

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一個男人的螢幕呈現黑屏
顯示器因相容性問題造成的黑屏狀況。圖/宜特科技

(二) 畫面出現雜訊,不是你眼花是它真的有問題
另一種在相容性上很常出現的問題,顯示器會出現零點幾秒鐘,甚至長達一至兩分鐘的雜訊畫面,干擾了使用者正常使用電腦的狀況。

一個女子的螢幕顯示器畫面出現雜訊問題
因相容性問題導致螢幕出現雜訊。圖/宜特科技

(三) 電腦主機莫名重新啟動,導致使用者資料通通消失
相容性中有一個很深奧的問題,就是 USB 速度上的切換,會使得電腦主機無端地自動重新啟動,導致使用者正在使用的資料,均無法被儲存,工作中的任何內容,都有被抹滅的風險。

(四) 資料存取速度慢,說好的 USB 3.0 高速傳輸呢?
資料傳輸速度應該提高至 USB 3.0 的裝置,卻仍舊停留在 USB 2.0 的速度。如何確認產品達到 USB 3.0 宣稱的 Super Speed ? 我們可藉由檢查 USB 速度的軟體工具,來確認其 USB 速率模式是否只有 High Speed ,而非宣稱的 USB 3.0 Super Speed。

(五) 資料無法被讀取
USB 設備無法被電腦讀取或使用,此點比例稍低於前面幾項。當此問題發生時,通常 USB Hub 還能運作,只是對於某些品牌的 USB 設備相容性較差,導致該設備無法在螢幕 USB Hub 上正常運作。而發生問題的設備也較廣泛,常見的包含 USB 隨身碟、視訊攝影機、滑鼠鍵盤等等。

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五大常見的螢幕相容性問題比例圓餅圖
透過宜特訊號測試實驗室的資料庫,上述問題發生的比例。圖/宜特科技

上述五項問題中,「黑屏」(Black Screen)與「雜訊」(Corruption),算是比較嚴重且常見的相容性問題,深切影響使用者對於該產品,乃至整個品牌的信任度。按圖四來看,在螢幕 USB Hub 問題中,此兩種加起來所占的比率將近50%之多,不可不重視。

近年,各大品牌廠力推的整合型產品,對於消費者來說,增加了更多的便利性,能搭配的周邊設備種類也是千變萬化。但隨之而來的,即是各類設備的相容性問題浮上檯面,那要廠商該如何確保產品品質呢?

宜特訊號測試實驗室,除了可提供 USB/DisplayPort/HDMI/VESA DisplayHDR 等多項標準測試及官方認證服務外,針對各式各樣不同的客戶產品功能,能客製化制定相容性的測試項目,並依循著使用者角度,設計出專業詳細的測試步驟,找出產品與其周邊設備相容性的問題點,協助客戶解決棘手問題,更能為品牌客戶的 USB Type-C 及其他各類產品的相容性嚴格把關。

本文出自 宜特科技

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快閃記憶體的原理:我們常用的 USB 記憶體與記憶卡——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/22 ・3591字 ・閱讀時間約 7 分鐘

快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源,記憶內容也不會消失,屬於非揮發性記憶體,且與 DRAM 的隨機存取類似,可讀取、擦除、寫入內容。不過,快閃記憶體的動作較慢,無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

快閃記憶體的結構。圖/東販

圖 4-11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間,有個不與任一方相連的懸浮閘極。

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這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時,因為周圍是由氧化膜(SiO2)構成的絕緣體,所以電荷(電子)不會跑到其他地方。即使切斷電源,記憶體內的資訊也不會消失,為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時,儲存的是「0」;無電荷時,儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子,來記錄或保存資訊。

資訊的寫入與消除。圖/東販

圖 4-12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V,並對控制閘極施加正電壓。

於是,Si 基板內的電子就會穿過氧化膜,於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議,不過氧化膜相當薄,厚度只有約數 nm,所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

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因此,Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時,懸浮閘極不會蓄積電子,所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊,也就是消除懸浮電極蓄積的電子時,需讓控制電極電壓為 0V,並對源極、汲極、基板施加正電壓,如圖 4-12(b) 所示。這麼一來,懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜,移動到電壓較高的基板一側。於是,原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

讀取已記錄的資訊。圖/東販

另一方面,當我們想要讀取資訊時,只要在控制電極施加一定的正電壓,便可透過從源極流向汲極的電流,讀取儲存單元內的資訊(圖 4-13)。

若懸浮閘極內有蓄積電子(「0」的狀態),這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓,使電流難以通過底下的通道。

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利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子(「1」的狀態),閘極電壓就會直接影響到基板,與 MOSFET 的情況一樣,故下方會有電流通過。所以由電流的差異,就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷(圖 4-13 的「0」狀態),要是對控制閘極施加的電壓過高,源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說,懸浮電荷量不同時,使電晶體開始產生電流的閾值電壓(Vth,參考第 89 頁)也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

快閃記憶體的 SLC 與 MLC。圖/東販

由前面的說明可以知道,像圖 4-14(a) 這樣的單一儲存單元,只能記錄 1 個位元,可能是「0」或「1」。

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用閾值電壓判斷單元狀態

不過,如果閾值電壓可任意控制,就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量,從滿電荷到無電荷分成 4 個等級,如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來,1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣,Vth01>Vth00>Vth10>Vth11,所以讀取資訊時,可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC(Multi Level Cell)。另一方面,只有 2 種狀態的單元稱為 SLC(Single Level Cell)。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 Vth 分成更多區間,還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊,進而提升容量。不過,MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難,MOSFET 對干擾現象又特別敏感,所以要做成增加更多層相對困難。

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快閃記憶體的缺點

另外,快閃記憶體在記錄、消除資訊時,需使用 10V 之類相對較高的電壓,電子才能突破穿隧氧化膜。因此,反覆讀寫會造成氧化膜劣化,最後使儲存單元無法保留電子。也就是說,快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面,快閃記憶體與 DRAM 不同,不使用電容器,所以1個晶片可搭載的儲存單元較多,較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

NAND 型與 NOR 型。圖/東販

快閃記憶體與 DRAM 一樣,都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種(圖 4-15)。

NOR 型的快閃記憶體結構。圖/東販

圖 4-16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外,還有「源極線」存在,且源極線需通以電流。

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NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近,較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例,讀取單元內的數值時,會在對應的字元線施加讀取用電壓,然後透過位元線讀取資訊。另一方面,消除或寫入資訊時,會對位元線施加寫入用電壓,字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜,所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值,不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之,可以隨機存取儲存單元。

NAND 型快閃記憶體的結構。圖/東販

另一方面,NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4-17 所示。

NAND 型的結構中,同一條字元線串聯起許多儲存單元,稱為 1「頁」(page),多條字元線有許多頁,稱為 1 個「區塊」(block)。

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NAND 型的頗面圖。圖/東販

圖 4-18 中,1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵,那就是同一條位元線上,各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時,剖面圖如下。

基板上,1 個電晶體的源極,與相鄰電晶體的汲極共用同一個n區域,所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間,就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下,1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小,所以讀取速度比較慢。另外,因為 1 個儲存單元比較小,所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少,使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊(含有許多頁)為單位進行擦除,以 1 頁為單位進行寫入。

因此,要更改 1 頁的內容時,必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方,然後刪去整個區塊的資料,然後再把區塊資料複製回來,同時把要更改的內容寫進去。

也就是說,即使只是要改寫 1 位元的內容,也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料,所以被取了「快閃」這個名字。

快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置。圖/pexels

不過,寫入資料時是一次寫入一整頁資料,所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型,會發現 NOR 型的優點是讀取較快,資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置,對讀取的需求大於寫入,便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大,寫入較慢,但這些裝置幾乎不會進行寫入動作,所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而,快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置,常需改寫儲存單元內的資料。此時,NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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