【專欄】電視遊樂器影音傳輸介面演進與趨勢介紹 類比世代回顧篇

(GNN 記者 Sam 報導) 2020-05-25 09:00:01

  跟著電視遊樂器一路從 8 位元、16 位元,2D 點陣、3D 多邊形,SD 標準畫質到 HD 高畫質甚至 4K 超高畫質等規格一路走過來的玩家,相信對能把這些絢爛影像與動聽聲音傳遞到電視等顯示裝置呈現的 傳輸介面 都不陌生。雖然現在主流清一色都是 HDMI 介面,但是在這 40 多年的發展歷程中,曾出現過許許多多不同的規格。本篇專欄將分為「類比世代」與「數位世代」兩篇,帶大家一同回顧這些影音傳輸介面的演進。
 
 

類比世代

 
  在進入正題前,先來分享一些背景知識的電視演進史。大家所熟悉的類比電視規格,包括美規的 NTSC 與歐規的 PAL / SECAM 大致上是從 1940 年代開始發展。而電視廣播,就是透過攝影機中的電子元件將拍攝到的影像轉化為一連串電子訊號,透過無線電波發送出去,並在遠端以天線接收無線電波訊號,還原成影像訊號透過電視映像管顯示出來。最初的電視只能顯示黑白影像,因此只需要傳輸不同黑白色調 = 不同亮暗的訊號,而此一表示亮暗程度的值就被稱為「輝度(Luma,或稱為 Y)」。
 
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    古早的黑白電視,編輯自己其實也沒經歷過那個年代就是......
 
  時間進入 1950 年代,彩色電視的技術逐漸發展。但為了要相容於先前推出的黑白電視機,因此彩色電視廣播訊號採用了可回溯相容的規格,將以 RGB 紅綠藍三原色構成的彩色影像訊號轉換成不同明暗的「輝度」與不同顏色的「彩度(Chroma,簡稱 C)」兩種訊號。輝度訊號與既有黑白電視訊號相同,因此黑白電視也能收看。彩度訊號則是以副載波混入輝度訊號中,黑白電視即便是接收到這些訊號也不會呈現出來,因此不受影響。彩色電視接收後會將輝度訊號與彩度訊號分離、組合並還原成彩色影像在電視螢幕上重現。
 
  因此,電視系統一向都是以「輝度(Y)」與「彩度(C,或進一步分離成 U 跟 V)」構成的格式來記錄與傳輸影像,與電腦系統以三原色 RGB 構成的影像格式不同,這部分自然也會左右影音傳輸介面的發展。
 

RF 端子

 
  首先要看的,可以說是電視遊樂器影音傳輸介面老祖宗的「RF 端子」。
 
  RF 其實就是 射頻(Radio Frequency,亦稱為無線電頻率)  的縮寫,指可以輻射到空間中傳遞的電磁波頻率,從 20KHz 到 300GHz,包含電台 / 電視廣播、手機通訊等都在這個範圍內。一般電視廣播會採用 VHF 與 UHF 兩個頻段,分別落在 30MHz~300MHz 與 470MHz~860MHz 兩個區間。
 
  在電視上使用的 RF 端子,指的是接收天線輸入電視廣播訊號來傳輸影像的端子。因為電視最基本的功能就是收看電視,早年的電視除此之外也沒有其他用途,因此並沒有配備 RF 端子以外的其他影音輸入介面。
 
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    早年的電視只能連接天線收看電視廣播,沒有其他的影音輸入介面
 
  第一代的電視遊樂器為了要利用電視來顯示影像與聲音,於是就運用這個原本用來接收電視廣播的介面,將主機產生的影音訊號透過 RF 模組混合成特定頻道頻率的電視廣播訊號,傳輸到電視上呈現。玩家只要把遊樂器的 RF 端子接上電視的天線輸入,再切換到指定的電視頻道,就可以讓遊樂器的影像與聲音播放出來。
 
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    任天堂紅白機背面的端子群,最右邊藍綠色圈圈處就是 RF 端子,旁邊是切換影像輸出跟切換輸出頻道的開關
 
  不只電視遊樂器,早年的家用個人電腦很多都會提供 RF 端子以連接電視使用,如 Commodore 64。
 
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    Commodore 64 內建 RF 端子(紅框處)
 
  電視遊樂器這端的 RF 輸出介面多半採用標準 RCA 端子接頭,而電視這端的 RF 輸入介面,早年採用的是電視天線常見的 300 歐姆雙引線電纜,後來逐漸被 75 歐姆同軸電纜所取代,後者一路沿用到有線電視時代。由於一組端子得兼顧電視廣播收視與遊玩遊戲的兩種輸入,所以當時的電視遊樂器會附帶訊號切換盒,可以讓使用者切換來自電視天線或是電視遊樂器的 RF 訊號輸入。
 
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    將雙引線電纜(上端)轉成同軸電纜接頭(下端)的轉接器
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    另一種常見的雙引線電纜轉同軸電纜接頭轉接器
    (有沒有覺得很像是一張機器人的臉呢?)
 
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    當時電視要同時連接天線跟電視遊樂器的話,一定會搭配這個 RF 訊號切換盒
 
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    這組是任天堂紅白機包裝內附的 RF 訊號切換盒,訊號切換開關做在主機上
 
  RF 端子的優點就是幾乎所有電視都支援(連黑白電視也行!)。但缺點也很明顯。首先因為是採用原本限制就很多的電視廣播訊號,將影像與聲音壓縮到頻寬有限的無線電波頻段中傳輸,所以畫質音質很低。聲音部分只有基本的單聲道。而且 RF 訊號容易因為頻率偏差而影響畫質,加上無線電廣播頻率很容易受外部雜訊干擾,畫面出現雜訊、扭曲、跳動、鬼影啥的都是家常便飯。後來有線電視逐漸普及後,如果線沒接好,還有可能會把自己玩遊戲的畫面透過纜線 廣播 到其他人家的電視上。這些都是許多老玩家當年難忘的回憶。
 

由 YouTube 頻道 Electronicle 製作的 Atari 2600 RF 端子輸出與 AV 端子(改機)輸出畫質比較影片
可以觀察到 RF 端子色彩較黯淡,在大面積色塊上會出現虹彩般的串色,銳利邊緣右側會出現抖線

 
  不過 RF 端子 所有電視都通用 這個特點目前也已經逐漸行不通了,因為類比電視廣播紛紛停播(台灣於 2012 年 7 月停止),許多新的電視產品已不再配備類比 RF 端子,遊樂器主機也早已不採用,可說是個徹底被時代淘汰的歷史規格。可能很多年輕玩家根本就不知道原來當年的電視遊樂器曾靠這個端子來連接。
 

AV 端子(複合影像端子)

 
  在電視遊樂器、個人電腦與錄放影機等連接電視的影音設備逐漸開始普及後,針對這些外接設備的專屬影音端子也同時被發展出來,其中最基本也是最早出現的就是家喻戶曉的「AV 端子」。AV 端子其實只是俗稱,正式名稱為「複合影像(Composite Video)端子」。接頭部分大都採用美國 RCA 公司於 1930 年代發明的「RCA 端子」,一般會以黃色來標示影像端子、白色(單聲道)或白 / 紅色(雙聲道)來標示聲音端子。
 
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    AV 端子連接到電視上的模樣
 
  所謂的「複合影像」,指的是將輝度與彩度混合在一起傳輸的影像訊號,所以稱為 複合。複合影像訊號格式也應用在許多家用影音媒體上,如 VHS 錄影帶、LD 影碟等,都是以複合影像訊號格式紀錄影像。
 
  AV 端子不再採用單一、頻寬受限且易受外部雜訊干擾的 RF 訊號,而是把影像訊號跟聲音訊號各自以獨立的訊號線傳輸,因此畫質與音質比 RF 端子來得優異。但類比訊號的特性就是當訊號混合在一起之後,就不可能毫無損失地再次分離,一定會有損耗。而 AV 端子的影像是將輝度(Y)與彩度(C)訊號混合在一起傳輸,結果就是 Y/C 訊號的部分載波會重疊而無法準確分離,導致畫質的偏差,出現不正常的串色或抖線。因此 AV 端子傳輸的畫面解像度不高、畫質差強人意,直白來說就是 。雖然後來有研發出較佳的 Y/C 分離技術如 3D Y/C 分離,但也只是改善而無法完全解決。
 
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    普通 Y/C 分離(左)與 3D Y/C 分離(右)的效果差異(模擬圖)
 
  不過 AV 端子長年以來一直作為一個最普及且最基礎的影音傳輸介面規格,至今依然健在。
 
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    編輯當年買的是這台 SHARP 推出的紅白機與磁碟機合體機種「TWIN FAMICOM」,是當時少見內建 AV 端子的遊樂器主機。
    不過當時編輯家中沒有配備 AV 端子的電視,所以需要另外買專屬的 RF 訊號轉換器來用(接在黃色端子左邊那個多孔接頭上)
 
  附帶一提,在進入 AV 端子普及的世代之後,電視遊樂器為了因應不同輸出端子的連接需求,逐漸發展出各自的複合影音端子,搭配不同規格的專屬線材來輸出各種標準影音端子訊號。如 SEGA 在 Mark III、Master System、Mega Drive 上採用的 8Pin DIN 端子、在 Saturn 上採用的 10Pin DIN 端子,任天堂在 SFC、N64、NGC 與 Wii 上採用的 Multi Out 端子,Sony 在 PS、PS2、PS3 上採用的 AV Multi 端子等。
 
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    初代 PlayStation 最初上市的 SCPH-1000 型有直接提供 AV、S 端子輸出,也有搭載 AV Multi 端子(最右側的長方形端子)。
    後續的改版型號逐漸取消標準影音輸出端子,改以 AV Multi 端子來負責各類型影音輸出連接需求。該端子一路沿用到 PS3
 

S 端子

 
  在 AV 端子主導電視影像傳輸介面相當長一段時間後,1987 年 JVC 因應自家高階錄影機規格「S-VHS」的發表,同步制定了進階的「S 端子」。其中 S 是「分離(Separate)」的縮寫,代表將輝度與彩度訊號分開傳輸,端子部分則是採用有 4 根接腳的 Mini-DIN 接頭,因此仍舊是以單一端子傳輸影像。聲音部分並不包括在規格之內,大多是沿用 AV 端子的白紅 RCA 端子。
 
※ 最早提供 Y/C 分離影像訊號輸出的是 1979 年的 Atari 800 個人電腦,不過現今所熟知的 S 端子是 1987 年 JVC 提出的版本
 
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    典型的 S 端子接頭
 
  S 端子將 Y/C 訊號分離傳輸,解決了 AV 端子複合影像滲色串色抖線的先天缺憾,畫質較 AV 端子更佳,解像度更高,更能清晰銳利地呈現物體的邊緣輪廓或是細小文字。在色差端子與 HDMI 端子普及之前,可說是標準解析度電視(SDTV)規格下高畫質端子的代名詞。不過因為 S 端子採用的 Mini-DIN 接頭的接腳很細小,加上端子本身有插入方向的限制且不易辨別,容易因為不適當的插拔導致接腳彎曲或斷裂,耐用性較差。
 

SCART 端子

 
  SCART 端子是 1976 年由法國研發制定的整合型影音端子,該規格主要在歐洲地區流行,其他地區包括美國台灣等則相當少見。該端子最大特色就是以單一接頭整合影音傳輸所需的所有連接需求。而且訊號線可以根據需求設定為不同規格,功能相當完整。但代價就是接頭龐大、接腳與接線繁多。
 
※「Syndicat des Constructeurs d'Appareils Radiorécepteurs et Téléviseurs」的縮寫
 
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    SCART 端子,接頭非常大,雖然功能完整但以全球來說並不普及
 
  SCART 端子有多達 21 根接腳,設計概念就是 通包,當然實際運用時不會每根接腳都用上。影像部分除了前面介紹過的 AV、S 端子的訊號之外,還可以傳輸原汁原味的 RGB 訊號,不經過額外的訊號混合分離,是畫質最佳的類比影像端子規格之一。但是否能支援 RGB 訊號輸出仍需要看個別電視遊樂器主機的設計。
 
  聲音訊號部分,SCART 端子提供雙聲道音訊的輸出與輸入各 1 組。
 
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SCART 端子的腳位定義

 

由 YouTube 頻道 blueluigi 製作的 RF 端子與 SCART 端子畫質比較影片,畫質差異十分顯著

 
  附帶一提,日本有沿用 SCART 端子的規格推出另一種以支援 RGB 影像輸出為訴求的端子,稱為「RGB 21-pin」或「RGB 端子」。功能與規格與原本的 SCART 端子大致相同,不過接腳定義有出入。台灣玩家比較熟悉的多半是此一規格,因為包含 SFC、PS1、Saturn、PS2、PS3  等主機都有支援,且官方有推出輸出線。最常見的就是搭配電波新聞社 XRGB 轉換器倍頻成 PC 螢幕可以接受的 31KHz 訊號,以最佳畫質呈現。
 
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    Sony 官方推出的 PlayStation 用 RGB 端子輸出線
 
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    堪稱是當年高畫質代表的電腦螢幕轉接神器「MICOMSOFT XRGB-1」,搭配 RGB 端子輸出線可以獲得最佳的類比輸出畫質
 

色差端子

 
  前面有提到彩色電視影像是由 Y 與 C 訊號構成,而 C 又可以分為 U(色度)與 V(濃度)訊號,因此比 Y C 分離更佳的傳輸方式不外乎就是以 3 條獨立接線來傳輸這 3 種訊號。色差端子正是因應此一需求而生。
 
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    SIE 針對 PS3 推出的色差端子連接線,PS2 與 PS3 的色差端子線是可以互通的
 
  所謂的「色差」,指的是影像的顏色與輝度之間的 ,接收端可以藉由輝度值與色差值計算還原出原本的顏色。色差端子將影像分為 Y、Pb/Cb 與 Pr/Cr 共 3 組訊號,一般採用跟 AV 端子相同的 RCA 端子傳輸。標準的接頭顏色標示為綠(Y)、藍(Pb/Cb)、紅(Pr/Cr),搭配雙聲道音訊的話,總共會有 5 個端子。
 
  色差端子以 3 組獨立訊號線來傳輸符合電視原生影像格式的完整 Y Pb/Cb Pr/Cr 訊號,因此被稱為「Component Video」。畫質比 S 端子更上一層樓,彩度表現更精準。搭上同樣以色差格式紀錄影像的 DVD 影音光碟熱潮逐漸普及。其中一大功臣莫過於首台支援 DVD-Video 影音播放功能的遊樂器主機「PS2」。
 
※ 色差跟 RGB 其實都屬於 Component Video
 
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最早支援 DVD-Video 影音播放功能的 PS2 對色差端子的推廣有推波助瀾之效

 
  此外,因應 HDTV 高畫質電視技術的逐漸成熟,市場上也需要一個能承載高畫質影像傳輸的介面,但前面提到的 RF、AV 與 S 端子都只能支援 SDTV 標準畫質電視影像(480i / 576i),只有色差端子能夠支援像是 480p / 576p、720p、1080i 或 1080p 等高畫質影像,因此色差端子亦成為 SDTV 過渡到 HDTV 的橋梁。
 
  色差端子自 PS2 率先提供支援以來,包括 NGC、Xbox、Wii、Xbox 360、PS3 等主機都有支援。雖然色差端子是畫質與支援能力最佳的類比影像端子之一,但從 PS3 世代開始,逐漸被畫質更佳、連接更便利的數位影音端子 HDMI 取代,PS4、Xbox One 等主機已經不再支援。如今雖然還健在,但已經不是很常用了。
 
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    GameCube 的色差端子輸出線,是透過 GameCube 專屬的數位影音端子輸出後,由連接線轉換成類比色差訊號
 

D 端子

 
  D 端子是由日本電子工業協會(EIAJ)獨自制定的一種電視影像端子,是一種整合型的色差端子,將色差的 3 條訊號線整合成一個小型的 D 字形端子,再加上控制與偵測訊號接腳而成,比色差端子更方便連接。
 
  D 端子的 D 名稱是取自端子的形狀,並不是數位(Digital),傳輸的仍舊是類比的色差訊號。
 
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    D 端子
 
  此外 D 端子還透過 D1~D5 的規格定義與標示,讓使用者能更清楚得知裝置所支援的輸出能力。不過不論是哪一種規格,其接頭與接線的構造都是一樣的,差別只在影像輸出與輸入這兩端設備的支援能力。
 
  • D1:支援 480i(SDTV)
  • D2:支援 480p(SDTV)、480i(SDTV)
  • D3:支援 1080i(HDTV)、480p(SDTV)、480i(SDTV)
  • D4:支援 720p(HDTV)、1080i(HDTV)、480p(SDTV)、480i(SDTV)
  • D5:支援 1080p(HDTV)、720p(HDTV)、1080i(HDTV)、480p(SDTV)、480i(SDTV)
 
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    D 端子只是整合式的色差端子,因此兩者可以很輕易轉接
 
  D 端子沒有整合音訊傳輸的功能,因此多半還是沿用 AV 端子的白紅 RCA 端子。
 
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    很多 D 端子連接線會整合雙聲道音訊端子
 
  D 端子產品基本上只在日本國內市場流通,並未廣泛獲得採用,因此台灣並不常見。
 

VGA 端子

 
  VGA 端子其實不算是電視或電視遊樂器的影音傳輸介面,而是在 IBM 個人電腦上發展出來的顯示介面,不過因為 Dreamcast、Xbox 360 等部分電視遊樂器有正式支援此一規格,所以在此一併介紹。
 
  VGA(Video Graphics Array)是 1987 年在 IBM PS/2 個人電腦首度問世的電腦顯示標準。採用 15 組接腳的 D-sub 接頭,其中除了必要的 5 組影像訊號與接地線之外,還包括一些讓輸出裝置與顯示裝置彼此溝通的訊號線,不過這並不是必需的。與前述大部分電視用影像端子不同,VGA 端子傳輸的是符合電腦圖像原生格式的三原色類比 RGB 訊號,此外還將影像訊號中的水平同步訊號(HS)與垂直同步訊號(VS)獨立傳輸,因此總共有 R、G、B、HS、VS 共 5 組訊號線 ,以滿足個人電腦高解析度與高更新率影像的傳輸與顯示需求。
 
※ 部分輸出裝置與螢幕會採用將 HS 與 VS 訊號混合成單一組複合同步訊號的設計,或者是將 HS 與 VS 訊號混入 G 訊號的 SoG(Sync on Green)設計,因此使用到的訊號線數從 3~5 條都有可能,但標準是 5 條
 
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    VGA 端子
 
  VGA 傳輸的是標準類比 RGB 訊號,因此也可以使用其他的端子連接,如 BNC 端子。
 
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    當年有一派觀點認為使用 5 組 BNC 端子獨立傳輸的 VGA 訊號衰減比較小、畫面會更清晰。當初編輯也買了配備有 BNC 端子的螢幕,以及以類比輸出畫質著稱的 Matrox 顯示卡,所費不貲......進入數位世代後基本上就不需要煩惱這些了
 
  VGA 端子是純粹的影像端子,因此音訊的傳輸要另外連接。
 
  絕大多數支援 VGA 規格的電腦螢幕,水平掃描頻率的下限是 640x480 的 31KHz,是類比電視 15KHz 的 2 倍。因此如果要支援 VGA 輸出連接到電腦螢幕顯示,該遊樂器主機至少得具備輸出 480p 影像的能力。
 
  率先完全支援 VGA 輸出的主流遊樂器主機是 SEGA 的 Dreamcast,官方有推出專門的 VGA Box 周邊,可以直接連接 VGA 電腦螢幕。後續的 Xbox 360 也有推出專用 VGA 輸出線,以微軟 PC 起家的本業來看倒是不意外。在早年還處於映像管時代、480p 或 HDTV 高畫質電視尚未普及、價格高昂的時候,讓玩家可以藉由 VGA 端子將遊樂器連結到平價的電腦螢幕上,享受 480p 以上的高畫質影像,算是相當經濟實惠的方案。
 
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  • Dreamcast 的 VGA Box,上面還整合了 AV 端子與 S 端子輸出,可以切換輸出訊號
 

由 YouTube 頻道 Stuntman Lopez 製作的 Dreamcast AV 端子與 VGA 端子畫質比較影片

 
  但 VGA 端子傳輸的畢竟還是類比訊號,免不了衰減的問題。如果使用的線材品質不佳,會嚴重影響畫面的清晰度,在傳輸頻寬較大的高解析度高更新率畫面時更是顯著。而且進入液晶螢幕時代之後,液晶面板本身就是以數位方式呈現畫面,因此 VGA 端子逐漸被其他數位影像端子取代,如今已不復當年盛況。
 

 
  在結束類比世代影音傳輸介面的回顧後,下篇將介紹現在大家比較熟悉的數位世代影音傳輸介面!

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