VGA, HDMI 2.0, DisplayPort 1.2 : le point sur l’évolution des connectiques vidéos

Ne pas perdre le fil

Des câbles analogiquesEn 2006, nous avions publié un dossier sur la connectique vidéo : il parlait du DVI et du VGA et indiquait que la norme HDMI était le Peritel du 21e siècle et que le DisplayPort et l’UDI (petit jeu, qui se souvient de l’UDI ?) étaient les interfaces du futur. Un peu plus de 6 ans plus tard, il est donc grand temps de faire le point sur un sujet qui touche une bonne partie des gens : comment brancher mon écran ou mon téléviseur à mon nouveau PC qui utilise — évidemment — une nouvelle interface ?

Nous allons passer rapidement sur les interfaces analogiques : même notre rédacteur en chef, pourtant un aficionado des CRT — il a utilisé pendant longtemps deux écrans cathodiques de 21 pouces — est passé récemment au numérique. Par contre, dans le monde des interfaces numériques, il y a du choix : DVI (Single Link ou Dual Link), HDMI 1.2, 1.3 ou 1.4 (on vous passe les variantes a, b et c), DisplayPort 1.1 ou 1.2, Thunderbolt, etc. Et ne parlons pas des prises, entre le Mini (DVI, HDMI, DisplayPort, VGA, etc.), le Micro (idem), les variantes propriétaires et les divers adaptateurs, le choix du connecteur n’est pas une sinécure.

Nous nous attarderons aussi un peu sur les interfaces internes, les connecteurs oubliés et même les interfaces du futur, même si rien de révolutionnaire ne devrait venir remplacer les interfaces actuelles dans les prochaines années.

Avant de commencer, une petite question pour vous lecteurs : quelle(s) interface(s) utilisez-vous au quotidien ? Votre serviteur utilise un écran DisplayPort, un écran DVI et un écran connecté en USB, et vous ? Les commentaires sont les bienvenus.

Un peu d’histoire

Au commencement était l’analogique. Les premiers ordinateurs utilisaient une sortie composite (dont la qualité est très moyenne) ou même directement une sortie FM, en modulant le signal pour que le tuner du téléviseur le capte.

Le DE9 d’un écran CGASur les premiers PC, IBM a notamment utilisé le standard CGA, qui permettait d’utiliser une sortie analogique classique ou un écran, relié via une prise DE9. IBM proposait alors des moniteurs dédiés compatibles avec la norme en question. Pendant plusieurs années, les normes et les prises ont été modifiées (EGA, Hercule, etc.) et il fallait acheter l’écran en même temps que l’ordinateur (ou presque) pour espérer une compatibilité totale, ou alors se contenter d’un téléviseur.

Avec l’arrivée de la vidéo dans les foyers, le monde du brun était nettement plus structuré : prise composite en entrée de gamme, prise S-Video en haut de gamme et — essentiellement en Europe — prise SCART. Plus connue sous le nom de Peritel, la prise SCART (Syndicat des Constructeurs d’Appareils Radiorécepteurs et Téléviseurs) préfigure le HDMI actuel : elle prend en charge un signal composite, un signal S-Video et un signal RGB dans la même prise, avec en plus un signal audio stéréo bidirectionnel. La prise SCART n’a pratiquement jamais été utilisée dans les ordinateurs (même si quelques rares appareils dotés d’une prise de ce type existent), elle a toujours été cantonnée au domaine de la vidéo personnelle.

Un PC avec une prise SCARTIl a fallu attendre 1987 pour que les fabricants de PC commencent à essayer de standardiser les sorties vidéo, avec l’arrivée du PS/2 d’IBM en 1987, et son connecteur VGA. Ce dernier, nous allons le voir, est devenu le standard de facto et est encore très utilisé en 2013, malgré ses limites.

Dans la suite du dossier, nous allons nous concentrer sur les interfaces informatiques, mais nous ne pouvons passer sous silence le connecteur composante, appelé aussi YPbPr ou YUV. Il utilise trois prises de type RCA et permet de transporter un signal analogique de très bonne qualité (on peut travailler en 1080i en composante). En voie de disparition sur les appareils récents — le HDMI prend sa place —, ce connecteur a essentiellement été utilisé dans le monde de la vidéo domestique, même si — comme pour la prise SCART — des ordinateurs proposent parfois des sorties vidéo à ce format.

L’antique VGA

Commençons par parler d’un antique connecteur — il date de 1987 —, le connecteur VGA. Toujours présent sur beaucoup d’ordinateurs portables, il est encore très utilisé dans les projecteurs, les écrans d’entrée de gamme et beaucoup d’anciens écrans. Son seul avantage réel est évidemment son universalité, le DVI, le DisplayPort ou le HDMI étant bien meilleurs au niveau de la qualité d’affichage.

Un signal analogique

Le connecteur VGA transporte un signal analogique, ce qui peut poser des soucis avec les écrans LCD, qui sont numériques. En effet, les cartes graphiques travaillent en numérique, tout comme les écrans LCD et plus généralement tous les dispositifs d’affichages modernes. Il faut donc d’abord effectuer une conversion du signal numérique vers un signal analogique (avec un DAC) et — dans l’écran — convertir le signal analogique en question en un signal numérique (avec un ADC). La seconde conversion n’est nécessaire que dans les écrans LCD, les anciens écrans cathodiques pouvaient directement utiliser le signal analogique.

Des limites

Le connecteur, en dehors des problèmes de conversions, a des limites. La définition maximale en VGA dépend essentiellement d’une chose : le RAMDAC de la carte graphique. Ce composant présent dans toutes les cartes graphiques est celui qui va effectuer la conversion entre le signal numérique et le signal analogique. Plus il est efficace et rapide, plus il sera possible de monter en définition. Une carte graphique récente a généralement un RAMDAC à 400 MHz, alors que certains (rares) modèles atteignent 420 ou 450 MHz. Sur les anciens modèles de cartes, des RAMDAC à 250 MHz ou 300 MHz ne sont pas rares.

Pour calculer la définition maximale utilisable, il faut multiplier la définition par le taux de rafraîchissement puis par 1,4 (pour la synchronisation du signal). Avec un RAMDAC à 400 MHz, on peut donc atteindre (environ) 2 048 x 1 536 à 85 Hz. Bien évidemment, la qualité du RAMDAC a aussi un impact sur la qualité : certaines cartes graphiques génèrent une image floue dès que la définition est un peu élevée.

Le connecteur

Le connecteur classique porte un nom précis : DE15. Il s’agit d’un connecteur de type D-SUB avec 15 connecteurs sur trois rangées et il est généralement bleu sur les ordinateurs (norme PC99). C’est le connecteur le plus courant, même s’il existe d’autres variantes. Apple a longtemps utilisé un connecteur avec un signal équivalent, mais dans un autre format : DA15. Ce connecteur a 15 broches sur deux rangées. Dans les ordinateurs portables (notamment, encore, chez Apple), un connecteur Mini VGA, plus compact, a aussi été parfois utilisé.

Dans les ordinateurs récents, les connecteurs DVI-I transportent un signal VGA directement dans la prise, ce qui permet de proposer des adaptateurs DVI vers VGA passifs facilement. Il existe même une variante du DVI, le DVI-A, qui ne transporte que ce type de signal.

Du DVI-A

Mini VGA (Apple) (c) Wikipedia

Les connecteurs DisplayPort et HDMI, eux, ne transportent pas de signal VGA. Les adaptateurs DisplayPort vers VGA et HDMI vers VGA sont dotés de puces qui convertissent le signal numérique en signal analogique.

Le DVI et ses dérivés

Une prise DVI-DLe DVI (Digital Visual Interface) est apparu en 1999, en même temps que les premières cartes graphiques compatibles (une GeForce DDR chez Hercule, etc.). L’interface est numérique, compatible avec les écrans VGA via de simples adaptateurs passifs, et permet d’obtenir une qualité d’image nettement meilleure que les interfaces analogiques.

Un signal numérique et un signal analogique

Il existe à la base trois variantes de DVI : le DVI-D, uniquement numérique, le DVI-A, uniquement analogique, et le DVI-I, qui combine dans la même prise un signal numérique et un signal analogique. Le signal numérique ne prend son sens qu’avec des écrans LCD : on évite la double conversion (numérique -> analogique puis analogique -> numérique) qui est la norme avec le connecteur VGA. 

Des limites

Une prise DVI-D DL (notez le nombre de connecteurs plus élevé)Le DVI propose un signal numérique qui dépend d’un TMDS (Transition Minimized Differential Signaling), comme le VGA dépend du RAMDAC. Ce TMDS, en DVI, est cadencé à 165 MHz, ce qui permet d’envoyer un signal en 1 920 x 1 200 à 60 Hz ou en 2 048 x 1 152 à 60 Hz (il suffit de multiplier la définition par la fréquence de rafraîchissement pour obtenir la bande passante nécessaire). Pour dépasser cette limite en DVI, on n’augmente pas la fréquence du TMDS, mais on en utilise deux, c’est ce qu’on appelle le Dual Link. Le DVI Dual Link est nécessaire quand les paramètres de l’image demandent plus de bande passante : un écran de 27 pouces en 2 560 x 1 440 à 60 Hz, un écran de 30 pouces en 2 560 x 1 600 à 60 Hz ou un écran en 1 920 x 1 080 à 120 Hz.

La majorité des cartes graphiques actuelles intègrent au moins deux TMDS, parfois plus, à l’exception notable de l’antique Intel GMA 950 (et de ses prédécesseurs), qui a besoin d’un TMDS externe.

Le connecteur

Le connecteur DVI est rectangulaire et propose deux parties : une destinée à l’analogique et une destinée au numérique. Plusieurs variantes existent : DVI-A (analogique), DVI-D Single Link et Dual Link (uniquement numériques) et DVI-I Single Link et Dual Link (qui combinent analogique et numérique).

Le Micro DVI d’un MacBook AirDeux variantes du connecteur existent, essentiellement utilisées dans les ordinateurs Apple : le Mini DVI et le Micro DVI. Les deux connecteurs ne proposent qu’un seul lien et nécessitent des adaptateurs pour la liaison avec un écran.

Deux autres variantes sont parfois utilisées : le connecteur M1-DA, qui combine DVI-I Dual Link et USB dans la même prise, et le DMS-59. Ce dernier, présent surtout dans les ordinateurs professionnels compacts, combine deux prises DVI-I dans un seul connecteur. Il est donc possible, avec un adaptateur, de brancher deux écrans VGA ou deux écrans DVI sur la même prise.

Une carte avec une sortie DMS59Notons enfin que la norme HDMI utilise un signal proche du DVI, ce qui permet de proposer des adaptateurs DVI vers HDMI et HDMI vers DVI très facilement. De même, la majorité des prises DisplayPort sont Dual Mode et transportent un signal DVI en plus du signal DisplayPort, nous allons revenir sur ce point. Dans les deux cas, le signal DVI se limite à une seule ligne.

HDMI et consorts

La prise la plus universelle, c’est bien évidemment le HDMI (High-Definition Multimedia Interface). Destinée à l’origine au monde de la vidéo domestique, l’interface a pris le pas sur le DisplayPort et remplace peu à peu le DVI dans le monde des PC.

Du numérique, mais pas que

Le HDMI transporte un signal vidéo numérique, identique à celui utilisé en DVI : le TMDS est cadencé à 165 MHz dans les premières versions de la norme (1.0 à 1.2), comme en DVI. Les limites en vidéo sont donc les mêmes qu’en DVI (1 920 x 1 200 à 60 Hz environ) et les adaptateurs passifs existent. En plus du signal vidéo, un câble HDMI peut transporter de l’audio (8 canaux LPCM 192 kHz 24 bits), de l’Ethernet à 100 mégabits/s ou un canal audio de retour. Il est aussi possible de transporter des commandes pour communiquer entre plusieurs appareils (CEC). Attention, certaines fonctions dépendent de la version de la norme.

La norme a évolué par petites touches, la dernière version étant la 1.4b. Depuis la version 1.3 de la norme, le TMDS est cadencé à 340 MHz, ce qui permet d’augmenter la définition maximale : 2 560 x 1 600 à 75 Hz en HDMI 1.3 et 4 096 x 2 160 à 24 Hz en HDMI 1.4. Depuis la norme HDMI 1.3, il est aussi possible de travailler avec des couleurs codées sur 10 bits, 12 bits ou 16 bits en HDMI, alors que les anciennes versions (et la norme DVI) limitent les couleurs à 8 bits.

Le connecteur

Un connecteur HDMI type ALe connecteur HDMI classique a 19 pins et est appelé connecteur de type A. Un connecteur de type B a été normalisé, mais n’a jamais été utilisé : il est compatible DVI Dual Link. La norme HDMI 1.3 permet d’obtenir la même bande passante en doublant la fréquence du TMDS. Les câbles de type C et D sont plus petits : le premier est connu sous le nom Mini HDMI, le second sous le nom Micro HDMI. Enfin, un connecteur de type E est dédié au monde industriel.

En plus d’une compatibilité directe avec le DVI au niveau de la vidéo, le HDMI est aussi compatible avec le DisplayPort, tout du moins dans les prises de type Dual Mode. Actuellement, on est limité à un signal DVI (TMDS à 165 MHz) avec prise en charge du son, mais une nouvelle version de la norme DisplayPort devrait permettre d’utiliser un signal à 300 MHz, ce qui rendrait compatible le DisplayPort avec la norme HDMI 1.4 (ou presque).

Dans le monde mobile, le HDMI est lié au MHL : le MHL transporte un signal HDMI avec la possibilité d’alimenter un appareil mobile. Si le consortium MHL n’impose pas de prise, les implémentations ont généralement une prise microUSB mâle d’un côté et une prise HDMI femelle de l’autre.

HDMI 2.0

La norme HDMI 2.0 devrait être finalisée (et présentée) en 2013. On attend un TMDS plus rapide (600 MHz a priori), ce qui devrait permettre de prendre en charge la norme Ultra HD (~4K, 3 840 x 2 160) à 60 Hz et plus de 8 canaux en audio, des commandes CEC supplémentaires ainsi que quelques autres raffinements. On attend aussi — malheureusement — un nouveau connecteur.

DisplayPort et évolutions

Le successeur du DVI lancé par l’association VESA en 2006 s’appelle DisplayPort. Il combine les avantages du DVI et du HDMI et est censé remplacer les deux interfaces, même si dans la pratique ce n’est absolument pas le cas : les écrans DisplayPort sont rares et les sorties DisplayPort sont souvent utilisées en mode DVI ou HDMI.

Du numérique, mais pas que

La prise DisplayPort normaleLe signal DisplayPort est numérique, comme le DVI ou le HDMI. Dans sa version 1.0 ou 1.1, le signal est composé (au maximum) de 4 lignes, chaque ligne ayant une bande passante de 2,7 gigabits/s. Étant donné que les données sont codées en 8b/10b (8 bits utilisables sur 10 bits envoyés), la bande passante maximale est de 8,64 gigabits/s. Avec cette bande passante, il est possible de piloter un écran en 2 560 x 1 600 à 60 Hz et avec des couleurs sur 10 bits. La version 1.2, plus récente, double la bande passante et permet la prise en charge des écrans 4K/Ultra HD.

En plus de la vidéo, on trouve aussi la prise en charge de l’audio (8 canaux 192 kHz 24 bits en PCM) et d’un canal de données. Dans la version 1.0 ou 1.1, ce canal offre une bande passante de 1 mégabits/s, ce qui est suffisant pour prendre en charge une dalle tactile par exemple. Avec la version 1.2 de la norme, le canal en question passe à 720 mégabits/s et peut donc transporter un signal USB 2.0.

Notons qu’il est possible de coupler deux sorties DisplayPort 1.1 pour prendre en charge les écrans à très haute définition, comme les modèles 4K. Une carte graphique compatible est nécessaire (par exemple l’Intel HD 4000), tout comme un écran compatible.

Enfin, le DisplayPort assure la compatibilité avec le DVI et le HDMI, avec les prises Dual Mode. Le Type 1, le plus courant, permet d’utiliser un signal DVI classique (TMDS à 165 MHz) dans une prise DisplayPort, avec un simple adaptateur passif. Il est donc possible de brancher un écran DVI (Single Link) ou un écran HDMI (1080p) directement. Le Type 2, annoncé récemment, prend en charge un TMDS à 300 MHz et permet donc une compatibilité HDMI 1.4 et Ultra HD/4K.

Enfin, la norme 1.2 permet en théorie de chaîner les écrans, mais les cartes graphiques compatibles et les appareils (écrans ou adaptateurs) compatibles sont encore très rares.

Le connecteur

Le connecteur classique ressemble au connecteur HDMI et utilise 20 pins. Une version plus petite, le Mini DisplayPort, a été utilisée par Apple dès 2008 et normalisée par l’association VESA en 2009. Des adaptateurs passifs vers DVI et HDMI existent, tout comme des adaptateurs actifs vers VGA ou vers DVI Dual Link. Le DisplayPort est aussi utilisé en interne (eDP) ou dans des smartphones (MyDP) avec une prise Micro USB d’un côté et une prise DisplayPort de l’autre.

Thunderbolt

Apple et Intel, en 2011, ont lancé une technologie qui utilise le DisplayPort, le Thunderbolt. Dans un connecteur de type Mini DisplayPort, la technologie combine PCI-Express et DisplayPort 1.1, avec la possibilité de chaîner les périphériques. Selon le contrôleur utilisé, on a un ou deux liens DisplayPort 1.1 à 10 gigabits/s et un ou deux liens PCI-Express à 10 gigabits/s (4 lignes PCI-Express 1.1). Une des différences entre le DisplayPort 1.2 et le Thunderbolt vient de la façon de chaîner les écrans : dans le premier cas, la bande passante est partagée entre plusieurs écrans (environ 17 gigabits/s) en fonction des écrans, dans le second cas, il y a deux liens DisplayPort 1.1, un par écran.

LVDS et autres eDP

Si la connectique externe est la plus connue (et la plus visible), il y a aussi de la connectique interne. En effet, il faut bien relier les écrans des ordinateurs portables ou des ordinateurs All In One à la carte graphique. Si Apple — précurseur dans ce type d’appareils — a longtemps utilisé une connectique classique (VGA en DA15 dans les iMac, DVI dans certains modèles), la norme actuelle est d’utiliser le LVDS (en perte de vitesse) ou le DisplayPort.

LVDS

Un câble LVDSLe LVDS (un abus de langage pour la norme FPD-Link) est une technologie interne qui utilise des paires de câbles de cuivre pour transmettre les données. Le LVDS classique permet d’atteindre une définition de 1 440 x 1 050 à 60 Hz ; une version Dual Link, plus efficace, propose une définition maximale de 2 048 x 1 536 à 60 Hz. Le LVDS a un seul problème : il faut généralement beaucoup de fils, ce qui a un impact sur la taille de la prise en interne et sa solidité.

eDP

Le eDP (embedded DisplayPort) est schématiquement un bus DisplayPort interne. On a donc la possibilité de prendre en charge les écrans très haute définition, mais aussi les écrans tactiles à travers le canal auxiliaire, alors qu’en LVDS il faut utiliser un câble USB supplémentaire. Le eDP dans ses versions récentes (calquées sur la version classique traitée dans les pages précédentes) prend en charge les écrans 4K/Ultra HD, les écrans 120 Hz (pour proposer de la 3D) et une technologie intéressante qui permet de diminuer la consommation, le PSR. Le Panel Self Refresh permet d’utiliser un framebuffer (la mémoire contenant l’image à afficher) au niveau de l’écran, ce qui est intéressant dans un cas précis : quand l’image ne change pas. Dans un système classique, l’image est rafraîchie 60 fois par seconde, même si le contenu de l’écran ne bouge pas. Avec un écran PSR, l’écran est capable de garder l’image déjà dans le framebuffer s’il n’y a pas de changements (quand l’ordinateur n’est pas utilisé par exemple), ce qui évite les transferts inutiles et permet de diminuer la consommation du lien. 

Les oubliés

En plus des variantes de certaines prises que nous avons déjà citées (Mini VGA, Micro DVI, etc.), il existe aussi des technologies plus rares, parfois pourtant assez intéressantes sur le plan technique.

L’UDI

En 2006, Intel annonçait l’UDI. Cité dans notre dossier de l’époque, l’UDI (Unified Display Interface) devait remplacer le DVI et le VGA, tout en gardant une compatibilité directe avec le DVI et le HDMI. Las, la prise n’est jamais sortie des laboratoires et plus personne n’en a parlé depuis 2007. Le DisplayPort, plus complet — il transporte notamment le flux audio — a remplacé l’UDI comme successeur du DVI.

Le DB13W3

Ce connecteur transportant un signal analogique a surtout été utilisé dans les années ’90 sur les stations de travail de Sun, SGI ou IBM. Apple et NeXT ont aussi utilisé cette interface, qui a été remplacée par le VGA puis rapidement par le DVI.

DB13W3

UDI

L’ADC

Cette variante du DVI portée par Apple a été un temps utilisé dans la gamme Power Mac : l’Apple Display Connector transporte un signal DVI Single Link, un signal analogique (VGA), un signal USB 1.1 et enfin de l’énergie (100 W au maximum, 25 W/4 A). L’intérêt était évident : brancher l’écran à l’ordinateur avec un seul câble, en intégrant l’alimentation dans l’ordinateur. L’idée était bonne, mais un problème s’est vite posé : le succès des ordinateurs portables. Intégrer une alimentation de 100 W dans un ordinateur portable n’était pas possible et Apple a donc utilisé un classique DVI. Rapidement, la prise standardisée a pris le pas sur l’ADC, qui a disparu en quelques années.

Le futur des interfaces

Dans le futur, on attend surtout des évolutions de ce qui existe actuellement. La prochaine étape est la prise en charge des très hautes définitions, 4K et Ultra HD en tête. Le DisplayPort 1.2 permet déjà de gérer ce type de définition, mais la norme reste assez rare : elle n’est supportée que sur les dernières cartes NVIDIA et AMD.

Au niveau du HDMI, il est pour le moment possible d’afficher des images en Ultra HD/4K, mais on est limité à un signal 24p, ce qui est évidemment un problème dans le monde de l’informatique où le 60 Hz est la norme. La version 2.0 de la norme HDMI, attendue cette année, devrait supprimer cette limite.

On parle aussi d’une évolution du Thunderbolt, qui doublerait la bande passante de la vidéo avec un passage à la version 1.2 du DisplayPort (c’est pour le moment la version 1.1 qui est utilisée).

Les interfaces dites legacy, comme le VGA et le DVI, ne sont pas mortes pour autant : si elles ne vont plus évoluer et disparaître peu à peu (surtout le VGA), elles sont encore très utilisées. Les écrans LCD VGA ne sont d’ailleurs pas rares en entrée de gamme, et pour une raison simple : les écrans de plus de 20 pouces dotés d’une connexion numérique (i.e. du DVI) sont taxés comme des téléviseurs au niveau européen, ce qui augmente fortement la facture…