Sygnalizacja różnicowa niskiego napięcia

LVDS
Sygnalizacja różnicowa niskiego napięcia
Rok utworzenia 1994
Prędkość 655 Mbit/s (możliwe prędkości do 1-3 Gbit/s)
Podstawowe działanie obwodu LVDS pokazujące prąd płynący w pętli z powrotem do sterownika i wynikającą z tego niższą emisję promieniowania (EMI) w wyniku sprzężenia pola w parze różnicowej

Niskonapięciowa sygnalizacja różnicowa ( LVDS ), znana również jako TIA/EIA-644 , to standard techniczny określający charakterystykę elektryczną różnicowego standardu sygnalizacji szeregowej . LVDS działa przy niskim poborze mocy i może pracować z bardzo dużymi prędkościami przy użyciu niedrogich typu skrętka . LVDS to tylko specyfikacja warstwy fizycznej; korzysta z niej wiele standardów i aplikacji komunikacyjnych, dodając do niej warstwę łącza danych zdefiniowaną w modelu OSI .

LVDS został wprowadzony w 1994 roku i stał się popularny w produktach takich jak telewizory LCD, samochodowe systemy rozrywki, kamery przemysłowe i systemy wizyjne, notebooki i tablety oraz systemy komunikacyjne. Typowe zastosowania to szybkie wideo, grafika, przesyłanie danych z kamer wideo i magistrale komputerowe ogólnego przeznaczenia .

Na początku dostawcy komputerów przenośnych i wyświetlaczy LCD powszechnie używali terminu LVDS zamiast FPD-Link w odniesieniu do swojego protokołu, a termin LVDS błędnie stał się synonimem łącza wyświetlacza płaskiego w słownictwie inżynierii wyświetlaczy wideo.

Sygnalizacja różnicowa vs. single-ended

LVDS to system sygnalizacji różnicowej , co oznacza, że ​​przesyła informacje w postaci różnicy napięć na parze przewodów; dwa napięcia przewodów są porównywane w odbiorniku. W typowej implementacji przetwornik wprowadza do przewodów stały prąd o natężeniu 3,5 mA , przy czym kierunek prądu określa poziom logiki cyfrowej. Prąd przepływa przez rezystor końcowy o wartości około 100 do 120 omów (dopasowany do charakterystycznej impedancji kabla w celu zmniejszenia odbić) na końcu odbiorczym, a następnie powraca w przeciwnym kierunku przez drugi przewód. Z Zgodnie z prawem Ohma różnica napięć na rezystorze wynosi zatem około 350 mV . Odbiornik wykrywa polaryzację tego napięcia, aby określić poziom logiczny.

Dopóki istnieje ścisłe sprzężenie pola elektrycznego i magnetycznego między dwoma przewodami, LVDS zmniejsza generowanie szumu elektromagnetycznego. Ta redukcja szumów wynika z równego i przeciwnego przepływu prądu w dwóch przewodach, tworzących równe i przeciwne pola elektromagnetyczne, które mają tendencję do wzajemnego znoszenia się. Ponadto ciasno połączone przewody transmisyjne zmniejszają podatność na zakłócenia elektromagnetyczne, ponieważ szum będzie w równym stopniu wpływał na każdy przewód i będzie wyglądał jak szum wspólny. Odbiornik LVDS jest odporny na zakłócenia w trybie wspólnym, ponieważ wykrywa napięcie różnicowe, na które zmiany napięcia w trybie wspólnym nie mają wpływu.

Fakt, że nadajnik LVDS pobiera stały prąd, powoduje również znacznie mniejsze zapotrzebowanie na odsprzęganie zasilania , a tym samym powoduje mniejsze zakłócenia w liniach zasilających i uziemiających obwodu nadawczego. Zmniejsza to lub eliminuje zjawiska, takie jak odbijanie od masy , które są zwykle obserwowane w zakończonych liniach przesyłowych single-ended, gdzie wysoki i niski poziom logiczny zużywają różne prądy, lub w niezakończonych liniach przesyłowych, w których prąd pojawia się nagle podczas przełączania.

Niskie napięcie wspólne (średnia napięć na dwóch przewodach) wynoszące około 1,2 V pozwala na stosowanie LVDS z szeroką gamą układów scalonych przy napięciach zasilania do 2,5 V lub niższych. Ponadto istnieją odmiany LVDS, które wykorzystują niższe napięcie w trybie wspólnym. Jednym z przykładów jest sub-LVDS (wprowadzony przez firmę Nokia w 2004 r.), który wykorzystuje typowe napięcie w trybie wspólnym 0,9 V. Innym jest skalowalna sygnalizacja niskiego napięcia dla 400 mV (SLVS-400) określona w JEDEC JESD8-13 października 2001, gdzie napięcie zasilania może wynosić zaledwie 800 mV, a napięcie w trybie wspólnym wynosi około 400 mV.

Niskie napięcie różnicowe, około 350 mV, powoduje, że LVDS zużywa bardzo mało energii w porównaniu z innymi technologiami sygnalizacyjnymi. Przy napięciu zasilania 2,5 V moc do wysterowania 3,5 mA wynosi 8,75 mW, w porównaniu z 90 mW rozpraszanymi przez rezystor obciążenia dla sygnału RS -422 .

Poziomy logiczne:

V ee V OL V OH V CC V CMO
GND 1,0 V 1,4 V 2,5–3,3 V 1,2 V

LVDS nie jest jedynym używanym systemem sygnalizacji różnicowej o niskim poborze mocy, inne obejmują szeregowe wejścia/wyjścia Fairchild Current Transfer Logic.

Aplikacje

W 1994 roku National Semiconductor wprowadził LVDS, który później stał się de facto standardem szybkiego przesyłania danych.

Doestek 34LM85AM, używany w tablecie jako nadajnik z płaskim wyświetlaczem

LVDS stał się popularny w połowie lat 90. Wcześniej rozdzielczości monitorów komputerowych nie były wystarczająco duże, aby wymagać tak szybkich szybkości transmisji danych dla grafiki i wideo. Jednak w 1992 roku Apple Computer potrzebował metody przesyłania wielu strumieni cyfrowego wideo bez przeciążania istniejącego NuBus na płycie montażowej . Apple i National Semiconductor ( NSC ) stworzyły QuickRing , który był pierwszym układem scalonym wykorzystującym LVDS. QuickRing był szybką magistralą pomocniczą dla danych wideo, która omijała NuBus w komputerach Macintosh. Multimedia i _ superkomputerów nadal się rozwijały, ponieważ obie musiały przenosić duże ilości danych przez łącza o długości kilku metrów ( na przykład z dysku do stacji roboczej ).

Pierwszą aplikacją LVDS, która odniosła sukces komercyjny, była transmisja danych wideo z procesorów graficznych do płaskich wyświetlaczy za pomocą komputerów przenośnych za pomocą łącza Flat Panel Display Link firmy National Semiconductor. Pierwszy chipset FPD-Link zredukował 21-bitowy interfejs wideo i taktowanie do zaledwie 4 par różnicowych (8 przewodów), co umożliwiło łatwe dopasowanie go do zawiasu między wyświetlaczem a notebookiem i wykorzystanie niskiego poziomu LVDS charakterystykę szumów i dużą szybkość transmisji danych. FPD-Link stał się de facto otwartym standardem dla tej aplikacji notebooka pod koniec lat 90. i nadal jest dominującym interfejsem wyświetlacza [ kiedy? ] w notebookach i tabletach. To jest powód, dla którego dostawcy układów scalonych, tacy jak Texas Instruments, Maxim, Fairchild i Thie, produkują swoje wersje chipsetu FPD-Link.

Serializator FPD Link I

Aplikacje dla LVDS rozszerzyły się na płaskie wyświetlacze telewizorów konsumenckich wraz ze wzrostem rozdzielczości ekranu i głębi kolorów. Aby obsłużyć tę aplikację, chipsety FPD-Link nadal zwiększały szybkość transmisji danych i liczbę równoległych kanałów LVDS, aby spełnić wewnętrzne wymagania telewizora dotyczące przesyłania danych wideo z głównego procesora wideo do kontrolera taktowania panelu wyświetlacza. FPD-Link (powszechnie nazywany LVDS) stał się de facto standardem dla tego wewnętrznego połączenia telewizyjnego i pozostaje dominującym interfejsem dla tej aplikacji w 2012 roku. [ Potrzebne źródło ]

Następną aplikacją docelową było przesyłanie strumieni wideo przez zewnętrzne połączenie kablowe między komputerem stacjonarnym a wyświetlaczem lub odtwarzaczem DVD i telewizorem. Firma NSC wprowadziła kontynuacje FPD-Link o wyższej wydajności, zwane standardami LVDS Display Interface (LDI) i OpenLDI . Standardy te dopuszczają maksymalne taktowanie pikseli na poziomie 112 MHz, co wystarcza do wyświetlania rozdzielczości 1400 × 1050 ( SXGA+ ) przy odświeżaniu 60 Hz. Podwójne łącze może zwiększyć maksymalną rozdzielczość wyświetlacza do 2048 × 1536 ( QXGA ) przy 60 Hz. FPD-Link współpracuje z kablami o długości do około 5 m oraz LDI rozciąga się na około 10 m. Jednak cyfrowy interfejs wizualny (DVI) wykorzystujący TMDS przez sygnały CML zwyciężył w konkursie standardów i stał się standardem zewnętrznego łączenia komputerów stacjonarnych z monitorami, a HDMI ostatecznie stał się standardem łączenia cyfrowych źródeł wideo, takich jak odtwarzacze DVD, z płaskimi wyświetlaczami w konsumenckich Aplikacje.

Kolejną udaną aplikacją LVDS jest Camera Link , który jest szeregowym protokołem komunikacyjnym przeznaczonym do komputerowych aplikacji wizyjnych i opartym na chipsecie NSC o nazwie Channel Link , który wykorzystuje LVDS. Camera Link standaryzuje interfejsy wideo dla produktów naukowych i przemysłowych, w tym kamer, kabli i frame grabberów. Stowarzyszenie Automated Imaging Association (AIA) utrzymuje standard i administruje nim, ponieważ jest globalną branżową grupą handlową zajmującą się wizją maszynową .

Więcej przykładów LVDS używanych w magistralach komputerowych to HyperTransport i FireWire , z których oba wywodzą się z prac post- Futurebus , które również doprowadziły do ​​SCI . Ponadto LVDS to sygnalizacja warstwy fizycznej w SCSI (Ultra-2 SCSI i nowsze), aby umożliwić wyższe szybkości transmisji danych i dłuższe kable. Serial ATA (SATA), RapidIO i SpaceWire wykorzystują LVDS, aby umożliwić szybki transfer danych.

Intel i AMD opublikowały komunikat prasowy w grudniu 2010 r., W którym stwierdziły, że do 2013 r. Nie będą już obsługiwać interfejsu panelu LCD LVDS w swoich liniach produktów. Promują wbudowany DisplayPort i wewnętrzny DisplayPort jako preferowane rozwiązanie. Jednak interfejs panelu LCD LVDS okazał się najtańszą metodą przenoszenia strumieniowego wideo z jednostki przetwarzania wideo do kontrolera taktowania panelu LCD w telewizorze lub notebooku, a w lutym 2018 r. producenci telewizorów LCD i notebooków nadal wprowadzają nowe produkty wykorzystujące interfejs LVDS.

LVDS został pierwotnie wprowadzony jako standard 3,3 V. Skalowalna sygnalizacja niskiego napięcia ( SLVS ) ma niższe napięcie w trybie wspólnym 200 mV i zmniejszone wahania pp, ale poza tym jest taka sama jak LVDS.

Porównanie szeregowej i równoległej transmisji danych

LVDS pracuje zarówno w równoległej jak i szeregowej transmisji danych . W transmisjach równoległych wiele różnicowych par danych przenosi jednocześnie kilka sygnałów, w tym sygnał zegarowy do synchronizacji danych. W komunikacji szeregowej wiele sygnałów single-ended jest szeregowanych w pojedynczą parę różnicową z szybkością transmisji danych równą szybkości wszystkich połączonych kanałów single-ended. Na przykład 7-bitowa magistrala równoległa szeregowana w pojedynczą parę, która będzie działać z 7-krotną szybkością transmisji danych jednego kanału single-ended. Urządzeniami do konwersji między danymi szeregowymi i równoległymi są serializator i deserializator, w skrócie SerDes , gdy dwa urządzenia są zawarte w jednym układzie scalonym.

Wbudowany serializator zegara

Na przykład FPD-Link faktycznie używa LVDS w połączeniu komunikacji szeregowej i równoległej. Oryginalny FPD-Link zaprojektowany dla 18-bitowego wideo RGB ma 3 równoległe pary danych i parę zegarów, więc jest to schemat komunikacji równoległej. Jednak każda z 3 par przesyła 7 serializowanych bitów podczas każdego cyklu zegara. Tak więc pary równoległe FPD-Link przenoszą serializowane dane, ale używają zegara równoległego do odzyskiwania i synchronizacji danych.

Szeregowa komunikacja danych może również osadzać zegar w strumieniu danych szeregowych. Eliminuje to potrzebę równoległego zegara do synchronizacji danych. Istnieje wiele metod osadzania zegara w strumieniu danych. Jedną z metod jest wstawienie 2 dodatkowych bitów do strumienia danych jako bitu startu i bitu stopu, aby zagwarantować zmiany bitów w regularnych odstępach czasu imitujących sygnał zegara. Inną metodą jest kodowanie 8b/10b.

Transmisja LVDS z kodowaniem 8b/10b

LVDS nie określa schematu kodowania bitów, ponieważ jest to tylko standard warstwy fizycznej. LVDS obsługuje dowolny określony przez użytkownika schemat kodowania do wysyłania i odbierania danych przez łącze LVDS, w tym dane zakodowane 8b/10b. Schemat kodowania 8b/10b osadza informacje o sygnale zegara i ma dodatkową zaletę balansu DC. Równowaga DC jest niezbędna dla ścieżek transmisyjnych sprzężonych z prądem przemiennym (takich jak ścieżki pojemnościowe lub sprzężone z transformatorem). Istnieją również metody kodowania z balansem prądu stałego dla wbudowanego zegara bitu startu/bitu stopu, które zwykle obejmują technikę szyfrowania danych. Kluczowym punktem w LVDS jest sygnalizacja warstwy fizycznej do przesyłania bitów przez przewody. Jest kompatybilny z prawie wszystkimi technikami kodowania danych i osadzania zegara.

LVDS dla aplikacji o bardzo dużej przepustowości danych

Gdy pojedyncza różnicowa para danych szeregowych nie jest wystarczająco szybka, istnieją techniki grupowania kanałów danych szeregowych równolegle i dodawania równoległego kanału zegarowego do synchronizacji. Jest to technika stosowana przez FPD-Link. Inne przykłady równoległego LVDS wykorzystującego wiele par LVDS i równoległy zegar do synchronizacji to Channel Link i HyperTransport .

Istnieje również technika zwiększania przepustowości danych poprzez grupowanie wielu kanałów danych LVDS z wbudowanym zegarem. Jednak nie jest to równoległy LVDS, ponieważ nie ma zegara równoległego, a każdy kanał ma własną informację o zegarze. Przykładem tej techniki jest PCI Express , gdzie 2, 4 lub 8 zakodowanych kanałów szeregowych 8b/10b przenosi dane aplikacji od źródła do miejsca docelowego. W takim przypadku miejsce docelowe musi zastosować metodę synchronizacji danych w celu wyrównania wielu szeregowych kanałów danych.

Wielopunktowy LVDS

Oryginalny standard LVDS przewidywał jedynie przesyłanie sygnału cyfrowego z jednego nadajnika do jednego odbiornika w topologii punkt-punkt. Jednak inżynierowie korzystający z pierwszych produktów LVDS wkrótce chcieli sterować wieloma odbiornikami za pomocą jednego nadajnika w topologii wielopunktowej. W rezultacie NSC wynalazł Bus LVDS (BLVDS) jako pierwsza odmiana LVDS przeznaczona do sterowania wieloma odbiornikami LVDS. Wykorzystuje rezystory terminujące na każdym końcu różnicowej linii transmisyjnej, aby zachować integralność sygnału. Podwójne zakończenie jest konieczne, ponieważ jeden lub więcej nadajników może znajdować się na środku magistrali kierującej sygnały do ​​odbiorników w obu kierunkach. Różnica w stosunku do standardowych nadajników LVDS polegała na zwiększeniu prądu wyjściowego w celu wysterowania wielu rezystorów końcowych. Ponadto nadajniki muszą tolerować możliwość jednoczesnego kierowania przez inne nadajniki tą samą magistralą.

Typowe zakończenie wielopunktowe

Punkt-punkt LVDS zwykle działa przy 3,5 mA. Wielopunktowy LVDS lub magistralowy LVDS (B-LVDS) może pracować do 12 mA.

Bus LVDS i LVDM (Low-Voltage Differential Multipoint) (przez TI ) są de facto wielopunktowymi standardami LVDS. [ Potrzebne źródło ] Multipoint LVDS ( MLVDS ) to standard TIA (TIA-899). Standard AdvancedTCA określał MLVDS do dystrybucji zegara na płycie montażowej do każdej z płyt modułów obliczeniowych w systemie.

MLVDS ma dwa rodzaje odbiorników. Type-1 jest kompatybilny z LVDS i wykorzystuje próg +/- 50 mV. Odbiorniki typu 2 umożliwiają sygnalizację Wired-Or z urządzeniami M-LVDS. Dla M-LVDS:

Wyjście Wejście
Tryb wspólny

Amplituda _
min. 0,3 V 0,48 V −1,4 V
Maks. 2,1 V 0,65 V +3,8 V

SCI-LVDS

Obecna postać LVDS została poprzedzona wcześniejszym standardem zapoczątkowanym w Scalable Coherent Interface (SCI). SCI-LVDS był podzbiorem rodziny standardów SCI i został określony w IEEE 1596.3 1995. Komitet SCI zaprojektował LVDS do łączenia wieloprocesorowych z szybkim interfejsem o niskim poborze mocy, aby zastąpić logikę dodatniego sprzężenia emiterowego (PECL).

Normy

ANSI / TIA / EIA -644-A (opublikowana w 2001 r.) definiuje LVDS . Norma ta pierwotnie zalecała maksymalną szybkość transmisji danych 655 Mbit/s przez skrętkę miedzianą, ale szybkości transmisji danych od 1 do 3 Gbit/s są obecnie powszechne na nośnikach transmisyjnych wysokiej jakości. Obecnie technologie szerokopasmowej cyfrowej transmisji sygnału wideo, takie jak LVDS, są również stosowane w pojazdach, w których sygnał przesyłany jako sygnał różnicowy pomaga ze względów EMC. Należy jednak stosować wysokiej jakości ekranowane skrętki dwużyłowe wraz z rozbudowanymi systemami złączy do okablowania. Alternatywą jest użycie kabli koncentrycznych. Badania wykazały, że pomimo uproszczenia medium transmisyjnego dominuje zarówno emisja, jak i odporność w zakresie wysokich częstotliwości. Przyszłe szybkie połączenia wideo mogą być mniejsze, lżejsze i tańsze w realizacji.

Technologie szeregowej transmisji wideo są szeroko stosowane w samochodach do łączenia kamer, wyświetlaczy i urządzeń sterujących. Nieskompresowane dane wideo mają pewne zalety w przypadku niektórych aplikacji. Protokoły komunikacji szeregowej umożliwiają obecnie przesyłanie danych z szybkością w zakresie od 3 do 4 Gbit/s, a tym samym sterowanie wyświetlaczami o rozdzielczości do pełnej HD. Integracja komponentów serializatora i deserializatora w jednostce sterującej ze względu na niewielkie zapotrzebowanie na dodatkowy sprzęt i oprogramowanie jest prosta i niedroga. W przeciwieństwie do tego, rozwiązania magistralowe wymagają połączenia transmisji wideo z odpowiednim sterownikiem sieciowym oraz, w razie potrzeby, zasobów do kompresji danych. Ponieważ w przypadku wielu aplikacji w architekturze wideo nie jest wymagana w pełni funkcjonalna sieć, aw przypadku niektórych związków kompresja danych nie jest możliwa z powodu utraty jakości obrazu i dodatkowych opóźnień, technologie transmisji wideo zorientowane na magistralę są obecnie tylko częściowo atrakcyjne.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Low-voltage_differential_signaling&oldid=1121944539 ”