Низковольтная дифференциальная сигнализация
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июль 2015 г. ) |
| Низковольтная дифференциальная сигнализация | |
| Год создания | 1994 |
|---|---|
| Скорость | 655 Мбит/с (возможны скорости до 1-3 Гбит/с) |
Низковольтная дифференциальная сигнализация ( LVDS ), также известная как TIA/EIA-644 , представляет собой технический стандарт, определяющий электрические характеристики дифференциального сигнализации стандарта последовательной . LVDS работает с низким энергопотреблением и может работать на очень высоких скоростях при использовании недорогих медных кабелей витой пары . LVDS — это только спецификация физического уровня; уровень канала передачи данных, как определено в модели OSI многие стандарты и приложения передачи данных используют его и добавляют поверх него .
LVDS был представлен в 1994 году и стал популярным в таких продуктах, как ЖК-телевизоры, автомобильные развлекательные системы, промышленные камеры и машины машинного зрения, ноутбуки и планшетные компьютеры , а также системы связи. Типичными приложениями являются высокоскоростное видео, графика, передача данных с видеокамер и компьютерные шины общего назначения .
Раньше производители ноутбуков и ЖК-дисплеев обычно использовали термин LVDS вместо FPD-Link при упоминании своего протокола, и термин LVDS ошибочно стал синонимом Flat Panel Display Link в инженерном словаре видеодисплеев.
Дифференциальная и несимметричная передача сигналов
[ редактировать ]LVDS — это дифференциальная сигнальная система, то есть она передает информацию как разницу между напряжениями на паре проводов; напряжения двух проводов сравниваются на приемнике. В типичной реализации передатчик подает в провода постоянный ток силой 3,5 мА , причем направление тока определяет цифровой логический уровень. кабеля Ток проходит через согласующий резистор сопротивлением примерно от 100 до 120 Ом (согласованный с характеристическим сопротивлением для уменьшения отражений) на приемном конце, а затем возвращается в противоположном направлении по другому проводу. Следовательно, согласно закону Ома , разность напряжений на резисторе составляет около 350 мВ . Приемник определяет полярность этого напряжения для определения логического уровня.
Пока между двумя проводами существует тесная связь электрического и магнитного полей, LVDS снижает генерацию электромагнитного шума. Это снижение шума происходит за счет того, что равный и противоположный ток в двух проводах создает равные и противоположные электромагнитные поля, которые имеют тенденцию нейтрализовать друг друга. Кроме того, плотное соединение проводов передачи снижает восприимчивость к электромагнитным помехам, поскольку шум одинаково влияет на каждый провод и проявляется как синфазный шум. На приемник LVDS не влияет синфазный шум, поскольку он воспринимает дифференциальное напряжение, при котором синфазный шум одинаково влияет на обе пары, что приводит к отсутствию относительной разницы напряжений между ними.
Тот факт, что передатчик LVDS потребляет постоянный ток, также предъявляет гораздо меньшие требования к развязке источника питания и, таким образом, создает меньше помех в линиях питания и заземления передающей цепи. Это уменьшает или устраняет такие явления, как отскок земли , который обычно наблюдается в оконечных несимметричных линиях передачи, где высокие и низкие логические уровни потребляют разные токи, или в нетерминированных линиях передачи, где ток появляется внезапно во время переключения.
Низкое синфазное напряжение (среднее значение напряжений на двух проводах) около 1,2 В позволяет использовать LVDS с широким спектром интегральных схем с напряжением питания до 2,5 В и ниже. Кроме того, существуют варианты LVDS, в которых используется более низкое синфазное напряжение. Одним из примеров является sub-LVDS (представленный Nokia в 2004 году), в котором типичное синфазное напряжение составляет 0,9 В. Другой вариант — масштабируемая сигнализация низкого напряжения для 400 мВ (SLVS-400), указанная в JEDEC JESD8-13 октября 2001 г., где напряжение источника питания может составлять всего 800 мВ, а синфазное напряжение составляет около 400 мВ.
Низкое дифференциальное напряжение, около 350 мВ, позволяет LVDS потреблять очень мало энергии по сравнению с другими технологиями передачи сигналов. При напряжении питания 2,5 В мощность для подачи тока 3,5 мА становится 8,75 мВт по сравнению с 90 мВт, рассеиваемыми нагрузочным резистором для сигнала RS-422 .
Логические уровни: [1]
| Эх | В ОЛ | VВОХ | В куб.см. | В. директор по маркетингу |
|---|---|---|---|---|
| Земля | 1.0 V | 1.4 V | 2.5–3.3 V | 1.2 V |
LVDS — не единственная дифференциальной сигнализации используемая система с низким энергопотреблением, другие включают в себя последовательный ввод-вывод Fairchild Current Transfer Logic.
Приложения
[ редактировать ]В 1994 году компания National Semiconductor представила технологию LVDS, которая впоследствии стала фактическим стандартом высокоскоростной передачи данных. [2] : 8
LVDS стал популярным в середине 1990-х годов. До этого разрешение мониторов компьютеров было недостаточно большим, чтобы требовать таких высоких скоростей передачи данных для графики и видео. Однако в 1992 году Apple Computer потребовался метод передачи нескольких потоков цифрового видео без перегрузки существующего NuBus на объединительной плате . Apple и National Semiconductor ( NSC ) создали QuickRing , первую интегральную схему, использующую LVDS. QuickRing представлял собой высокоскоростную вспомогательную шину для видеоданных в обход NuBus в компьютерах Macintosh. Мультимедийные жесткого и суперкомпьютерные приложения продолжали расширяться, поскольку оба требовали передачи больших объемов данных по каналам длиной в несколько метров (например, с на рабочую станцию диска ).
Первое коммерчески успешное применение LVDS было в портативных компьютерах, передающих видеоданные от графических процессоров на плоские дисплеи с помощью Flat Panel Display Link от National Semiconductor. Первый набор микросхем FPD-Link сократил 21-битный видеоинтерфейс и тактовую частоту до четырех дифференциальных пар (8 проводов), что позволило ему легко пройти через шарнир между дисплеем и ноутбуком и воспользоваться преимуществами низкоскоростного соединения LVDS. Шумовые характеристики и высокая скорость передачи данных. FPD-Link стал де-факто открытым стандартом для этого приложения для ноутбуков в конце 1990-х годов и до сих пор является доминирующим интерфейсом дисплея. [ когда? ] в ноутбуках и планшетных компьютерах. Именно по этой причине такие поставщики микросхем, как Texas Instruments, Maxim, Fairchild и Thine, выпускают свои версии чипсета FPD-Link.
Приложения для LVDS расширились до плоских дисплеев для потребительских телевизоров по мере увеличения разрешения экрана и глубины цвета. Для обслуживания этого приложения наборы микросхем FPD-Link продолжали увеличивать скорость передачи данных и количество параллельных каналов LVDS, чтобы удовлетворить внутренние требования телевидения по передаче видеоданных от основного видеопроцессора к контроллеру синхронизации панели дисплея. FPD-Link (обычно называемый LVDS) стал фактическим стандартом для этого внутреннего телевизионного соединения и остается доминирующим интерфейсом для этого приложения в 2012 году. [ нужна ссылка ]
Следующим целевым приложением была передача видеопотоков через внешнее кабельное соединение между настольным компьютером и дисплеем или DVD-плеером и телевизором. NSC представила усовершенствованные версии FPD-Link с более высокой производительностью, названные интерфейсом дисплея LVDS (LDI) и OpenLDI стандартами . Эти стандарты допускают максимальную тактовую частоту пикселей 112 МГц, чего достаточно для разрешения дисплея 1400 × 1050 ( SXGA+ ) с частотой обновления 60 Гц. Двойной канал может увеличить максимальное разрешение дисплея до 2048 × 1536 ( QXGA ) при частоте 60 Гц. FPD-Link работает с кабелями длиной примерно до 5 м, а LDI увеличивает эту длину примерно до 10 м. Однако цифровой визуальный интерфейс (DVI), использующий TMDS поверх сигналов CML , выиграл соревнование по стандартам и стал стандартом для внешнего подключения настольных компьютеров к мониторам, а HDMI в конечном итоге стал стандартом для подключения источников цифрового видео, таких как DVD-плееры, к плоским дисплеям в потребительских устройствах. приложения.
Еще одним успешным приложением LVDS является Camera Link , который представляет собой протокол последовательной связи, разработанный для приложений компьютерного зрения и основанный на наборе микросхем NSC под названием Channel Link , который использует LVDS. Camera Link стандартизирует видеоинтерфейсы для научной и промышленной продукции, включая камеры, кабели и устройства захвата кадров. Ассоциация автоматизированной обработки изображений (AIA) поддерживает и управляет стандартом, поскольку она является глобальной отраслевой группой по торговле машинным зрением .
Другими примерами LVDS, используемыми в компьютерных шинах, являются HyperTransport и FireWire , оба из которых ведут свое развитие к работам после Futurebus , которые также привели к SCI . Кроме того, LVDS — это сигнализация физического уровня в стандартах SCSI (Ultra-2 SCSI и более поздних версиях), обеспечивающая более высокие скорости передачи данных и большую длину кабеля. Serial ATA (SATA), RapidIO и SpaceWire используют LVDS для обеспечения высокоскоростной передачи данных.
В декабре 2010 года Intel и AMD опубликовали пресс-релиз, в котором заявили, что к 2013 году они больше не будут поддерживать интерфейс ЖК-панели LVDS в своих линейках продуктов. Они продвигают Embedded DisplayPort и Internal DisplayPort как свое предпочтительное решение. [3] Однако интерфейс ЖК-панели LVDS оказался самым дешевым методом передачи потокового видео с блока обработки видео на контроллер синхронизации ЖК-панели внутри телевизора или ноутбука, и в феврале 2018 года производители ЖК-телевизоров и ноутбуков продолжают внедрять новые продукты с использованием интерфейса LVDS.
Первоначально LVDS был представлен как стандарт на 3,3 В. Масштабируемая низковольтная сигнализация ( SLVS ) имеет более низкое синфазное напряжение 200 мВ и уменьшенный размах напряжения, но в остальном такая же, как LVDS. [2] : 9
Сравнение последовательной и параллельной передачи данных
[ редактировать ]LVDS работает как при параллельной , так и при последовательной передаче данных . При параллельной передаче несколько дифференциальных пар данных передают одновременно несколько сигналов, включая тактовый сигнал для синхронизации данных. При последовательной связи несколько несимметричных сигналов преобразуются в одну дифференциальную пару со скоростью передачи данных, равной скорости всех объединенных несимметричных каналов. Например, параллельная шина шириной 7 бит, преобразованная в одну пару, которая будет работать со скоростью передачи данных, в 7 раз превышающей скорость передачи данных одного несимметричного канала. Устройствами для преобразования последовательных и параллельных данных являются сериализатор и десериализатор, сокращенно SerDes , когда два устройства содержатся в одной интегральной схеме.
Например, FPD-Link фактически использует LVDS в сочетании последовательной и параллельной связи. Оригинальный FPD-Link, предназначенный для 18-битного RGB-видео, имеет 3 параллельные пары данных и пару часов, поэтому это схема параллельной связи. Однако каждая из трех пар передает 7 последовательных битов в течение каждого тактового цикла. Таким образом, параллельные пары FPD-Link передают последовательные данные, но для восстановления и синхронизации данных используются параллельные часы.
Последовательная передача данных также может включать часы в поток последовательных данных. Это устраняет необходимость в параллельных часах для синхронизации данных. Существует несколько методов внедрения часов в поток данных. Один из методов заключается в вставке двух дополнительных битов в поток данных в качестве стартового и стопового бита, чтобы гарантировать смену битов через регулярные промежутки времени и имитировать тактовый сигнал. Другой метод — кодирование 8b/10b.
Передача LVDS с кодированием 8b/10b
[ редактировать ]LVDS не определяет схему битового кодирования, поскольку это только стандарт физического уровня. LVDS поддерживает любую заданную пользователем схему кодирования для отправки и получения данных по каналу LVDS, включая данные в кодировке 8b/10b. Схема кодирования 8b/10b внедряет информацию тактового сигнала и имеет дополнительное преимущество баланса постоянного тока. Баланс постоянного тока необходим для путей передачи, связанных по переменному току (например, емкостных или трансформаторных). Существуют также методы кодирования баланса постоянного тока для встроенных тактовых импульсов стартового/стопового бита, которые обычно включают в себя метод скремблирования данных. Ключевым моментом в LVDS является сигнализация физического уровня для передачи битов по проводам. Он совместим практически со всеми методами кодирования данных и внедрения часов.
LVDS для приложений с очень высокой пропускной способностью данных
[ редактировать ]Когда одна дифференциальная пара последовательных данных недостаточно быстрая, существуют методы параллельной группировки каналов последовательных данных и добавления параллельного тактового канала для синхронизации. Это метод, используемый FPD-Link. Другими примерами параллельного LVDS, использующего несколько пар LVDS и параллельные часы для синхронизации, являются Channel Link и HyperTransport .
Существует также метод увеличения пропускной способности данных путем группировки нескольких каналов данных LVDS со встроенными часами. Однако это не параллельный LVDS, поскольку здесь нет параллельного тактового сигнала и каждый канал имеет свою собственную тактовую информацию. Примером этого метода является PCI Express , где 2, 4 или 8 последовательных каналов с кодировкой 8b/10b передают данные приложения от источника к месту назначения. В этом случае пункт назначения должен использовать метод синхронизации данных для согласования нескольких каналов последовательных данных.
Многоточечный LVDS
[ редактировать ]Первоначальный стандарт LVDS предусматривал передачу цифрового сигнала только от одного передатчика к одному приемнику в топологии «точка-точка». Однако инженеры, использующие первые продукты LVDS, вскоре захотели управлять несколькими приемниками с помощью одного передатчика в многоточечной топологии. В результате компания NSC изобрела Bus LVDS (BLVDS) как первый вариант LVDS, предназначенный для управления несколькими приемниками LVDS. Он использует согласующие резисторы на каждом конце дифференциальной линии передачи для поддержания целостности сигнала. Двойное согласование необходимо, поскольку в центре шины можно разместить один или несколько передатчиков, передающих сигналы к приемникам в обоих направлениях. Отличие от стандартных передатчиков LVDS заключалось в увеличении выходного тока для управления несколькими согласующими резисторами. Кроме того, передатчики должны допускать возможность одновременного управления одной и той же шиной другими передатчиками.
Двухточечный LVDS обычно работает при токе 3,5 мА. Многоточечный LVDS или шинный LVDS (B-LVDS) может работать с током до 12 мА. [2] : 9
Bus LVDS и LVDM (Low-Voltage Differential Multipoint) (от TI являются ) де-факто многоточечными стандартами LVDS. [ нужна ссылка ]
Многоточечный LVDS ( MLVDS или M-LVDS) [4] [5] ) — это стандарт TIA (TIA-899). Стандарт AdvancedTCA определил MLVDS для распределения тактового сигнала через объединительную плату на каждую из плат вычислительного модуля в системе.
MLVDS имеет два типа приемников. Тип 1 совместим с LVDS и использует порог +/- 50 мВ. Приемники типа 2 позволяют передавать сигналы Wire-Or с устройствами M-LVDS. Для M-LVDS:
| Выход | Вход | ||
|---|---|---|---|
| Общий режим | широкий- стиль | ||
| Мин. | 0.3 V | 0.48 V | −1.4 V |
| Макс. | 2.1 V | 0.65 V | +3.8 V |
SCI-LVDS
[ редактировать ]Нынешней форме LVDS предшествовал более ранний стандарт, основанный на масштабируемом когерентном интерфейсе (SCI). SCI-LVDS был подмножеством семейства стандартов SCI и указан в стандарте IEEE 1596.3 1995 года. Комитет SCI разработал LVDS для соединения многопроцессорных систем с помощью высокоскоростного интерфейса с низким энергопотреблением, который заменит положительную логику с эмиттерной связью (PECL).
Стандарты
[ редактировать ]Стандарт ANSI / TIA / EIA -644-A (опубликован в 2001 г.) определяет LVDS. Первоначально этот стандарт рекомендовал максимальную скорость передачи данных 655 Мбит/с по медному проводу витой пары, но сегодня в высококачественных средах передачи распространены скорости передачи данных от 1 до 3 Гбит/с. [6] Сегодня технологии широкополосной передачи цифрового видеосигнала, такие как LVDS, также используются в транспортных средствах, в которых сигнал, передаваемый как дифференциальный сигнал, помогает из соображений ЭМС. Однако для прокладки кабелей необходимо использовать высококачественные экранированные витые пары со сложными системами разъемов. Альтернативой является использование коаксиальных кабелей. Исследования показали, что возможно, несмотря на упрощенную передающую среду, доминировать как по излучению, так и по помехоустойчивости в высокочастотном диапазоне. Будущие высокоскоростные видеосоединения могут быть меньше, легче и дешевле в реализации.
Технологии последовательной передачи видео широко используются в автомобиле для связи камер, дисплеев и устройств управления. Несжатые видеоданные имеют некоторые преимущества для определенных приложений. Протоколы последовательной связи теперь позволяют передавать данные со скоростью от 3 до 4 Гбит/с и, таким образом, управлять дисплеями с разрешением вплоть до Full HD. Интеграция компонентов сериализатора и десериализатора в блок управления благодаря низким требованиям к дополнительному аппаратному и программному обеспечению проста и недорога. Напротив, требуются шинные решения для подключения передачи видео к соответствующему сетевому контроллеру и, при необходимости, ресурсы для сжатия данных. Поскольку для многих приложений не требуется полнофункциональная сеть во всей видеоархитектуре, а для некоторых соединений сжатие данных невозможно из-за потери качества изображения и дополнительной задержки, технологии передачи видео по шине в настоящее время привлекательны лишь частично.
См. также
[ редактировать ]- Логика токового режима , еще один стандарт дифференциальной сигнализации.
- Контроллер дисплея , один тип микросхемы, отправляющий сигнал LVDS.
- FPD-Link , аналогичный, но другой LVDS
- Список битрейтов интерфейса
- Положительная логика с эмиттерной связью (PECL и LVPECL)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Взаимодействие между уровнями LVPECL, VML, CML и LVDS , SLLA120, Texas Instruments, декабрь 2002 г.
- ^ Jump up to: а б с Марк Дефосс. «Д-ФАЙ Солюшнс» .
- ^ Ведущие компании по производству ПК переходят на полностью цифровые технологии отображения, постепенно отказываясь от аналоговых.
- ^ «M-LVDS (Многоточечная дифференциальная сигнализация низкого напряжения)» . Аналоговые устройства . 28 июля 2022 г. Проверено 7 апреля 2024 г.
- ^ «Введение в M-LVDS (TIA/EIA-899)» (PDF) . Проверено 7 апреля 2024 г.
- ^ «Описание шины EIA-644, RS644 LVDS» . 080310interfacebus.com
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Multipoint LVDS (M-LVDS) — Стандарт шины от Texas Instruments , 2007. (в архиве)
- Книга данных и приложений LVDS , SLLD009, Texas Instruments , ноябрь 2002 г.
- Обзор технологии LVDS , AN-971, Texas Instruments, июль 1998 г.
- Руководство пользователя LVDS , 4-е издание, Texas Instruments, 2008 г.
- Введение в M-LVDS (TIA/EIA-899) , SLLA108, Texas Instruments, февраль 2002 г.
- Масштабируемая низковольтная сигнализация SLVS-400 , стандарт JEDEC, JESD8-13, октябрь 2001 г.
- Совместимость LVDS со стандартами интерфейса RS422 и RS485 , AN-5023, Fairchild Semiconductor , июль 2002 г.
- Микросхемы LVDS, M-LVDS и PECL , Texas Instruments