Lågspänningsdifferentialsignalering - Low-voltage differential signaling

LVDS
Lågspänningsdifferentialsignalering (LVDS)
År skapat 1994
Hastighet 655 Mbit / s (hastigheter upp till 1-3 Gbit / s möjliga)
Grundläggande LVDS-kretsfunktion som visar ström som strömmar i en slinga tillbaka till föraren och den resulterande lägre utstrålade strålningen (EMI) på grund av fältkoppling i differentialparet

Lågspänningsdifferentialsignalering , eller LVDS , även känd som TIA / EIA-644 , är en teknisk standard som specificerar elektriska egenskaper hos en differentiell , seriell signalstandard, men det är inte ett protokoll. LVDS arbetar med låg effekt och kan köras i mycket höga hastigheter med billiga kopplade kablar. LVDS är bara en fysisk specifikation; många datakommunikationsstandarder och applikationer använder den och lägger till ett datalänkskikt som definierats i OSI-modellen ovanpå.

LVDS infördes 1994 och har blivit populär i produkter såsom LCD-TV, bil infotainment system, industriella kameror och datorseende, bärbara och tablet -datorer , och kommunikationssystem. De typiska applikationerna är höghastighetsvideo, grafik, videokameraöverföringar och datorbussar för allmänt ändamål .

Tidigt använde bärbara datorer och LCD-skärmleverantörer vanligtvis termen LVDS istället för FPD-Link när de hänvisade till deras protokoll, och termen LVDS har av misstag blivit synonymt med Flat Panel Display Link i videofilmens tekniska ordförråd.

Differential mot enstaka signaler

LVDS är ett differentiellt signaleringssystem , vilket innebär att det överför information som skillnaden mellan spänningarna på ett par ledningar. de två trådspänningarna jämförs på mottagaren. I en typisk implementering injicerar sändaren en konstant ström på 3,5  mA i ledningarna, med strömriktningen som bestämmer den digitala logiska nivån. Strömmen passerar genom ett avslutningsmotstånd på cirka 100 till 120 ohm (matchad med kabelns karakteristiska impedans för att minska reflektioner) vid mottagningsänden och återvänder sedan i motsatt riktning via den andra ledningen. Enligt Ohms lag är spänningsskillnaden över motståndet därför cirka 350  mV . Mottagaren känner av polariteten hos denna spänning för att bestämma logiknivån.

Så länge det finns en tät elektrisk- och magnetfältkoppling mellan de två ledningarna minskar LVDS genereringen av elektromagnetiskt brus. Denna brusreduktion beror på det lika och motsatta strömflödet i de två ledningarna som skapar lika och motsatta elektromagnetiska fält som tenderar att avbryta varandra. Dessutom kommer de tätt kopplade transmissionstrådarna att minska känsligheten för störningar av elektromagnetiskt brus, eftersom bruset kommer att påverka varje tråd lika och visas som ett vanligt brus. LVDS-mottagaren påverkas inte av common mode-brus eftersom den känner av differentialspänningen, vilket inte påverkas av common mode-spänningsförändringar.

Det faktum att LVDS-sändaren förbrukar en konstant ström ställer också mycket mindre efterfrågan på frikopplingen av strömförsörjningen och ger därmed mindre störningar i sändningskretsens kraft- och jordledningar. Detta minskar eller eliminerar fenomen som markstopp som normalt ses i avslutade överföringslinjer med ena ändar där höga och låga logiska nivåer förbrukar olika strömmar, eller i icke-avslutade överföringsledningar där en ström uppträder plötsligt under omkopplingen.

Den låga common mode-spänningen (genomsnittet av spänningarna på de två ledningarna) på cirka 1,2 V gör det möjligt att använda LVDS med ett brett spektrum av integrerade kretsar med spänningsförsörjning ner till 2,5 V eller lägre. Dessutom finns det variationer av LVDS som använder en lägre common mode-spänning. Ett exempel är sub-LVDS (introducerades av Nokia 2004) som använder 0,9 V typiskt common mode-spänning. En annan är skalbar lågspänningssignalering för 400 mV (SLVS-400) specificerad i JEDEC JESD8-13 oktober 2001 där strömförsörjningen kan vara så låg som 800 mV och common mode-spänningen är cirka 400 mV.

Den låga differentiella spänningen, cirka 350 mV, gör att LVDS förbrukar väldigt lite ström jämfört med andra signaltekniker. Vid 2,5 V matningsspänning blir kraften att driva 3,5 mA 8,75 mW, jämfört med 90 mW som släpps av lastmotståndet för en RS-422- signal.

Logiska nivåer:

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 är inte det enda differentiella signalsystemet med låg effekt som används, andra inkluderar Fairchild Current Transfer Logic serie I / O.

Applikationer

1994 introducerade National Semiconductor LVDS, som senare blev en de facto standard för höghastighets dataöverföring.

Doestek 34LM85AM, används i en surfplatta som sändare för platt skärm

LVDS blev populärt i mitten av 1990-talet. Innan dess var datorupplösningar inte tillräckligt stora för att behöva så snabba datahastigheter för grafik och video. 1992 behövde Apple Computer dock en metod för att överföra flera strömmar av digital video utan att överbelasta befintlig NuBus på bakplanet . Apple och National Semiconductor ( NSC ) skapade QuickRing , som var den första integrerade kretsen med LVDS. QuickRing var en snabbbuss för videodata för att kringgå NuBus i Macintosh-datorer. De multimedia och superdatorapplikationer fortsatte att expandera eftersom båda behövs för att flytta stora mängder data över länkar flera meter lång (från en hårddisk till en arbetsstation till exempel).

Den första kommersiellt framgångsrika applikationen för LVDS var på bärbara datorer som överförde videodata från grafikbehandlingsenheter till platta skärmar med hjälp av Flat Panel Display Link av National Semiconductor. Den första FPD-Link-chipset reducerade ett 21-bitars brett videogränssnitt plus klockan ner till endast 4 olika par (8 ledningar), vilket gjorde det enkelt att passa genom gångjärnet mellan skärmen och den bärbara datorn och dra nytta av LVDS låg- brusegenskaper och snabb datahastighet. FPD-Link blev den de facto öppna standarden för denna bärbara applikation i slutet av 1990-talet och är fortfarande det dominerande skärmgränssnittet idag på bärbara och surfplattor. Detta är anledningen till att IC-leverantörer som Texas Instruments, Maxim, Fairchild och Thine producerar sina versioner av FPD-Link-chipsetet.

FPD-länk I-serien

Applikationerna för LVDS utvidgades till platta skärmar för konsument-TV-apparater när skärmupplösningar och färgdjup ökade. För att betjäna denna applikation fortsatte FPD-Link-kretsuppsättningarna att öka datahastigheten och antalet parallella LVDS-kanaler för att möta det interna TV-kravet för överföring av videodata från huvudvideoprocessorn till displaypanelens timingstyrenhet. FPD-Link (vanligtvis kallad LVDS) blev de facto-standarden för denna interna TV-anslutning och är fortfarande det dominerande gränssnittet för denna applikation 2012.

Nästa målapplikation var att överföra videoströmmar via en extern kabelanslutning mellan en stationär dator och skärm, eller en DVD-spelare och en TV. NSC introducerade högre prestanda uppföljningar till FPD-Link som kallas LVDS Display Interface (LDI) och OpenLDI standarder. Dessa standarder tillåter en maximal pixelklocka på 112 MHz, vilket räcker för en skärmupplösning på 1400 × 1050 ( SXGA + ) vid 60 Hz uppdatering. En dubbel länk kan öka den maximala skärmupplösningen till 2048 × 1536 ( QXGA ) vid 60 Hz. FPD-Link fungerar med kabellängder upp till cirka 5 m och LDI utökar detta till cirka 10 m. Men Digital Visual Interface (DVI) med TMDS över CML signaler vann standarder konkurrens och blev standarden för externt ansluta stationära datorer till bildskärmar och HDMI blev så småningom standard för anslutning av digitala videokällor som DVD-spelare till platta bildskärmar i konsument applikationer.

En annan framgångsrik LVDS-applikation är Camera Link , som är ett seriellt kommunikationsprotokoll utformat för datorvisionsapplikationer och baserat på NSC-chipsetet Channel Link som använder LVDS. Camera Link standardiserar videogränssnitt för vetenskapliga och industriella produkter inklusive kameror, kablar och ramgreppare. Den Automated Imaging Association (AIA) upprätthåller och administrerar standard eftersom det är branschens globala maskinseende handelsgrupp.

Fler exempel på LVDS som används i datorbussar är HyperTransport och FireWire , som båda spårar sin utveckling tillbaka till post- Futurebus- arbetet, vilket också ledde till SCI . Dessutom är LVDS den fysiska lagersignalering i SCSI- standarder (Ultra-2 SCSI och senare) för att möjliggöra högre datahastigheter och längre kabellängder. Seriell ATA (SATA), RapidIO och SpaceWire använder LVDS för att möjliggöra höghastighetsdataöverföring.

Intel och AMD publicerade ett pressmeddelande i december 2010 om att de inte längre skulle stödja LVDS LCD-panelgränssnitt i sina produktlinjer till 2013. De marknadsför Embedded DisplayPort och Internal DisplayPort som deras föredragna lösning. LVDS LCD-panelgränssnitt har dock visat sig vara den billigaste metoden för att flytta strömmande video från en videobearbetningsenhet till en LCD-panel timing controller inom en TV eller notebook, och i februari 2018 fortsätter LCD-TV och notebook-tillverkare att införa nya produkter som använder LVDS-gränssnittet.

LVDS introducerades ursprungligen som en 3,3 V-standard. Skalbar lågspänningssignalering ( SLVS ) har en lägre common mode-spänning på 200 mV och en reducerad pp-svängning, men är annars densamma som LVDS.

Jämför seriell och parallell dataöverföring

LVDS fungerar i både parallell och seriell dataöverföring . I parallella överföringar bär flera datadifferentialpar flera signaler samtidigt som inkluderar en klocksignal för att synkronisera datan. I seriekommunikation serieras flera enstaka signaler till ett enda differentieringspar med en datahastighet som är lika med den för alla kombinerade enstaka kanaler. Till exempel serieras en 7-bitars bred parallellbuss till ett enda par som kommer att fungera med sju gånger datahastigheten för en enda kanal. Enheterna för konvertering mellan seriell och parallell data är serialiseraren och deserialiseraren, förkortad till SerDes när de två enheterna finns i en integrerad krets.

Inbyggd klockserialiserare

Som ett exempel använder FPD-Link faktiskt LVDS i en kombination av serie- och parallellkommunikation. Den ursprungliga FPD-Link designad för 18-bitars RGB-video har 3 parallella datapar och ett klockpar, så detta är ett parallellt kommunikationsschema. Var och en av de tre paren överför dock 7 seriebitar under varje klockcykel. Så FPD-Link parallella par bär seriell data, men använd en parallell klocka för att återställa och synkronisera data.

Seriell datakommunikation kan också bädda in klockan i den seriella dataströmmen. Detta eliminerar behovet av en parallell klocka för att synkronisera data. Det finns flera metoder för att bädda in en klocka i en dataström. En metod är att infoga 2 extra bitar i dataströmmen som en startbit och stoppbit för att garantera bitövergångar med jämna mellanrum för att efterlikna en klocksignal. En annan metod är 8b / 10b-kodning.

LVDS-överföring med 8b / 10b-kodning

LVDS anger inte ett bitkodningsschema eftersom det bara är en fysisk lagerstandard. LVDS rymmer alla användarspecificerade kodningsscheman för att skicka och ta emot data över en LVDS-länk, inklusive kodad 8b / 10b-data. Ett kodningsschema för 8b / 10b bäddar in klocksignalinformationen och har den extra fördelen med likvärdig balans. DC-balans är nödvändig för AC-kopplade överföringsvägar (såsom kapacitiva eller transformator-kopplade banor). Det finns också DC-balans-kodningsmetoder för startbit / stopbit-inbäddad klocka, som vanligtvis inkluderar en datakrypningsteknik. Nyckelpunkten i LVDS är den fysiska lagersignalering för att transportera bitar över ledningar. Den är kompatibel med nästan all datakodning och klockbäddningsteknik.

LVDS för applikationer med mycket hög dataflöde

När ett enda differentiellt par seriell data inte är tillräckligt snabbt finns tekniker för att gruppera seriella datakanaler parallellt och lägga till en parallell klockkanal för synkronisering. Detta är den teknik som används av FPD-Link. Andra exempel på parallella LVDS som använder flera LVDS-par och en parallellklocka för att synkronisera är Channel Link och HyperTransport .

Det finns också tekniken för att öka dataflödet genom att gruppera flera LVDS-med-inbäddade klockdatakanaler. Detta är dock inte parallell LVDS eftersom det inte finns någon parallell klocka och varje kanal har sin egen klockinformation. Ett exempel på denna teknik är PCI Express där 2, 4 eller 8 8b / 10b-kodade seriella kanaler bär applikationsdata från källa till destination. I detta fall måste destinationen använda en datasynkroniseringsmetod för att inrikta de flera seriella datakanalerna.

Multipoint LVDS

Den ursprungliga LVDS-standarden tänkte bara köra en digital signal från en sändare till en mottagare i en punkt-till-punkt-topologi. Men ingenjörer som använde de första LVDS-produkterna ville snart köra flera mottagare med en enda sändare i en multipunkt-topologi. Som ett resultat uppfann NSC Bus LVDS (BLVDS) som den första varianten av LVDS utformad för att driva flera LVDS-mottagare. Den använder termineringsmotstånd i vardera änden av differentialöverföringsledningen för att upprätthålla signalintegriteten. Dubbelavslutning är nödvändig eftersom det är möjligt att ha en eller flera sändare i mitten av bussen som driver signaler mot mottagare i båda riktningarna. Skillnaden från vanliga LVDS-sändare ökade strömutgången för att driva de multipla avslutningsmotstånden. Dessutom måste sändarna tolerera möjligheten att andra sändare samtidigt kör samma buss.

Typisk avslutning av flera punkter

Punkt-till-punkt-LVDS fungerar vanligtvis vid 3,5 mA. Flerpunkts LVDS eller buss LVDS (B-LVDS) kan fungera upp till 12 mA.

Buss LVDS och LVDM (av TI ) är de facto LVDS-standarder för flera punkter. Multipoint LVDS ( MLVDS ) är TIA- standarden (TIA-899). Den AdvancedTCA standarden angivna MLVDS för distribution klocka över bakplanet till var och en av räknemodulen korten i systemet.

MLVDS har två typer av mottagare. Typ 1 är kompatibel med LVDS och använder en +/− 50 mV tröskel. Typ-2-mottagare tillåter trådbunden-eller-signalering med M-LVDS-enheter. För M-LVDS:

Produktion Inmatning
Vanligt
läge 		Ampli-
tude
Min. 0,3 V 0,48 V −1,4 V
Max. 2,1 V 0,65 V +3,8 V.

SCI-LVDS

Den nuvarande formen av LVDS föregicks av en tidigare standard initierad i Scalable Coherent Interconnect (SCI). SCI-LVDS var en delmängd av SCI-standardfamiljen och specificerad i IEEE 1596.3 1995-standarden. SCI-kommittén designade LVDS för sammankoppling av multiprocessing- system med ett höghastighets- och lågeffektgränssnitt för att ersätta positiv emitterkopplad logik (PECL).

Standarder

Den ANSI / TIA / EIA -644-A (publicerad 2001) standarden definierar LVDS. Denna standard rekommenderade ursprungligen en maximal datahastighet på 655 Mbit / s över tvinnat koppartråd, men datahastigheter från 1 till 3 Gbit / s är vanliga idag på högkvalitativa överföringsmedier. Idag används tekniker för bredbandsöverföring av digital videosignal som LVDS också i fordon, där signalen som sänds som en differentiell signal hjälper till av EMC-skäl. Högkvalitativa skärmade tvinnade kablar måste dock användas tillsammans med detaljerade anslutningssystem för kabling. Ett alternativ är användningen av koaxialkablar. Studier har visat att det är möjligt trots det förenklade överföringsmediet dominerar både emission och immunitet i högfrekvensområdet. Framtida höghastighetsvideoanslutningar kan vara mindre, lättare och billigare att förverkliga.

Seriell videoöverföringsteknik används ofta i bilen för att länka kameror, skärmar och kontrollenheter. Den okomprimerade videodata har vissa fördelar för vissa applikationer. Seriekommunikationsprotokoll tillåter nu överföring av datahastigheter i intervallet 3 till 4 Gbit / s och därmed kontroll av skärmar med upp till full HD-upplösning. Integrationen av serialiserings- och deserializer-komponenterna i styrenheten på grund av låga krav på ytterligare hårdvara och mjukvara enkelt och billigt. Däremot kräver busslösningar för videoöverföringsanslutning till en motsvarande nätverksstyrenhet och vid behov resurser för datakomprimering. Eftersom för många applikationer inte krävs ett fullfunktionsnätverk i hela videokonstruktionen och för vissa föreningar är datakomprimering inte möjlig på grund av förlust av bildkvalitet och ytterligare latens, och bussorienterad videoöverföringsteknik är för närvarande endast delvis attraktiv.

Se även

Referenser

externa länkar