Lågspänningsdifferentialsignalering

LVDS
Lågspänningsdifferentialsignalering
År skapat 1994
Fart 655 Mbit/s (hastigheter upp till 1-3 Gbit/s möjliga)
Grundläggande LVDS-kretsdrift som visar ström som flyter i en slinga tillbaka till föraren och den resulterande lägre utstrålade emissionen (EMI) på grund av fältkopplingen inom differentialparet

Lågspänningsdifferentialsignalering ( LVDS ), även känd som TIA/EIA-644 , är en teknisk standard som specificerar elektriska egenskaper hos en differentiell , seriell signaleringsstandard. LVDS arbetar med låg effekt och kan köras i mycket höga hastigheter med hjälp av billiga tvinnade kopparkablar. LVDS är endast en fysisk lagerspecifikation; många datakommunikationsstandarder och applikationer använder det och lägger till ett datalänkslager som definierats i OSI-modellen ovanpå det.

LVDS introducerades 1994 och har blivit populärt i produkter som LCD-TV, underhållningssystem i bilen , industriella kameror och maskinseende, bärbara datorer och surfplattor och kommunikationssystem. De typiska applikationerna är höghastighetsvideo, grafik, videokameradataöverföringar och datorbussar för allmänna ändamål .

Tidigt använde leverantörer av bärbara datorer och LCD-skärmar ofta 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 videodisplayens tekniska vokabulär.

Differential vs. single-ended signalering

LVDS är ett differentiellt signaleringssystem , vilket betyder att det sänder information som skillnaden mellan spänningarna på ett par ledningar; de två trådspänningarna jämförs vid 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 termineringsmotstånd på cirka 100 till 120 ohm (matchat till kabelns karakteristiska impedans för att minska reflektioner) i den mottagande änden, och går sedan tillbaka i motsatt riktning via den andra ledningen. Från Ohms lag är spänningsskillnaden över motståndet därför cirka 350 mV . Mottagaren känner av polariteten för denna spänning för att bestämma den logiska nivån.

Så länge det finns en tät elektrisk och magnetisk fältkoppling mellan de två ledningarna, minskar LVDS genereringen av elektromagnetiskt brus. Denna brusreducering beror på att det lika och motsatta strömflödet i de två ledningarna skapar lika och motsatta elektromagnetiska fält som tenderar att upphäva varandra. Dessutom kommer de tätt kopplade överföringskablarna att minska känsligheten för elektromagnetiska störningar eftersom bruset kommer att påverka varje ledning lika mycket och uppträda som ett allmänt brus. LVDS-mottagaren är opåverkad av common mode brus eftersom den känner av differentialspänningen, som inte påverkas av common mode spänningsförändringar.

Det faktum att LVDS-sändaren förbrukar en konstant ström ställer också mycket mindre krav på strömförsörjningsavkopplingen och ger därmed mindre störningar i sändarkretsens kraft- och jordledningar. Detta minskar eller eliminerar fenomen såsom jordstuds, som vanligtvis ses i avslutade enkeländade transmissionsledningar där höga och låga logiska nivåer förbrukar olika strömmar, eller i icke-terminerade transmissionsledningar där en ström uppträder abrupt under omkoppling.

Den låga common-mode-spänningen (medelvärdet av spänningarna på de två ledningarna) på cirka 1,2 V tillåter användning av LVDS med ett brett utbud av integrerade kretsar med strömförsörjningsspänningar ner till 2,5 V eller lägre. Dessutom finns det varianter av LVDS som använder en lägre common mode-spänning. Ett exempel är sub-LVDS (introducerades av Nokia 2004) som använder 0,9 V typisk 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 differentialspänningen, cirka 350 mV, gör att LVDS förbrukar mycket lite ström jämfört med andra signaltekniker. Vid 2,5 V matningsspänning blir effekten för att driva 3,5 mA 8,75 mW, jämfört med de 90 mW som förbrukas av belastningsmotståndet 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 lågeffekts differentialsignaleringssystem som används, andra inkluderar Fairchild Current Transfer Logic seriell I/O.

Ansökningar

1994 introducerade National Semiconductor LVDS, som senare blev en de facto-standard för höghastighetsdataöverföring.

Doestek 34LM85AM, används i en surfplatta som plattskärmssändare

LVDS blev populärt i mitten av 1990-talet. Innan dess var datorskärmens upplösningar inte tillräckligt stora för att behöva så snabba datahastigheter för grafik och video. Men 1992 behövde Apple Computer en metod för att överföra flera strömmar av digital video utan att överbelasta den befintliga NuBus på bakplanet . Apple och National Semiconductor ( NSC ) skapade QuickRing , som var den första integrerade kretsen som använde LVDS. QuickRing var en höghastighetshjälpbuss för videodata för att kringgå NuBus i Macintosh-datorer. Multimedia- och superdatorapplikationerna fortsatte att expandera eftersom båda behövde flytta stora mängder data över flera meter långa länkar (från en hårddisk till en arbetsstation till exempel).

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

FPD Link I serializer

Applikationerna för LVDS utökades till platta bildskärmar för konsument-TV-apparater i takt med att skärmupplösningar och färgdjup ökade. För att tjäna denna applikation fortsatte FPD-Link-kretsuppsättningarna att öka datahastigheten och antalet parallella LVDS-kanaler för att möta det interna TV-kravet för att överföra videodata från huvudvideoprocessorn till displaypanelens tidsstyrning. FPD-Link (vanligen kallad LVDS) blev de facto-standarden för denna interna TV-sammankoppling och förblir det dominerande gränssnittet för denna applikation 2012. [ citat behövs ]

Nästa målapplikation var att överföra videoströmmar via en extern kabelanslutning mellan en stationär dator och bildskärm, eller en DVD-spelare och en TV. NSC introducerade uppföljare med högre prestanda 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 dubbellänk kan öka den maximala skärmupplösningen till 2048 × 1536 ( QXGA ) vid 60 Hz. FPD-Link fungerar med kabellängder upp till ca 5 m, och LDI förlänger denna till ca 10 m. Digital Visual Interface (DVI) som använder TMDS över CML -signaler vann dock standardtävlingen och blev standarden för extern anslutning av stationära datorer till bildskärmar, och HDMI blev så småningom standarden för att ansluta digitala videokällor som DVD-spelare till platta skärmar hos konsumenter applikationer.

En annan framgångsrik LVDS-applikation är Camera Link , som är ett seriellt kommunikationsprotokoll designat för datorseendeapplikationer och baserat på NSC-kretsuppsättningen Channel Link som använder LVDS. Camera Link standardiserar videogränssnitt för vetenskapliga och industriella produkter inklusive kameror, kablar och frame grabbers. Automated Imaging Association (AIA) upprätthåller och administrerar standarden eftersom det är branschens globala maskinvisionshandelsgrupp .

Fler exempel på LVDS som används i datorbussar är HyperTransport och FireWire , som båda spårar sin utveckling tillbaka till arbetet efter Futurebus , vilket också ledde till SCI . Dessutom är LVDS det fysiska lagersignaleringen i SCSI- standarder (Ultra-2 SCSI och senare) för att tillåta högre datahastigheter och längre kabellängder. Serial 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 senast 2013. De marknadsför Embedded DisplayPort och Internal DisplayPort som sin föredragna lösning. LVDS LCD-panelgränssnitt har dock visat sig vara den lägsta kostnadsmetoden för att flytta strömmande video från en videobearbetningsenhet till en LCD-panels tidsstyrenhet i en TV eller bärbar dator, och i februari 2018 fortsätter tillverkare av LCD-TV och bärbara datorer att introducera 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 ett reducerat pp-sving, men är i övrigt samma sak som LVDS.

Jämför seriell och parallell dataöverföring

LVDS fungerar i både parallell och seriell dataöverföring . Vid parallella sändningar bär flera datadifferentiella par flera signaler samtidigt inklusive en klocksignal för att synkronisera datan. I seriell kommunikation serialiseras multipla enändade signaler till ett enda differentiellt par med en datahastighet som är lika med den för alla de kombinerade enkeländade kanalerna. Till exempel en 7-bitars bred parallellbuss serialiserad till ett enda par som kommer att fungera med 7 gånger datahastigheten för en enda kanal. Enheterna för konvertering mellan seriella och parallella data är serializer och deserializer, förkortade till SerDes när de två enheterna finns i en integrerad krets.

Inbäddad klocka serializer

Som ett exempel använder FPD-Link faktiskt LVDS i en kombination av serialiserad och parallell kommunikation. Den ursprungliga FPD-Link designad för 18-bitars RGB-video har 3 parallella datapar och ett klockpar, så detta är ett parallellt kommunikationsschema. Emellertid överför vart och ett av de 3 paren 7 serialiserade bitar under varje klockcykel. Så de parallella FPD-Link-paren bär serialiserade data, men använder 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 specificerar inte ett bitkodningsschema eftersom det endast är en fysisk lagerstandard. LVDS rymmer alla användarspecificerade kodningsscheman för att skicka och ta emot data över en LVDS-länk, inklusive 8b/10b-kodad data. Ett 8b/10b-kodningsschema bäddar in klocksignalinformationen och har den extra fördelen av DC-balans. DC-balans är nödvändig för AC-kopplade transmissionsvägar (som kapacitiva eller transformatorkopplade vägar). Det finns också DC-balanskodningsmetoder för den inbäddade startbiten/stoppbiten, som vanligtvis inkluderar en datakrypteringsteknik. Nyckelpunkten i LVDS är det fysiska lagrets signalering för att transportera bitar över ledningar. Den är kompatibel med nästan all datakodning och klockinbäddningsteknik.

LVDS för tillämpningar med mycket hög datagenomströmning

När ett enda differentiellt par av seriella data inte är tillräckligt snabbt finns det 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 parallell klocka för att synkronisera är Channel Link och HyperTransport .

Det finns också tekniken att öka datagenomströmningen genom att gruppera flera LVDS-med-inbäddade klockdatakanaler tillsammans. 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 ställa in de multipla seriella datakanalerna.

Flerpunkts LVDS

Den ursprungliga LVDS-standarden föreställde endast att driva 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 driva flera mottagare med en enda sändare i en multipunktstopologi. Som ett resultat uppfann NSC Bus LVDS (BLVDS) som den första varianten av LVDS designad för att driva flera LVDS-mottagare. Den använder termineringsmotstånd i varje ände av differentialöverföringsledningen för att bibehålla signalintegriteten. Dubbelterminering 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 standard LVDS-sändare var att öka strömutgången för att driva de multipla termineringsmotstånden. Dessutom måste sändarna tolerera möjligheten att andra sändare samtidigt kör samma buss.

Typisk flerpunktsavslutning

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

Buss LVDS och LVDM (Low-Voltage Differential Multipoint) (av TI ) är de facto flerpunkts LVDS-standarder. [ citat behövs ] Multipoint LVDS ( MLVDS ) är TIA- standarden (TIA-899). AdvancedTCA - standarden specificerade MLVDS för klockdistribution över bakplanet till vart och ett av datormodulkorten i systemet.

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

Produktion Inmatning

Vanligt läge
Amplitud _
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 Interface (SCI). SCI-LVDS var en delmängd av SCI-familjen av standarder och specificerades i IEEE 1596.3 1995-standarden. SCI-kommittén designade LVDS för sammankoppling av multiprocessorsystem med ett höghastighets-lågeffektgränssnitt för att ersätta positiv emitterkopplad logik ( PECL).

Standarder

ANSI / TIA / EIA -644-A (publicerad 2001) definierar LVDS . Denna standard rekommenderade ursprungligen en maximal datahastighet på 655 Mbit/s över tvinnad 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 även i fordon, där signalen som sänds som en differentialsignal hjälper av EMC-skäl. Dock måste högkvalitativa skärmade partvinnade kablar användas tillsammans med utarbetade kontaktsystem för kablage. Ett alternativ är användningen av koaxialkablar. Studier har visat att det är möjligt att trots det förenklade överföringsmediet dominera både emission och immunitet i högfrekvensområdet. Framtida höghastighetsvideoanslutningar kan vara mindre, lättare och billigare att realisera.

Seriella videoöverföringstekniker används i stor utsträckning i bilar för att länka samman kameror, skärmar och kontrollenheter. Okomprimerad videodata har vissa fördelar för vissa applikationer. Seriella kommunikationsprotokoll tillåter nu överföring av datahastigheter i intervallet 3 till 4 Gbit/s och därmed styrning av skärmar med upp till full HD-upplösning. Integreringen av serializer- och deserializerkomponenterna i styrenheten på grund av låga krav på extra hårdvara och mjukvara enkel och billig. Kräver däremot busslösningar för videoöverföringsanslutning till en motsvarande nätverkskontroller och vid behov resurser för datakomprimering. Eftersom för många applikationer ett nätverk med full funktion inte krävs i hela videoarkitekturen och för vissa föreningar, är datakomprimering inte möjlig på grund av förlust av bildkvalitet och ytterligare latens, är busorienterade videoöverföringstekniker för närvarande endast delvis attraktiva.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Low-voltage_differential_signaling&oldid=1121944539 "