Низковольтная дифференциальная передача сигналов ( LVDS ), также известная как TIA/EIA-644 , — это технический стандарт, определяющий электрические характеристики дифференциального последовательного стандарта передачи сигналов. LVDS работает на малой мощности и может работать на очень высоких скоростях с использованием недорогих медных витых пар . LVDS — это только спецификация физического уровня ; многие стандарты и приложения передачи данных используют ее и добавляют поверх нее уровень канала передачи данных, как определено в модели OSI .
LVDS был представлен в 1994 году и стал популярным в таких продуктах, как ЖК-телевизоры, автомобильные развлекательные системы, промышленные камеры и машинное зрение, ноутбуки и планшетные компьютеры , а также системы связи. Типичные приложения — высокоскоростное видео, графика, передача данных видеокамер и компьютерные шины общего назначения .
Раньше производители ноутбуков и ЖК-дисплеев обычно использовали термин LVDS вместо FPD-Link при обозначении своего протокола, и термин LVDS ошибочно стал синонимом Flat Panel Display Link в словаре инженеров, занимающихся видеодисплеями.
LVDS — это дифференциальная система сигнализации , то есть она передает информацию как разницу между напряжениями на паре проводов; напряжения двух проводов сравниваются на приемнике. В типичной реализации передатчик вводит постоянный ток 3,5 мА в провода, причем направление тока определяет цифровой логический уровень. Ток проходит через оконечный резистор сопротивлением около 100–120 Ом (соответствует характеристическому сопротивлению кабеля для уменьшения отражений) на приемном конце, а затем возвращается в противоположном направлении по другому проводу. Из закона Ома разность напряжений на резисторе составляет, таким образом, около 350 мВ . Приемник определяет полярность этого напряжения, чтобы определить логический уровень.
Пока между двумя проводами существует тесная связь электрического и магнитного полей, LVDS снижает генерацию электромагнитного шума. Это снижение шума происходит из-за равного и противоположного тока в двух проводах, создающего равные и противоположные электромагнитные поля, которые имеют тенденцию нейтрализовать друг друга. Кроме того, тесно связанные провода передачи уменьшат восприимчивость к электромагнитным помехам, поскольку шум будет одинаково влиять на каждый провод и выглядеть как синфазный шум. Приемник LVDS не подвержен синфазному шуму, поскольку он воспринимает дифференциальное напряжение, где синфазный шум одинаково влияет на обе пары, в результате чего между ними не возникает относительной разницы напряжений.
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 скачок заземления , которые обычно наблюдаются в оконечных однопроводных линиях передачи, где высокие и низкие логические уровни потребляют разные токи, или в неоконечных линиях передачи, где ток внезапно появляется во время переключения.
Низкое синфазное напряжение (среднее напряжение на двух проводах) около 1,2 В позволяет использовать LVDS с широким диапазоном интегральных схем с напряжением питания до 2,5 В или ниже. Кроме того, существуют разновидности LVDS, которые используют более низкое синфазное напряжение. Одним из примеров является sub-LVDS (представленный Nokia в 2004 году), который использует типичное синфазное напряжение 0,9 В. Другим примером является масштабируемая низковольтная сигнализация для 400 мВ (SLVS-400), указанная в JEDEC JESD8-13 октября 2001 года, где напряжение питания может быть всего 800 мВ, а синфазное напряжение около 400 мВ.
Низкое дифференциальное напряжение, около 350 мВ, заставляет LVDS потреблять очень мало энергии по сравнению с другими технологиями передачи сигналов. При напряжении питания 2,5 В мощность для управления током 3,5 мА становится 8,75 мВт по сравнению с 90 мВт, рассеиваемыми нагрузочным резистором для сигнала RS-422 .
Логические уровни: [1]
LVDS — не единственная маломощная дифференциальная сигнальная система, используемая в настоящее время; к другим системам относятся последовательный ввод-вывод Fairchild Current Transfer Logic.
В 1994 году компания National Semiconductor представила LVDS, который впоследствии стал фактическим стандартом для высокоскоростной передачи данных. [2] : 8
LVDS стал популярным в середине 1990-х годов. До этого разрешения компьютерных мониторов были недостаточно большими, чтобы нуждаться в таких высоких скоростях 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 , который был первой интегральной схемой, использующей LVDS. QuickRing был высокоскоростной вспомогательной шиной для видеоданных, чтобы обойти NuBus в компьютерах Macintosh. Мультимедиа и суперкомпьютерные приложения продолжали расширяться, поскольку обоим требовалось перемещать большие объемы данных по каналам длиной в несколько метров ( например, с дисководов на рабочую станцию ).
Первое коммерчески успешное применение LVDS было в ноутбуках, передающих видеоданные с графических процессоров на плоские дисплеи с помощью Flat Panel Display Link от National Semiconductor. Первый чипсет FPD-Link сократил 21-битный видеоинтерфейс и тактовую частоту до всего лишь 4 дифференциальных пар (8 проводов), что позволило ему легко проходить через шарнир между дисплеем и ноутбуком и использовать преимущества малошумящих характеристик LVDS и высокой скорости передачи данных. FPD-Link стал фактическим открытым стандартом для этого приложения для ноутбуков в конце 1990-х годов и до сих пор является доминирующим интерфейсом отображения [ 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 чипсеты FPD-Link продолжали увеличивать скорость передачи данных и количество параллельных каналов LVDS для удовлетворения внутренних требований телевизора к 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. [ необходима цитата ]
Следующим целевым приложением была передача видеопотоков через внешнее кабельное соединение между настольным компьютером и дисплеем или DVD-плеером и телевизором. NSC представила более производительные дополнения к FPD-Link, названные стандартами LVDS Display Interface (LDI) и OpenLDI . Эти стандарты допускают максимальную тактовую частоту пикселей 112 МГц, что достаточно для разрешения дисплея 1400 × 1050 ( SXGA+ ) при частоте обновления 60 Гц. Двойная связь может увеличить максимальное разрешение дисплея до 2048 × 1536 ( QXGA ) при частоте обновления 60 Гц. FPD-Link работает с кабелями длиной до 5 м, а LDI увеличивает ее до 10 м. Однако цифровой визуальный интерфейс (DVI), использующий сигналы TMDS по сигналам CML, выиграл соревнование стандартов и стал стандартом для внешнего подключения настольных компьютеров к мониторам, а HDMI в конечном итоге стал стандартом для подключения цифровых видеоисточников, таких как DVD-плееры, к плоским дисплеям в потребительских приложениях.
Еще одним успешным приложением LVDS является Camera Link , представляющий собой последовательный протокол связи, разработанный для приложений компьютерного зрения и основанный на чипсете NSC под названием Channel Link , который использует LVDS. Camera Link стандартизирует видеоинтерфейсы для научных и промышленных продуктов, включая камеры, кабели и фрейм-грабберы. Automated Imaging Association (AIA) поддерживает и администрирует стандарт, поскольку является глобальной торговой группой машинного зрения в отрасли.
Другие примеры LVDS, используемые в компьютерных шинах, — HyperTransport и FireWire , оба из которых ведут свое развитие от пост -Futurebus работы, которая также привела к SCI . Кроме того, LVDS — это сигнализация физического уровня в стандартах SCSI (Ultra-2 SCSI и более поздние версии), позволяющая использовать более высокие скорости передачи данных и более длинные кабели. Serial ATA (SATA), RapidIO и SpaceWire используют LVDS для обеспечения высокоскоростной передачи данных.
Intel и AMD опубликовали пресс-релиз в декабре 2010 года, в котором заявили, что они больше не будут поддерживать интерфейс ЖК-панели LVDS в своих линейках продуктов к 2013 году. Они продвигают Embedded DisplayPort и Internal DisplayPort в качестве своего предпочтительного решения. [3] Тем не менее, интерфейс ЖК-панели LVDS оказался самым дешевым методом передачи потокового видео с блока обработки видео на контроллер синхронизации ЖК-панели в телевизоре или ноутбуке, и в феврале 2018 года производители ЖК-телевизоров и ноутбуков продолжают представлять новые продукты, использующие интерфейс LVDS.
LVDS изначально был представлен как стандарт 3,3 В. Масштабируемая низковольтная сигнализация ( SLVS ) имеет более низкое синфазное напряжение 200 мВ и уменьшенный размах пик-пик, но в остальном она такая же, как LVDS. [2] : 9
LVDS работает как при параллельной, так и при последовательной передаче данных . При параллельной передаче несколько дифференциальных пар данных одновременно передают несколько сигналов, включая тактовый сигнал для синхронизации данных. При последовательной связи несколько несимметричных сигналов сериализуются в одну дифференциальную пару со скоростью передачи данных, равной скорости всех объединенных несимметричных каналов. Например, 7-битная параллельная шина сериализуется в одну пару, которая будет работать со скоростью передачи данных в 7 раз выше, чем скорость передачи данных одного несимметричного канала. Устройствами для преобразования между последовательными и параллельными данными 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, разработанный для 18-битного видео RGB, имеет 3 параллельные пары данных и пару тактовых импульсов, так что это схема параллельной связи. Однако каждая из 3 пар передает 7 последовательных битов в течение каждого тактового цикла. Таким образом, параллельные пары FPD-Link переносят последовательные данные, но используют параллельный тактовый импульс для восстановления и синхронизации данных.
Последовательная передача данных также может встраивать часы в последовательный поток данных. Это устраняет необходимость в параллельных часах для синхронизации данных. Существует несколько методов встраивания часов в поток данных. Один из методов заключается в вставке 2 дополнительных бит в поток данных в качестве стартового бита и стопового бита для обеспечения переходов битов через регулярные интервалы для имитации тактового сигнала. Другой метод — кодирование 8b/10b.
LVDS не определяет схему кодирования битов, поскольку это стандарт только физического уровня. LVDS поддерживает любую указанную пользователем схему кодирования для отправки и получения данных по каналу LVDS, включая закодированные данные 8b/10b. Схема кодирования 8b/10b встраивает информацию о тактовом сигнале и имеет дополнительное преимущество баланса постоянного тока. Баланс постоянного тока необходим для связанных по переменному току путей передачи (таких как емкостные или трансформаторно-связанные пути). Существуют также методы кодирования баланса постоянного тока для встроенных часов стартового бита/стопового бита, которые обычно включают технику скремблирования данных. Ключевым моментом в LVDS является сигнализация физического уровня для передачи битов по проводам. Он совместим практически со всеми методами кодирования данных и встраивания часов.
Если одна дифференциальная пара последовательных данных недостаточно быстра, существуют методы группировки последовательных каналов данных параллельно и добавления параллельного тактового канала для синхронизации. Этот метод используется в FPD-Link. Другими примерами параллельного LVDS, использующего несколько пар LVDS и параллельный тактовый канал для синхронизации, являются Channel Link и HyperTransport .
Существует также метод увеличения пропускной способности данных путем группировки нескольких каналов данных LVDS-со-встроенными-тактами вместе. Однако это не параллельный LVDS, поскольку параллельные часы отсутствуют, и каждый канал имеет свою собственную информацию о часах. 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 место назначения должно использовать метод синхронизации данных для выравнивания нескольких последовательных каналов данных.
Первоначальный стандарт LVDS предполагал только передачу цифрового сигнала от одного передатчика к одному приемнику в топологии точка-точка. Однако инженеры, использовавшие первые продукты LVDS, вскоре захотели управлять несколькими приемниками с помощью одного передатчика в многоточечной топологии. В результате NSC изобрела шину LVDS (BLVDS) как первую вариацию LVDS, предназначенную для управления несколькими приемниками LVDS. Она использует оконечные резисторы на каждом конце дифференциальной линии передачи для поддержания целостности сигнала. Двойное окончание необходимо, поскольку в центре шины может быть один или несколько передатчиков, направляющих сигналы к приемникам в обоих направлениях. Отличие от стандартных передатчиков LVDS заключалось в увеличении выходного тока для управления несколькими оконечными резисторами. Кроме того, передатчики должны допускать возможность одновременного управления той же шиной другими передатчиками.
Двухточечный LVDS обычно работает при 3,5 мА. Многоточечный LVDS или шинный LVDS (B-LVDS) может работать при токе до 12 мА. [2] : 9
Шина LVDS и LVDM (низковольтная дифференциальная многоточечная) (от TI ) являются фактическими стандартами многоточечной LVDS. [ необходима ссылка ]
Multipoint LVDS ( MLVDS или M-LVDS [4] [5] ) — это стандарт TIA (TIA-899). Стандарт AdvancedTCA определил MLVDS для распределения тактовых импульсов по объединительной плате к каждой из плат вычислительных модулей в системе.
MLVDS имеет два типа приемников. Тип 1 совместим с LVDS и использует порог +/− 50 мВ. Приемники типа 2 позволяют передавать сигналы Wired-OR с устройствами M-LVDS. Для M-LVDS:
Современной форме LVDS предшествовал более ранний стандарт, инициированный в Scalable Coherent Interface (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 высокоскоростным маломощным интерфейсом для замены положительной эмиттерно-связанной логики (PECL).
Стандарт ANSI / TIA / EIA -644-A (опубликован в 2001 году) определяет LVDS. Первоначально этот стандарт рекомендовал максимальную скорость передачи данных 655 Мбит/с по витой паре медных проводов, но сегодня скорости передачи данных от 1 до 3 Гбит/с являются обычными для высококачественных сред передачи. [6] Сегодня технологии широкополосной цифровой передачи видеосигнала, такие как LVDS, также используются в транспортных средствах, в которых сигнал, передаваемый как дифференциальный сигнал, помогает по причинам ЭМС. Однако высококачественные экранированные кабели витой пары должны использоваться вместе со сложными системами разъемов для кабельной разводки. Альтернативой является использование коаксиальных кабелей. Исследования показали, что, несмотря на упрощенную среду передачи, возможно доминирование как излучения, так и помехоустойчивости в диапазоне высоких частот. Будущие высокоскоростные видеоподключения могут быть меньше, легче и дешевле в реализации.
Технологии последовательной передачи видео широко используются в автомобиле для соединения камер, дисплеев и устройств управления. Несжатые видеоданные имеют некоторые преимущества для определенных приложений. Протоколы последовательной связи теперь позволяют передавать данные со скоростью в диапазоне от 3 до 4 Гбит/с и, таким образом, управлять дисплеями с разрешением до Full HD. Интеграция компонентов сериализатора и десериализатора в блок управления из-за низких требований к дополнительному оборудованию 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 архитектуре видео, а для некоторых соединений сжатие данных невозможно из-за потери качества изображения и дополнительной задержки, шинно-ориентированные технологии передачи видео в настоящее время привлекательны лишь отчасти.