Niederspannungs-Differenzsignalisierung - Low-voltage differential signaling

LVDS
Niederspannungs-Differenzsignalisierung (LVDS)
Jahr erstellt 1994
Geschwindigkeit 655 Mbit / s (Raten bis zu 1-3 Gbit / s möglich)
Grundlegender Betrieb der LVDS-Schaltung, der den Stromfluss in einer Schleife zurück zum Treiber und die daraus resultierende geringere Strahlungsemission (EMI) aufgrund der Feldkopplung innerhalb des Differentialpaars zeigt

Low-Voltage Differential Signaling oder LVDS , auch bekannt als TIA / EIA-644 ist ein technischer Standard, die angibt , elektrische Eigenschaften eines Differentials , seriellen Signalisierungsstandard, aber es ist kein Protokoll. LVDS arbeitet mit geringem Stromverbrauch und kann mit kostengünstigen Twisted-Pair- Kupferkabeln mit sehr hohen Geschwindigkeiten betrieben werden. LVDS ist nur eine physikalische Schichtspezifikation. Viele Datenkommunikationsstandards und -anwendungen verwenden es und fügen darüber eine Datenverbindungsschicht hinzu, wie sie im OSI-Modell definiert ist.

LVDS wurde 1994 eingeführt und ist in Produkten wie LCD-Fernsehern, Infotainmentsystemen für Kraftfahrzeuge , Industriekameras und Bildverarbeitung, Notebooks und Tablet- Computern sowie Kommunikationssystemen beliebt geworden . Die typischen Anwendungen sind Hochgeschwindigkeitsvideos, Grafiken, Datenübertragungen von Videokameras und Allzweck- Computerbusse .

Schon früh verwendeten die Anbieter von Notebooks und LCD-Displays häufig den Begriff LVDS anstelle von FPD-Link, wenn sie sich auf ihr Protokoll bezogen, und der Begriff LVDS wurde fälschlicherweise zum Synonym für Flat Panel Display Link im Vokabular der Videoanzeigetechnik.

Differenzielle vs. Single-Ended-Signalisierung

LVDS ist ein differenzielles Signalisierungssystem , das Informationen als Differenz zwischen den Spannungen an einem Adernpaar überträgt. Die beiden Drahtspannungen werden am Empfänger verglichen. In einer typischen Implementierung injiziert der Sender einen konstanten Strom von 3,5  mA in die Drähte, wobei die Stromrichtung den digitalen Logikpegel bestimmt. Der Strom fließt am Empfangsende durch einen Abschlusswiderstand von etwa 100 bis 120 Ohm (angepasst an die charakteristische Impedanz des Kabels , um Reflexionen zu reduzieren) und kehrt dann über den anderen Draht in die entgegengesetzte Richtung zurück. Aus dem Ohmschen Gesetz ist die Spannungsdifferenz über den Widerstand also etwa 350  mV . Der Empfänger erfasst die Polarität dieser Spannung, um den Logikpegel zu bestimmen.

Solange zwischen den beiden Drähten eine enge elektrische und magnetische Feldkopplung besteht, reduziert LVDS die Erzeugung von elektromagnetischem Rauschen. Diese Rauschreduzierung ist auf den gleichen und entgegengesetzten Stromfluss in den beiden Drähten zurückzuführen, wodurch gleiche und entgegengesetzte elektromagnetische Felder erzeugt werden, die dazu neigen, sich gegenseitig aufzuheben. Darüber hinaus verringern die eng gekoppelten Übertragungsdrähte die Anfälligkeit für Störungen durch elektromagnetisches Rauschen, da das Rauschen jeden Draht gleichermaßen beeinflusst und als Gleichtaktrauschen auftritt. Der LVDS-Empfänger ist von Gleichtaktrauschen nicht betroffen, da er die Differenzspannung erfasst, die nicht von Gleichtaktspannungsänderungen beeinflusst wird.

Die Tatsache, dass der LVDS-Sender einen konstanten Strom verbraucht, stellt auch eine viel geringere Anforderung an die Entkopplung der Stromversorgung und erzeugt somit weniger Störungen in den Strom- und Erdungsleitungen der Sendeschaltung. Dies reduziert oder eliminiert Phänomene wie Erdungsprellen, die typischerweise in terminierten Single-Ended-Übertragungsleitungen auftreten, in denen hohe und niedrige Logikpegel unterschiedliche Ströme verbrauchen, oder in nicht terminierten Übertragungsleitungen, in denen ein Strom während des Schaltens abrupt auftritt.

Die niedrige Gleichtaktspannung (der Durchschnitt der Spannungen an den beiden Drähten) von etwa 1,2 V ermöglicht die Verwendung von LVDS mit einem breiten Bereich integrierter Schaltkreise mit Versorgungsspannungen bis zu 2,5 V oder weniger. Darüber hinaus gibt es Variationen von LVDS, die eine niedrigere Gleichtaktspannung verwenden. Ein Beispiel ist Sub-LVDS (2004 von Nokia eingeführt), das eine typische Gleichtaktspannung von 0,9 V verwendet. Eine andere ist die skalierbare Niederspannungssignalisierung für 400 mV (SLVS-400), die in JEDEC JESD8-13 Oktober 2001 spezifiziert ist, wobei die Stromversorgung nur 800 mV betragen kann und die Gleichtaktspannung etwa 400 mV beträgt.

Die niedrige Differenzspannung von etwa 350 mV führt dazu, dass LVDS im Vergleich zu anderen Signalisierungstechnologien nur sehr wenig Strom verbraucht. Bei einer Versorgungsspannung von 2,5 V beträgt die Leistung zum Ansteuern von 3,5 mA 8,75 mW, verglichen mit den 90 mW, die vom Lastwiderstand für ein RS-422- Signal verbraucht werden.

Logikebenen:

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 ist nicht das einzige verwendete Differenzsignalisierungssystem mit geringem Stromverbrauch , andere umfassen die serielle E / A von Fairchild Current Transfer Logic.

Anwendungen

1994 führte National Semiconductor LVDS ein, das später de facto zum Standard für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung wurde.

Doestek 34LM85AM, in einem Tablet als Flachbildschirmsender verwendet

LVDS wurde Mitte der 1990er Jahre populär. Zuvor waren die Auflösungen von Computermonitoren nicht groß genug, um so schnelle Datenraten für Grafiken und Videos zu benötigen. 1992 benötigte Apple Computer jedoch eine Methode, um mehrere digitale Videostreams zu übertragen, ohne den vorhandenen NuBus auf der Rückwandplatine zu überlasten . Apple und National Semiconductor ( NSC ) haben QuickRing entwickelt , die erste integrierte Schaltung mit LVDS. QuickRing war ein Hochgeschwindigkeits-Hilfsbus für Videodaten zur Umgehung des NuBus in Macintosh-Computern. Die Multimedia- und Supercomputer- Anwendungen wurden weiter ausgebaut, da beide große Datenmengen über mehrere Meter lange Verbindungen ( z. B. von einem Festplattenlaufwerk zu einer Workstation ) verschieben mussten.

Die erste kommerziell erfolgreiche Anwendung für LVDS bestand in Notebooks, die Videodaten von Grafikprozessoren über den Flat Panel Display Link von National Semiconductor auf die Flachbildschirme übertragen . Der erste FPD-Link-Chipsatz reduzierte eine 21-Bit-Videoschnittstelle plus Takt auf nur 4 Differenzpaare (8 Drähte), sodass er problemlos durch das Scharnier zwischen Display und Notebook passt und die Vorteile von LVDS nutzt. Rauschcharakteristik und schnelle Datenrate. FPD-Link wurde Ende der 90er Jahre de facto zum offenen Standard für diese Notebook-Anwendung und ist bis heute die dominierende Display-Oberfläche in Notebooks und Tablet-Computern. Aus diesem Grund stellen IC-Anbieter wie Texas Instruments, Maxim, Fairchild und Thine ihre Versionen des FPD-Link-Chipsatzes her.

FPD Link I Serializer

Die Anwendungen für LVDS wurden mit zunehmender Bildschirmauflösung und Farbtiefe auf Flachbildschirme für Consumer-TVs ausgeweitet. Um diese Anwendung zu bedienen, erhöhten FPD-Link-Chipsätze die Datenrate und die Anzahl der parallelen LVDS-Kanäle weiter, um die internen TV-Anforderungen für die Übertragung von Videodaten vom Hauptvideoprozessor zum Timing-Controller des Anzeigefelds zu erfüllen. FPD-Link (allgemein als LVDS bezeichnet) wurde zum De-facto-Standard für diese interne TV-Verbindung und bleibt 2012 die dominierende Schnittstelle für diese Anwendung.

Die nächste Zielanwendung war die Übertragung von Videostreams über eine externe Kabelverbindung zwischen einem Desktop-Computer und einem Display oder einem DVD-Player und einem Fernseher. NSC führte in FPD-Link leistungsstärkere Nachfolger ein, die als LVDS Display Interface (LDI) - und OpenLDI- Standards bezeichnet werden. Diese Standards erlauben einen maximalen Pixeltakt von 112 MHz, was für eine Anzeigeauflösung von 1400 × 1050 ( SXGA + ) bei einer Aktualisierung von 60 Hz ausreicht . Ein Dual Link kann die maximale Bildschirmauflösung bei 60 Hz auf 2048 × 1536 ( QXGA ) erhöhen . FPD-Link arbeitet mit Kabellängen von bis zu ca. 5 m und LDI erweitert diese auf ca. 10 m. Allerdings Digital Visual Interface (DVI) mit TMDS über CML - Signale gewann den Standard Wettbewerb und wurde zum Standard für die externe Desktop - Computer - Monitore anschließen, und HDMI wurde schließlich der Standard für digitale Videoquellen wie DVD - Player auf Flachbildschirmen in Verbraucheranschluss Anwendungen.

Eine weitere erfolgreiche LVDS-Anwendung ist Camera Link , ein serielles Kommunikationsprotokoll, das für Computer Vision- Anwendungen entwickelt wurde und auf dem NSC-Chipsatz Channel Link basiert , der LVDS verwendet. Camera Link standardisiert Videoschnittstellen für wissenschaftliche und industrielle Produkte, einschließlich Kameras, Kabel und Framegrabber. Die Automated Imaging Association (AIA) unterhält und verwaltet den Standard , weil es in der Branche weltweit ist Machine - Vision - Handelsgruppe.

Weitere Beispiele für LVDS, die in Computerbussen verwendet werden, sind HyperTransport und FireWire , die beide ihre Entwicklung auf die Post- Futurebus- Arbeit zurückführen , die auch zu SCI führte . Darüber hinaus ist LVDS die Signalisierung der physischen Schicht in SCSI- Standards (Ultra-2 SCSI und höher), um höhere Datenraten und längere Kabellängen zu ermöglichen. Serial ATA (SATA), RapidIO und SpaceWire verwenden LVDS, um eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zu ermöglichen.

Intel und AMD veröffentlichten im Dezember 2010 eine Pressemitteilung, in der sie erklärten, dass sie die LVDS-LCD-Panel-Schnittstelle in ihren Produktlinien bis 2013 nicht mehr unterstützen würden. Sie fördern Embedded DisplayPort und Internal DisplayPort als ihre bevorzugte Lösung. Die LVDS-LCD-Panel-Schnittstelle hat sich jedoch als die kostengünstigste Methode zum Verschieben von Streaming-Videos von einer Videoverarbeitungseinheit zu einem LCD-Panel-Timing-Controller innerhalb eines Fernsehgeräts oder Notebooks erwiesen. Im Februar 2018 werden die Hersteller von LCD-Fernsehgeräten und Notebooks weiterhin eingeführt neue Produkte über die LVDS-Schnittstelle.

LVDS wurde ursprünglich als 3,3-V-Standard eingeführt. Die skalierbare Niederspannungssignalisierung ( SLVS ) hat eine niedrigere Gleichtaktspannung von 200 mV und einen verringerten pp-Swing, ist aber ansonsten dieselbe wie LVDS.

Vergleich der seriellen und parallelen Datenübertragung

LVDS funktioniert sowohl bei der parallelen als auch bei der seriellen Datenübertragung . Bei parallelen Übertragungen führen mehrere Datendifferentialpaare mehrere Signale gleichzeitig, einschließlich eines Taktsignals, um die Daten zu synchronisieren. Bei der seriellen Kommunikation werden mehrere Single-Ended-Signale zu einem einzigen Differentialpaar mit einer Datenrate serialisiert, die der aller kombinierten Single-Ended-Kanäle entspricht. Zum Beispiel ein 7 Bit breiter paralleler Bus, der in ein einzelnes Paar serialisiert ist und mit der 7-fachen Datenrate eines Single-Ended-Kanals arbeitet. Die Geräte zum Konvertieren zwischen seriellen und parallelen Daten sind der Serializer und der Deserializer, abgekürzt als SerDes, wenn die beiden Geräte in einer integrierten Schaltung enthalten sind.

Embedded Clock Serializer

Beispielsweise verwendet FPD-Link LVDS tatsächlich in einer Kombination aus serialisierter und paralleler Kommunikation. Der ursprüngliche FPD-Link, der für 18-Bit-RGB-Video entwickelt wurde, verfügt über 3 parallele Datenpaare und ein Taktpaar. Dies ist also ein paralleles Kommunikationsschema. Jedes der 3 Paare überträgt jedoch während jedes Taktzyklus 7 serialisierte Bits. Die parallelen FPD-Link-Paare übertragen also serialisierte Daten, verwenden jedoch einen parallelen Takt, um die Daten wiederherzustellen und zu synchronisieren.

Die serielle Datenkommunikation kann die Uhr auch in den seriellen Datenstrom einbetten. Dadurch ist kein paralleler Takt zum Synchronisieren der Daten erforderlich. Es gibt mehrere Methoden zum Einbetten einer Uhr in einen Datenstrom. Eine Methode besteht darin, 2 zusätzliche Bits als Startbit und Stoppbit in den Datenstrom einzufügen, um Bitübergänge in regelmäßigen Abständen zu gewährleisten und ein Taktsignal nachzuahmen. Eine andere Methode ist die 8b / 10b-Codierung.

LVDS-Übertragung mit 8b / 10b-Codierung

LVDS gibt kein Bitcodierungsschema an, da es sich nur um einen Standard der physischen Schicht handelt. LVDS unterstützt jedes benutzerdefinierte Codierungsschema zum Senden und Empfangen von Daten über eine LVDS-Verbindung, einschließlich 8b / 10b-codierter Daten. Ein 8b / 10b-Codierungsschema bettet die Taktsignalinformationen ein und hat den zusätzlichen Vorteil eines Gleichstromausgleichs. Für Wechselstrom-gekoppelte Übertragungswege (wie kapazitive oder transformatorgekoppelte Wege) ist ein Gleichstromausgleich erforderlich. Es gibt auch DC-Balance-Codierungsverfahren für den eingebetteten Startbit / Stoppbit-Takt, die normalerweise eine Datenverschlüsselungstechnik enthalten. Der Schlüsselpunkt in LVDS ist die Signalisierung der physischen Schicht zum Transport von Bits über Drähte. Es ist mit fast allen Datencodierungs- und Takteinbettungstechniken kompatibel.

LVDS für Anwendungen mit sehr hohem Datendurchsatz

Wenn ein einzelnes differentielles Paar serieller Daten nicht schnell genug ist, gibt es Techniken zum parallelen Gruppieren serieller Datenkanäle und zum Hinzufügen eines parallelen Taktkanals zur Synchronisation. Dies ist die von FPD-Link verwendete Technik. Andere Beispiele für paralleles LVDS, das mehrere LVDS-Paare und einen parallelen Takt zum Synchronisieren verwendet, sind Channel Link und HyperTransport .

Es gibt auch die Technik, den Datendurchsatz durch Gruppieren mehrerer LVDS-Datenkanäle mit eingebettetem Takt zu erhöhen. Dies ist jedoch kein paralleles LVDS, da es keinen parallelen Takt gibt und jeder Kanal seine eigenen Taktinformationen hat. Ein Beispiel für diese Technik ist PCI Express, bei dem 2, 4 oder 8 8b / 10b-codierte serielle Kanäle Anwendungsdaten von der Quelle zum Ziel übertragen. In diesem Fall muss das Ziel eine Datensynchronisationsmethode verwenden, um die mehreren seriellen Datenkanäle auszurichten.

Mehrpunkt-LVDS

Der ursprüngliche LVDS-Standard sah nur die Ansteuerung eines digitalen Signals von einem Sender zu einem Empfänger in einer Punkt-zu-Punkt-Topologie vor. Ingenieure, die die ersten LVDS-Produkte verwendeten, wollten jedoch bald mehrere Empfänger mit einem einzigen Sender in einer Mehrpunkttopologie ansteuern. Infolgedessen erfand NSC das Bus- LVDS (BLVDS) als erste Variante des LVDS, mit dem mehrere LVDS-Empfänger angesteuert werden sollen. Es werden Abschlusswiderstände an jedem Ende der Differentialübertragungsleitung verwendet, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten. Eine doppelte Terminierung ist erforderlich, da in der Mitte des Busses ein oder mehrere Sender vorhanden sein können, die Signale in beide Richtungen zu Empfängern treiben. Der Unterschied zu Standard-LVDS-Sendern bestand darin, den Stromausgang zu erhöhen, um die Mehrfachabschlusswiderstände anzusteuern. Außerdem müssen die Sender die Möglichkeit tolerieren, dass andere Sender gleichzeitig denselben Bus fahren.

Typische Mehrpunktbeendigung

Punkt-zu-Punkt-LVDS arbeiten normalerweise mit 3,5 mA. Mehrpunkt-LVDS oder Bus-LVDS (B-LVDS) können bis zu 12 mA betreiben.

Bus-LVDS und LVDM (von TI ) sind de facto Mehrpunkt-LVDS-Standards. Multipoint LVDS ( MLVDS ) ist der TIA- Standard (TIA-899). Der AdvancedTCA- Standard spezifizierte MLVDS für die Taktverteilung über die Rückwandplatine auf jede der Computermodulkarten im System.

MLVDS hat zwei Arten von Empfängern. Typ 1 ist mit LVDS kompatibel und verwendet einen Schwellenwert von +/– 50 mV. Typ-2-Empfänger ermöglichen Wired-Or-Signalisierung mit M-LVDS-Geräten. Für M-LVDS:

Ausgabe Eingang
Gemeinsamer
Modus
Verstär-
tude
Mindest. 0,3 V. 0,48 V. -1,4 V.
Max. 2,1 V. 0,65 V. +3,8 V.

SCI-LVDS

Der gegenwärtigen Form von LVDS ging ein früherer Standard voraus, der in Scalable Coherent Interconnect (SCI) eingeführt wurde. SCI-LVDS war eine Teilmenge der SCI-Standardfamilie und im Standard IEEE 1596.3 1995 spezifiziert . Das SCI-Komitee hat LVDS für die Verbindung von Multiprozessorsystemen mit einer Hochgeschwindigkeits- und Niedrigleistungsschnittstelle entwickelt, um die positiv emittergekoppelte Logik (PECL) zu ersetzen .

Standards

Der Standard ANSI / TIA / EIA -644-A (veröffentlicht 2001) definiert LVDS. Dieser Standard empfahl ursprünglich eine maximale Datenrate von 655 Mbit / s über Twisted-Pair-Kupferdraht, aber Datenraten von 1 bis 3 Gbit / s sind heutzutage auf hochwertigen Übertragungsmedien üblich. Heutzutage werden Technologien für die digitale Breitband-Videosignalübertragung wie LVDS auch in Fahrzeugen verwendet, bei denen das als Differenzsignal übertragene Signal aus EMV-Gründen hilfreich ist. Hochwertige abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel müssen jedoch zusammen mit ausgeklügelten Steckverbindersystemen für die Verkabelung verwendet werden. Eine Alternative ist die Verwendung von Koaxialkabeln. Studien haben gezeigt, dass es trotz des vereinfachten Übertragungsmediums möglich ist, sowohl Emission als auch Immunität im Hochfrequenzbereich zu dominieren. Zukünftige Hochgeschwindigkeits-Videoverbindungen können kleiner, leichter und billiger zu realisieren sein.

Serielle Videoübertragungstechnologien werden im Automobil häufig zum Verbinden von Kameras, Displays und Steuergeräten verwendet. Die unkomprimierten Videodaten haben für bestimmte Anwendungen einige Vorteile. Serielle Kommunikationsprotokolle ermöglichen jetzt die Übertragung von Datenraten im Bereich von 3 bis 4 Gbit / s und damit die Steuerung von Displays mit bis zu Full HD-Auflösung. Die Integration der Serializer- und Deserializer-Komponenten in die Steuereinheit ist aufgrund des geringen Bedarfs an zusätzlicher Hardware und Software einfach und kostengünstig. Im Gegensatz dazu benötigen Sie Buslösungen für die Videoübertragungsverbindung zu einem entsprechenden Netzwerkcontroller und gegebenenfalls Ressourcen für die Datenkomprimierung. Da für viele Anwendungen kein Netzwerk mit vollem Funktionsumfang in der gesamten Videoarchitektur erforderlich ist und für einige Verbindungen eine Datenkomprimierung aufgrund von Bildqualitätsverlust und zusätzlicher Latenz nicht möglich ist, sind busorientierte Videoübertragungstechnologien derzeit nur teilweise attraktiv.

Siehe auch

Verweise

Externe Links