Низковольтная дифференциальная сигнализация (LVDS): Технический стандарт и применение.
Low-voltage differential signaling
LVDS (TIA/EIA 644): стандарт передачи данных по витой паре. Высокая скорость, низкое энергопотребление. Применение: LCD, автомобильная электроника, камеры.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Технический стандарт
Technical standard
Низковольтная дифференциальная сигнализация (LVDS), также известная как TIA/EIA 644, — это технический стандарт, определяющий электрические характеристики дифференциальной последовательной передачи сигналов. LVDS работает при низкой мощности и может функционировать на очень высоких скоростях с использованием недорогих витых пар медных кабелей. LVDS является спецификацией только физического уровня; многие стандарты и приложения для передачи данных используют его и добавляют поверх него канальный уровень данных, как определено в модели OSI. LVDS был представлен в 1994 году и стал широко использоваться в таких продуктах, как ЖК-телевизоры, автомобильные мультимедийные системы, промышленные камеры и системы машинного зрения, ноутбуки и планшетные компьютеры, а также в системах связи. Типичные области применения включают высокоскоростную передачу видео, графики, данных с видеокамер и универсальные компьютерные шины. Изначально производители ноутбуков и ЖК-дисплеев часто использовали термин LVDS вместо FPD Link при описании своего протокола, и в результате термин LVDS ошибочно стал восприниматься как синоним Flat Panel Display Link в профессиональной лексике инженеров, работающих с видеодисплеями.
Low voltage differential signaling (LVDS), also known as TIA/EIA 644, is a technical standard that specifies electrical characteristics of a differential, serial signaling standard. LVDS operates at low power and can run at very high speeds using inexpensive twisted pair copper cables. LVDS is a physical layer specification only; many data communication standards and applications use it and add a data link layer as defined in the OSI model on top of it. LVDS was introduced in 1994, and has become popular in products such as LCD TVs, in car entertainment systems, industrial cameras and machine vision, notebook and tablet computers, and communications systems. The typical applications are high speed video, graphics, video camera data transfers, and general purpose computer buses. Early on, the notebook computer and LCD display vendors commonly used the term LVDS instead of FPD Link when referring to their protocol, and the term LVDS has mistakenly become synonymous with Flat Panel Display Link in the video display engineering vocabulary.
Приложения
В 1994 году National Semiconductor представила LVDS, которая впоследствии стала де-факто стандартом для высокоскоростной передачи данных. LVDS приобрела популярность в середине 1990-х годов. До этого разрешения компьютерных мониторов были недостаточно высокими, чтобы требовать столь высоких скоростей передачи данных для графики и видео. Однако в 1992 году компании Apple Computer потребовался способ передачи нескольких потоков цифрового видео без перегрузки существующей шины NuBus на материнской плате. Apple и National Semiconductor (NSC) разработали QuickRing, первую интегральную схему, использующую LVDS. QuickRing представляла собой высокоскоростную вспомогательную шину для видеоданных, позволяющую обходить шину NuBus в компьютерах Macintosh. Приложения для мультимедиа и суперкомпьютеров продолжали расширяться, поскольку обоим требовалось передавать большие объемы данных по линиям связи длиной в несколько метров (например, от дисковода к рабочей станции). Первым коммерчески успешным применением LVDS стала передача видеоданных с графических процессоров на плоские дисплеи в ноутбуках с использованием Flat Panel Display Link от National Semiconductor. Первый чипсет FPD Link сократил 21-битный видеоинтерфейс и тактовую частоту до всего 4 дифференциальных пары (8 проводов), что позволило легко проложить его через шарнир между дисплеем и ноутбуком и воспользоваться преимуществами низкого уровня шума и высокой скорости передачи данных LVDS. FPD Link стала де-факто открытым стандартом для этого применения в ноутбуках в конце 1990-х годов и до сих пор является доминирующим интерфейсом для дисплеев в ноутбуках и планшетах. Именно поэтому такие производители ИС, как Texas Instruments, Maxim, Fairchild и Thine, выпускают свои версии чипсетов FPD Link. Область применения LVDS расширилась до плоских дисплеев для потребительских телевизоров по мере увеличения разрешения экрана и глубины цвета. Для поддержки этого приложения чипсеты FPD Link продолжали увеличивать скорость передачи данных и количество параллельных каналов LVDS, чтобы соответствовать внутренним требованиям телевизоров по передаче видеоданных от основного видеопроцессора к контроллеру времени панели дисплея. FPD Link (обычно называемая LVDS) стала де-факто стандартом для этой внутренней телевизионной связи и остается доминирующим интерфейсом для этого приложения по состоянию на 2012 год. Следующей целевой областью применения стала передача видеопотоков через внешнее кабельное соединение между настольным компьютером и дисплеем или DVD-плеером и телевизором. NSC представила более производительные версии FPD Link, известные как LVDS Display Interface (LDI) и OpenLDI. Эти стандарты обеспечивают максимальную тактовую частоту пикселей 112 МГц, что достаточно для разрешения дисплея 1400 × 1050 (SXGA+) при частоте обновления 60 Гц. Двойной канал может увеличить максимальное разрешение дисплея до 2048 × 1536 (QXGA) при частоте 60 Гц. FPD Link работает с длиной кабеля до 5 м, а LDI увеличивает этот показатель до 10 м. Однако Digital Visual Interface (DVI), использующий TMDS поверх сигналов 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 применением LVDS является Camera Link, последовательный протокол связи, разработанный для приложений машинного зрения и основанный на чипсете NSC под названием Channel Link, использующем LVDS. Camera Link стандартизирует видеоинтерфейсы для научных и промышленных продуктов, включая камеры, кабели и платы захвата кадров. Ассоциация автоматизированного визуального контроля (AIA) поддерживает и администрирует стандарт, поскольку это глобальная отраслевая торговая группа машинного зрения. Другие примеры использования LVDS в компьютерных шинах включают HyperTransport и FireWire, оба из которых восходят к работам, последовавшим за Futurebus, которые также привели к SCI. Кроме того, LVDS является физическим уровнем сигнализации в стандартах SCSI (Ultra 2 SCSI и более поздних), позволяющим достичь более высоких скоростей передачи данных и большей длины кабелей. 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 прекратят поддержку интерфейса LCD-панелей LVDS в своих продуктовых линейках к 2013 году. Они продвигают Embedded DisplayPort и Internal DisplayPort в качестве предпочтительного решения. Однако интерфейс LCD-панелей LVDS оказался самым экономичным способом передачи потокового видео от блока обработки видео к контроллеру времени LCD-панели в телевизоре или ноутбуке, и по состоянию на февраль 2018 года производители LCD-телевизоров и ноутбуков продолжают выпускать новые продукты с использованием интерфейса LVDS. LVDS изначально был представлен как стандарт 3,3 В. Scalable low voltage signaling (SLVS) имеет более низкое общее напряжение режима 200 мВ и уменьшенный размах пик-пик, но в остальном идентичен LVDS.) является стандартом TIA (TIA 899). Стандарт AdvancedTCA определил MLVDS для распределения тактовой частоты по материнской плате к каждой плате вычислительного модуля в системе. MLVDS имеет два типа приемников. Тип 1 совместим с LVDS и использует пороговое значение +/− 50 мВ. Приемники типа 2 позволяют использовать сигнализацию Wired Or с устройствами M LVDS. Для M LVDS:
In 1994, National Semiconductor introduced LVDS, which later became a de facto standard for high speed data transfer. LVDS became popular in the mid 1990s. Before that, computer monitor resolutions were not large enough to need such fast data rates for graphics and video. However, in 1992 Apple Computer needed a method to transfer multiple streams of digital video without overloading the existing NuBus on the backplane. Apple and National Semiconductor (NSC) created QuickRing, which was the first integrated circuit using LVDS. QuickRing was a high speed auxiliary bus for video data to bypass the NuBus in Macintosh computers. The multimedia and supercomputer applications continued to expand because both needed to move large amounts of data over links several meters long (from a disk drive to a workstation for instance). The first commercially successful application for LVDS was in notebook computers transmitting video data from graphics processing units to the flat panel displays using the Flat Panel Display Link by National Semiconductor. The first FPD Link chipset reduced a 21 bit wide video interface plus the clock down to only 4 differential pairs (8 wires), which enabled it to easily fit through the hinge between the display and the notebook and take advantage of LVDS's low noise characteristics and fast data rate. FPD Link became the de facto open standard for this notebook application in the late 1990s and is still the dominant display interface today in notebook and tablet computers. This is the reason IC vendors such as Texas Instruments, Maxim, Fairchild, and Thine produce their versions of the FPD Link chipset. The applications for LVDS expanded to flat panel displays for consumer TVs as screen resolutions and color depths increased. To serve this application, FPD Link chipsets continued to increase the data rate and the number of parallel LVDS channels to meet the internal TV requirement for transferring video data from the main video processor to the display panel's timing controller. FPD Link (commonly called LVDS) became the de facto standard for this internal TV interconnect and remains the dominant interface for this application in 2012. The next target application was transferring video streams through an external cable connection between a desktop computer and display, or a DVD player and a TV. NSC introduced higher performance follow ons to FPD Link called the LVDS Display Interface (LDI) and OpenLDI standards. These standards allow a maximum pixel clock of 112 MHz, which suffices for a display resolution of 1400 × 1050 (SXGA+) at 60 Hz refresh. A dual link can boost the maximum display resolution to 2048 × 1536 (QXGA) at 60 Hz. FPD Link works with cable lengths up to about 5 m, and LDI extends this to about 10 m. However, Digital Visual Interface (DVI) using TMDS over CML signals won the standards competition and became the standard for externally connecting desktop computers to monitors, and HDMI eventually became the standard for connecting digital video sources such as DVD players to flat panel displays in consumer applications. Another successful LVDS application is Camera Link, which is a serial communication protocol designed for computer vision applications and based on the NSC chipset called Channel Link that uses LVDS. Camera Link standardizes video interfaces for scientific and industrial products including cameras, cables, and frame grabbers. The Automated Imaging Association (AIA) maintains and administers the standard because it is the industry's global machine vision trade group. More examples of LVDS used in computer buses are HyperTransport and FireWire, both of which trace their development back to the post Futurebus work, which also led to SCI. In addition, LVDS is the physical layer signaling in SCSI standards (Ultra 2 SCSI and later) to allow higher data rates and longer cable lengths. Serial ATA (SATA), RapidIO, and SpaceWire use LVDS to allow high speed data transfer. Intel and AMD published a press release in December 2010 stating they would no longer support the LVDS LCD panel interface in their product lines by 2013. They are promoting Embedded DisplayPort and Internal DisplayPort as their preferred solution. However, the LVDS LCD panel interface has proven to be the lowest cost method for moving streaming video from a video processing unit to a LCD panel timing controller within a TV or notebook, and in February 2018 LCD TV and notebook manufacturers continue to introduce new products using the LVDS interface. LVDS was originally introduced as a 3.3 V standard. Scalable low voltage signaling (SLVS) has a lower common mode voltage of 200 mV and a reduced p p swing, but is otherwise the same as LVDS.) is the TIA standard (TIA 899). The AdvancedTCA standard specified MLVDS for clock distribution across the backplane to each of the computing module boards in the system. MLVDS has two types of receivers. Type 1 is compatible with LVDS and uses a +/− 50 mV threshold. Type 2 receivers allow Wired Or signaling with M LVDS devices. For M LVDS:
Выход Вход Общий режим Амплитуда Мин. 0,3 В 0,48 В −1,4 В Макс. 2,1 В 0,65 В +3,8 В
Output Input Commonmode Ampli tude Min. 0.3 V 0.48 V −1.4 V Max. 2.1 V 0.65 V +3.8 V
SCI-LVDS
Современной форме LVDS предшествовал более ранний стандарт, разработанный на основе Scalable Coherent Interface (SCI). SCI LVDS являлся частью семейства стандартов SCI и был специфицирован в стандарте IEEE 1596.3 1995 года. Комитет SCI разработал LVDS для соединения многопроцессорных систем высокоскоростным интерфейсом с низким энергопотреблением, призванным заменить логику с эмиттерной связью (PECL).
The present form of LVDS was preceded by an earlier standard initiated in Scalable Coherent Interface (SCI). SCI LVDS was a subset of the SCI family of standards and specified in the IEEE 1596.3 1995 standard. The SCI committee designed LVDS for interconnecting multiprocessing systems with a high speed low power interface to replace positive emitter coupled logic (PECL).
Стандарты
Стандарт ANSI/TIA/EIA 644 A (опубликованный в 2001 году) определяет LVDS. Изначально этот стандарт рекомендовал максимальную скорость передачи данных 655 Мбит/с по витой паре медных проводов, однако сегодня скорости передачи данных от 1 до 3 Гбит/с широко распространены при использовании высококачественных каналов передачи. В настоящее время технологии передачи широкополосного цифрового видеосигнала, такие как LVDS, также применяются в автомобилях, где передача сигнала в дифференциальном виде способствует электромагнитной совместимости. Однако для организации кабельной сети необходимо использовать высококачественные экранированные кабели с витой парой в сочетании со сложными системами разъемов. Альтернативой является использование коаксиальных кабелей. Исследования показали, что даже при использовании упрощенной среды передачи возможно обеспечить доминирование как по излучению, так и по помехоустойчивости в высокочастотном диапазоне. Будущие высокоскоростные видеосоединения могут быть более компактными, легкими и экономичными. Технологии последовательной передачи видео широко используются в автомобильной промышленности для подключения камер, дисплеев и управляющих устройств. Передача несжатых видеоданных имеет определенные преимущества для некоторых приложений. Современные протоколы последовательной связи обеспечивают передачу данных со скоростью от 3 до 4 Гбит/с, что позволяет управлять дисплеями с разрешением до Full HD. Интеграция сериализатора и десериализатора в блок управления проста и экономически выгодна благодаря низким требованиям к дополнительному аппаратному и программному обеспечению. В отличие от этого, шинные решения для передачи видео требуют подключения к соответствующему сетевому контроллеру и, при необходимости, ресурсов для сжатия данных. Поскольку для многих приложений полнофункциональная сеть не требуется во всей видеоархитектуре, а для некоторых соединений сжатие данных нецелесообразно из-за потери качества изображения и увеличения задержки, шинные технологии передачи видео в настоящее время представляются лишь частично привлекательными.
The ANSI/TIA/EIA 644 A (published in 2001) standard defines LVDS. This standard originally recommended a maximum data rate of 655 Mbit/s over twisted pair copper wire, but data rates from 1 to 3 Gbit/s are common today on high quality transmission mediums. Today, technologies for broadband digital video signal transmission such as LVDS are also used in vehicles, in which the signal transmitted as a differential signal helps for EMC reasons. However, high quality shielded twisted pair cables must be used together with elaborate connector systems for cabling. An alternative is the use of coaxial cables. Studies have shown that it is possible in spite of the simplified transfer medium dominate both emission and immunity in the high frequency range. Future high speed video connections can be smaller, lighter, and cheaper to realize. Serial video transmission technologies are widely used in the automobile for linking cameras, displays, and control devices. The uncompressed video data has some advantages for certain applications. Serial communication protocols now allow the transfer of data rates in the range of 3 to 4 Gbit/s and thus the control of displays with up to full HD resolution. The integration of the serializer and deserializer components in the control unit due to low demands on additional hardware and software simple and inexpensive. In contrast, require bus solutions for video transmission connection to a corresponding network controller and, if necessary resources for data compression. Since for many applications a full function network is not required throughout the video architecture and for some compounds, data compression is not feasible due to image quality loss and additional latency, bus oriented video transmission technologies are currently only partially attractive.