Високошвидкісний інтерфейс LVDS: опис і застосування

Засоби технічної організації комунікацій на даний момент представляють найбільший інтерес для IT-індустрії. Це проявляється і в розробці бездротових систем, і в принциповому наповнення електронних пристроїв можливістю зв'язку з іншою технікою, про що кілька років тому і мови не йшло. Але також не стоять на місці і традиційні фізичні канали передачі інформації. Наприклад, концепція LVDS (Low-voltage differential signaling) ґрунтується на принципах передачі низьковольтних сигналів по декількох диференційованим каналах. Даний спосіб організації транслює шини відрізняється високою ефективністю і при цьому не вимагає великих витрат.

Загальні відомості про інтерфейсі

Відмова від бездротових технологій на користь класичних каналів все ще дає суттєві переваги. Справа навіть не в стабільності передачі даних, а в швидкості і невибагливості з точки зору обслуговування. Що стосується динаміки, то в середньому така лінія здатна забезпечувати 400-600 Мбіт/c на одній витій парі. Технологія LVDS з'явилася як відповідь на запити у вирішенні проблеми передачі інформації на великі відстані. Але суттєвою її відмінністю від альтернативних методик стала незвичайна схема розгалуження контурів. Адже що таке LVDS в плані техніко-конструкційної реалізації? Це саме набір диференційованих дротових каналів, призначених для здійснення обміну даними між пристроями і мікросхемами. Сама апаратна частина при це не є предметом стандартизації. Може застосовуватися обладнання, в принципі доступне для інтеграції інтерфейсу. Але і провідники не являють собою щось, що виходить за рамки сучасних специфікацій. Більш того, паралельні лінії можуть базуватися на застарілих провідниках без оптоволоконних мереж. Суть технології полягає в способі організації цих каналів.


Диференціальні сигнали мають низький рівень чутливості з діапазоном від 250 до 450 мВ. І в контексті розгляду параметрів ліній передачі даних все ж не можна обійти увагою джерела інформації, з якою працює інтерфейс LVDS. Опис кінцевих пристроїв можна виразити у вигляді формувачів-передавачів, які виконуються як струмові ключі. Завдяки цієї оснащенні забезпечується незалежність швидкості обробки сигналу від основного напруги в лінії. Виходячи з усього вищевикладеного, можна зробити два виведення проміжних про систему LVDS: В процесі передачі даних передбачається невеликий розмах сигналу відносно параметрів чутливості. Трансляція здійснюється з струмовим характером. На практиці експлуатації інтерфейсу це означає, що система зможе підтримувати високу швидкість навіть при низькій потужності, що розсіюється. На конкретних цифрах теоретична величина швидкості буде становити 1923 Мбіт/с, але виробники готових рішень все ж рекомендують дотримуватися рівня 655 Мбіт/с.

Особливості диференційного розподілу каналів

Для початку варто розглянути, що таке в принципі диференціальний сигнал. Це спосіб передачі даних по електричних мереж з допомогою протифазних ліній. Згідно з правилами організації таких каналів сигнал транслюється у формі диференціальної пари, в якій кожен потік має свій провідник. При цьому забезпечується інверсія – тобто в одній парі беруть участь два сигнали з різними знаками. Найдешевший спосіб реалізації цих пар – використати виті провідники, але також допускається застосування твинаксиальных кабелів і прямий розведення на друкованій платі. Тут важливо підкреслити, що LVDS-приймач реагує саме на різницю між сигналами в парі, а не на відмінності між потенціалом заземлення і конкретним провідником.
Диференціальні пари мають і особливе оформлення. На схемах сигнали LVDS позначаються як RX(0-3), RXC і т. д. Вихідний сигнал з маркуванням CLK відображає піксельну частоту, визначаючи також спектр сигналів R/G/B трансмиттере. На практиці інтерфейс диференціальних каналів може використовуватися для передачі 18-ти і 24-х розрядних квітів. В цьому відношенні системі LVDS найбільш близький інтерфейс TMDS, але він не розрізняє окремі диференціальні пари. Іншими словами, з'являється можливість кожній парі присвоювати сигнали певного колірного спектру. Окремої уваги заслуговує і диференціація як спосіб передачі керуючих потоків. У цьому випадку сигнали транслюють інформацію з конкретними схемами та конфігураціями. Наприклад, широко використовуються сигнали кадрової і рядкової синхронізації, а також канали, передають відомості про виправлення даних. Але чи можливе суміщення не просто розрізнених пар з різними даними, а груп сигналів, що розрізняються за типом зазначеної інформації? Це залежить від кінцевого приймача, з яким працює інтерфейс LVDS? Опис принципу обробки таких даних можна представити так: Сдвиговый регістр трансмітера приймає кілька груп інформації від різних диференціальних пар. Ресивер перетворює формат даних. Керуюча плата знову перерозподіляє потоки, виділяючи цільову інформацію. Інтерфейс приймача коригує налаштування апаратури або виводить сигнал в область відтворення.

Визначення якості сигналу

Робота систем на базі LVDS характеризується швидкістю і дальністю передачі інформації. Це основні якісні показники, від яких залежить експлуатаційний потенціал конкретної лінії. В ідеальних умовах використання каналу зовнішні перешкоди відсутні і, відповідно, досягаються максимально можливі параметри швидкості і дальності без обмежень. Але оскільки на практиці такі умови не зустрічаються, то в процесі проектування і обслуговування LVDS-інтерфейсів виникає потреба оцінки їх якості.
До найбільш поширених методів аналізу диференціальних ліній відноситься складання око-діаграми. На ній, зокрема, наочно відображається рівень спотворення сигналу. Існує і кількісна оцінка, виражається так званим відсотком тремтіння. У комплексі ж обидві характеристики вказують на ступінь розкиду фотонів, яка визначається кількома чинниками. Головним із них можна назвати межсимвольную інтерференцію, визначальну загасання сигналу і його частотну нерівномірність. Також канали передачі даних та самі по собі можуть впливати один на одного. Це стосується сусідніх ліній, забезпечених неякісною ізоляцією. Мінімізувати подібні перешкоди можна виконанням трасування плати.

Склад каналу

Повноцінна лінія в системі LVDS формується передавачем і сполучної інфраструктурою, що забезпечує зв'язок джерела інформації і приймача. Максимальна швидкість в такому каналі становить 622 Мбіт/с за умови наближення до стандарту конфігурації. Сполучна середовище складається з друкованої плати і проводки. Причому допускаються і варіанти, в яких один з компонентів може бути відсутнім. Але в цьому випадку LVDS-інтерфейс буде обмежений і дальності і швидкості передачі інформації навіть незалежно від впливу сторонніх чинників. Друкована плата виступає в якості бази для установки приймача або передавача. Також практикується інтеграція терминирующих ланцюгів, роз'ємів для підключення функціональних компонентів та іншої допоміжної оснастки, бере участь у роботі системи. Ключовою умовою працездатності комплексу є взаємна відповідність всіх його елементів, ознакою якого буде технічна можливість їх установки на доріжках друкованої плати. Перевірка на помилки в підборі компонентів для LVDS-каналу проводиться на етапі тестування. Вже на практиці експлуатації після введення системи в робочий процес усунення несумісностей підручними засобами може зажадати великих фінансових витрат і технічних ресурсів.

Кабелі і роз'єми LVDS

Сполучна інфраструктура ґрунтується на провідних контурах і засобах, що забезпечують можливість їх підключення. У диференціальному інтерфейсі рекомендується застосовувати симетричну виту пару. Такий кабель забезпечить оптимальні характеристики сигналу завдяки підтримці постійного опору (близько 100 Ом) і відповідністю впливу наведень на кінці приймача. У той же час LVDS-кабель і його параметри суворо не регламентуються. До виключення можна віднести певні робочі показники дроти, конфігурацію розбивки за контактними точками і т. д. виборі кабелю багато чого залежить від конкретних вимог до системи. Наприклад, відстань до 50 см допускає застосування майже всіх видів провідний середовища. Відстань до 10 см бажано обслуговувати кручений парою стандартів CAT3-5. Швидкість в такій інфраструктурі складе до 400 Мбіт/c. Роз'єми, використовувані при створенні LVDS-лінків, також підбираються виходячи з проектних вимог до системи. Але майже в кожному випадку акцент робиться на можливість обслуговування швидкісного каналу передачі даних з урахуванням електромагнітного випромінювання та зовнішніх наведень. Особлива увага приділяється розташуванню ліній на контактах. Вхідний інтерфейс може мати різні конфігурації роз'ємів, що відрізняються по довжині і потенційною величиною викривлення. Побудова ліній вимагає використання висновків, відповідних проводів однієї пари. Це дозволить збалансувати швидкісні показники при оптимізації перешкод додатковими засобами. На практиці створення диференціальних каналів з роз'ємами одним з ключових технічних параметрів виступає терморегулятори. Її важливо враховувати при підключенні кінцевого приймача з матрицями. На базовому рівні характеристик можуть використовуватися інтерфейси на 30-pin. Але сучасні пристрої, що пред'являють все більш високі вимоги до пропускної здатності ліній, орієнтуються на її LVDS на 40-pin. Даний роз'єм може бути одне - і двоканальним – цей нюанс теж слід мати на увазі при організації підключення.

Управління потоками даних

Для ефективного використання диференціальних каналів недостатньо вибору підходящих за характеристиками функціональних компонентів. Завдання підведення потоків даними вирішується на етапі розробки конфігурації швидкісних ліній. Проектувальник вибудовує платформу з окремими передавачами, іноді задіюючи і мікросхеми сериалайзеров. Це спеціальні перетворювачі сигналів, що забезпечують паралельно-послідовне розподіл. З іншого боку на закінчення приймача встановлюється десериалайзер, здійснює зворотне перетворення – з послідовного паралельне стан. Використання сериалайзеров на практиці дозволяє оптимізувати частоту високошвидкісного каналу до прийнятних для цільового пристрою значень. Застосовується і спосіб керування потоками інформації шляхом інтегрованих в обладнання приймачів і передавачів. Наприклад, компанія Xilinx вбудовує в програмований LVDS-інтерфейс кілька портів для розміщення компонентів одного стандарту. У цього рішення є суттєва перевага у вигляді оптимізації конструкції пристрою, що полегшує побудова цільової архітектури каналів з урахуванням необхідних показників швидкості незалежно від реалізації зовнішнього інтерфейсу.

Застосування LVDS

Розвиток технології обумовлено підвищенням вимог до передачі відеоінформації. Конфігурація пристрою каналів даного диференціального інтерфейсу оптимально підходить для обслуговування офісної та домашньої техніки, яка працює з фото-, відео-, 3D-графікою і іншими мультимедійними матеріалами. Причому в якості кінцевих пристроїв можуть виступати і комп'ютери, і мережеві розподільники, і навіть системи супутникового зв'язку. Тобто інтерфейс LVDS і його застосування можна назвати універсальним з точки зору можливостей інтеграції в сучасні системи передачі та обробки цифрової інформації. Найпоширенішим напрямком використання технології є з'єднання моніторів з ПК та іншими джерелами інформації. Наприклад, для LCD панелей з високим дозволом застосовуються шини LVDS з невеликою споживаною потужністю, але широкою смугою пропускання. Для організації високошвидкісних потоків даних використовують мікросхеми, здатні перетворювати дані на 21-48 біт під багатоканальну систему LVDS з подальшим виходом в тактовий сигнал. Подібні конфігурації використовують в обслуговуванні супербыстродействующих серверів і маршрутизаторів. В цілому можна сказати, що низьковольтна диференціальна передача сигналів підходить для багатоточкових систем, компоненти яких необхідно узгоджувати з різних кінців передачі інформації. Деякі перетворювачі LVDS знаходять своє місце і в промисловості, виступаючи у вигляді випадкових ключів даних.

Система LVDS в моніторах і матрицях

Стандартизовані інтерфейси для підключення пристроїв відтворення відеоінформації в якості основного функціонального компонента як раз задіють роз'єми. Досить вибрати оптимальний за характеристиками вхід буде організовано сполучна лінія. У підборі роз'єму для конкретного устаткування враховуються такі характеристики: Роздільна здатність монітора або матриці. Розмір екрану. Частота кадрів і т. д. Вищезгадана терморегулятори, приміром, багато в чому залежить від діагоналі. Так, інтерфейс LVDS для 8 дюймів цілком може вводитися в інфраструктуру допомогою контактора на 20-pin. Збільшення контактів може відбуватися не тільки на центральній стороні, але і з боків. Зазвичай такі «піни» виконують функцію заземлення. По налагодженій інтерфейсу подається напруга для компонентів матриці, яке теж відрізняється в залежності від розміру екрана. Зазвичай початкового значення В 33 буває достатньо для 15-дюймових пристроїв і менше. Стандарт у 12 живить матриці на 19 дюймів і т. д. При підключенні можуть вводитися і трансмітери з ресиверами. В сучасних панелях вони реалізуються в якості мікросхем, але іноді включаються до складу скалеров, тобто контролерів інтерфейсу LVDS. Схеми підключення з таким доповненням передбачає використання 30-контактного роз'єму як мінімум. Розподіл сигналів по «пинам» буде передбачати класифікацію на три основні групи: VCC – напруга живлення. VSS – заземлення. RX – вхід однією з диференціальної пари.

Переваги від використання систем LVDS

Одне з головних достоїнств цього інтерфейсу полягає в легкості керування, узгодження і перемикання. Більшість сучасних високошвидкісних ліній припускають використання спеціальних матеріалів для виготовлення тих же кабелів, так і для забезпечення контролю сигналів. У випадку з диференціальними каналами застосовуються найпростіші стандарти, які також розширюють і можливості використання технології. Типова матриця для ноутбука на базі LVDS може забезпечувати швидке перемикання передавача на граничний рівень продуктивності зі зростанням швидкості обробки сигналу. При цьому енерговитрати зберігаються на низьких або середніх показниках щодо конкурентних ліній передачі даних. Оптимізація в цій частині досягається за рахунок скорочення розсіюваної потужності навантаження – не більше 12 мВт при імпедансі на 100 Ом. Деякі виробники компонентів для LVDS також роблять упор на статистичне енергоспоживання. Економічний фактор привабливий і в плані вартості компонентів, з яких формується інфраструктура. Використання тієї ж витої пари порівняно з оптоволокном і зовсім незрівнянно за витратами і при купівлі, і у витратах на технічне обслуговування. Частина переваг зумовлена застосуванням диференціального методу трансляції сигналу як такого. Можна виділити і простоту схем передачі інформації, і низьку чутливість до перешкод. Зрозуміло, якщо не брати в розрахунок випромінювання в суміжних близько розташованих каналах. Не критична і чутливість LVDS-інтерфейсу при роботі в умовах сильних магнітних полів. Корекція фронтонів не впливає на якість передачі, тому шуми зберігаються в межах прийнятних значень.

Висновок

Архітектура більшості готових рішень на платформі технології LVDS відрізняється продуктивністю, економністю та гнучкість з точки зору зміни функціональної конфігурації. Досягнуто таке поєднання позитивних експлуатаційних властивостей за рахунок об'єднання кращих якостей традиційного паралельного інтерфейсу (в новітніх версіях – цифрового) і принципів послідовного підключення. В результаті скорочення числа провідників дозволило використовувати систему в компактних пристроях, що вимагають при цьому підтримки якісної трансляції сигналу. Власне, матриця для ноутбука на базі LCD-контролерів демонструє повний спектр переваг технології. Розробкою подібних рішень сьогодні займаються такі компанії, як Samsung, Philips, HP і ін Реалізувати робочу схему можна і самостійно, що часто роблять домашні умільці з РК-панелями. У цьому випадку буде потрібно базовий набір функціональних компонентів з кабелем, роз'ємом, мікросхемою контролера і кінцевими пристроями. Але, як показує практика, домогтися при такому виконанні високої пропускної здатності можна лише в рідкісних випадках. Розуміючи це, виробники компонентів LVDS створюють спеціальні лінійки з готовою інфраструктурою передачі сигналу, яку можна інтегрувати в будь-яку мультимедійну установку – головне, правильно співвіднести основні технічні параметри. Що стосується в принципі проблем з інтерфейсами даного типу, то можуть мати місце зовнішні перешкоди, але і ці фактори мінімізуються за допомогою включення систем ізоляції і екранування. Їх можна інтегрувати і в якості опціонального доповнення, і як основний функціональний елемент.