Высокоскоростной интерфейс LVDS: описание и применение

Средства технической организации коммуникаций на данный момент представляют наибольший интерес для IT-индустрии. Это проявляется и в разработке беспроводных систем, и в принципиальном наполнении электронных устройств возможностью связи с другой техникой, о чем несколько лет назад и речи не шло. Но также не стоят на месте и традиционные физические каналы передачи информации. Например, концепция LVDS (Low-voltage differential signaling) основывается на принципах передачи низковольтных сигналов по нескольким дифференцированным каналам. Данный способ организации транслирующей шины отличается высокой эффективностью и при этом не требует больших затрат.

Общие сведения об интерфейсе

lvds интерфейс

Отказ от беспроводных технологий в пользу классических каналов все еще дает существенные преимущества. Дело даже не в стабильности передачи данных, а в скорости и неприхотливости с точки зрения обслуживания. Что касается динамики, то в среднем такая линия способна обеспечивать 400–600 Мбит/c на одной витой паре. Технология LVDS появилась как ответ на запросы в решении проблемы передачи информации на большие расстояния. Но существенным ее отличием от альтернативных методик стала необычная схема разветвления контуров. Ведь что такое LVDS в плане технико-конструкционной реализации? Это именно набор дифференцированных проводных каналов, предназначенных для осуществления обмена данными между устройствами и микросхемами. Сама аппаратная часть при этом не является предметом стандартизации. Применяться может оборудование, в принципе доступное для интеграции интерфейса. Но и проводники не представляют собой нечто выходящее за рамки современных спецификаций. Более того, параллельные линии могут базироваться на устаревающих проводниках без оптоволоконных сетей. Суть технологии заключается в способе организации этих каналов.

Дифференциальные сигналы имеют низкий уровень чувствительности с диапазоном от 250 до 450 мВ. И в контексте рассмотрения параметров линий передачи данных все же нельзя обойти вниманием источники информации, с которой работает интерфейс LVDS. Описание концевых устройств можно выразить в виде формирователей-передатчиков, которые выполняются как токовые ключи. Благодаря этой оснастке обеспечивается независимость скорости обработки сигнала от основного напряжения в линии. Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать два промежуточных вывода о системе LVDS:

  • В процессе передачи данных предполагается небольшой размах сигнала в отношении параметров чувствительности.
  • Трансляция осуществляется с токовым характером.

На практике эксплуатации интерфейса это означает, что система сможет поддерживать высокую скорость даже при низкой рассеиваемой мощности. На конкретных цифрах теоретическая величина скорости будет составлять 1923 Мбит/с, но производители готовых решений все же рекомендуют придерживаться уровня 655 Мбит/с.

Особенности дифференциального распределения каналов

интерфейс lvds описание

Для начала стоит рассмотреть, что такое в принципе дифференциальный сигнал. Это способ передачи данных по электрическим сетям с помощью противофазных линий. В соответствии с правилами организации таких каналов сигнал транслируется в форме дифференциальной пары, в которой каждый поток имеет свой проводник. При этом обеспечивается инверсия – то есть в одной паре участвуют два сигнала с разными знаками. Самый дешевый способ реализации этих пар – использовать витые проводники, но также допускается применение твинаксиальных кабелей и прямой разводки на печатной плате. Здесь важно подчеркнуть, что LVDS-приемник реагирует именно на разницу между сигналами в паре, а не на различия между потенциалом заземления и конкретным проводником.

Дифференциальные пары имеют и особое оформление. На схемах сигналы LVDS обозначаются как RX(0-3), RXC и т. д. Выходной сигнал с маркировкой CLK отражает пиксельную частоту, определяя также спектр сигналов R/G/B на трансмиттере. На практике интерфейс дифференциальных каналов может использоваться для передачи 18-ти и 24-х разрядных цветов. В этом отношении системе LVDS наиболее близок интерфейс TMDS, но он не различает отдельные дифференциальные пары. Иными словами, появляется возможность каждой паре присваивать сигналы определенного цветового спектра.

Отдельного внимания заслуживает и дифференциация как способ передачи управляющих потоков. В этом случае сигналы транслируют информацию с конкретными схемами и конфигурациями. Например, широко используются сигналы кадровой и строчной синхронизации, а также каналы, передающие сведения о разрешении данных. Но возможно ли совмещение не просто разрозненных пар с разными данными, а групп сигналов, различающихся по типу содержащейся информации? Это зависит от конечного приемника, с которым работает интерфейс LVDS? Описание принципа обработки таких данных можно представить так:

  • Сдвиговый регистр трансмиттера принимает несколько групп информации от разных дифференциальных пар.
  • Ресивер преобразует формат данных.
  • Управляющая плата вновь перераспределяет потоки, выделяя целевую информацию.
  • Интерфейс приемника корректирует настройки аппаратуры или выводит сигнал в область воспроизведения.

Определение качества сигнала

Работа систем на базе LVDS характеризуется скоростью и дальностью передачи информации. Это основные качественные показатели, от которых зависит эксплуатационный потенциал конкретной линии. В идеальных условиях использования канала внешние помехи отсутствуют и, соответственно, достигаются максимально возможные параметры скорости и дальности без ограничений. Но поскольку на практике такие условия не встречаются, то в процессе проектирования и обслуживания LVDS-интерфейсов возникает потребность оценки их качества.

каналы передачи данных

К наиболее распространенным методам анализа дифференциальных линий относится составление глаз-диаграммы. На ней, в частности, наглядно отражается уровень искажения сигнала. Существует и количественная оценка, выражаемая так называемым процентом дрожания. В комплексе же обе характеристики указывают на степень разброса фотонов, которая определяется несколькими факторами. Главным из них можно назвать межсимвольную интерференцию, определяющую затухание сигнала и его частотную неравномерность. Также каналы передачи данных и сами по себе могут оказывать влияние друг на друга. Это касается соседних линий, обеспеченных некачественной изоляцией. Минимизировать подобные помехи можно выполнением трассировки платы.

Состав канала

Полноценная линия в системе LVDS формируется передатчиком и соединительной инфраструктурой, обеспечивающей связку источника информации и приемника. Максимальная скорость в таком канале составляет 622 Мбит/с при условии приближения к стандарту конфигурации. Соединительная среда состоит из печатной платы и проводки. Причем допускаются и варианты, в которых один из компонентов может отсутствовать. Но в этом случае LVDS-интерфейс будет ограничен и в дальности, и в скорости передачи информации даже независимо от влияния сторонних факторов.

Печатная плата выступает в качестве базы для установки приемника или передатчика. Также практикуется интеграция терминирующих цепей, разъемов для подсоединения функциональных компонентов и другой вспомогательной оснастки, участвующей в работе системы. Ключевым условием работоспособности комплекса является взаимное соответствие всех его элементов, признаком которого будет техническая возможность их установки на дорожках печатной платы. Проверка на ошибки в подборе компонентов для LVDS-канала производится на этапе тестирования. Уже на практике эксплуатации после ввода системы в рабочий процесс устранение несовместимостей подручными средствами может потребовать больших финансовых затрат и технических ресурсов.

Кабели и разъемы LVDS

Соединительная инфраструктура основывается на проводных контурах и средствах, обеспечивающих возможность их подключения. В дифференциальном интерфейсе рекомендуется применять симметричную витую пару. Такой кабель обеспечит оптимальные характеристики сигнала благодаря поддержке постоянного сопротивления (порядка 100 Ом) и соответствию влияния наводок на конце приемника. В то же время LVDS-кабель и его параметры строго не регламентируются. К исключению можно отнести определенные рабочие показатели провода, конфигурацию разбивки по контактным точкам и т. д. В выборе кабеля многое зависит от конкретных требований к системе. Например, дистанция до 50 см допускает применение почти всех видов проводной среды. Расстояние до 10 см желательно обслуживать витой парой стандартов CAT3-5. Скорость в такой инфраструктуре составит до 400 Мбит/c.

Разъемы, используемые при создании LVDS-линков, также подбираются исходя из проектных требований к системе. Но почти в каждом случае акцент делается на возможность обслуживания скоростного канала передачи данных с учетом электромагнитного излучения и внешних наводок. Особое внимание уделяется расположению линий на контактах. Входной интерфейс может иметь разные конфигурации разъемов, отличающихся по длине и потенциальной величине искажения. Построение линий требует использования выводов, соответствующих проводам одной пары. Это позволит сбалансировать скоростные показатели при оптимизации помех дополнительными средствами.

интерфейс lvds схема подключения

На практике создания дифференциальных каналов с разъемами одним из ключевых технических параметров выступает распиновка. Ее важно учитывать при подключении конечного приемника с матрицами. На базовом уровне характеристик могут использоваться интерфейсы на 30-pin. Но современные устройства, предъявляющие все более высокие требования к пропускной способности линий, ориентируются на распиновку LVDS на 40-pin. Данный разъем может быть одно- и двухканальным – этот нюанс тоже следует иметь в виду при организации подключения.

Управление потоками данных

Для эффективного использования дифференциальных каналов недостаточно выбора подходящих по характеристикам функциональных компонентов. Задача подвода потоков с данными решается на этапе разработки конфигурации скоростных линий. Проектировщик выстраивает платформу с отдельными передатчиками, иногда задействуя и микросхемы сериалайзеров. Это специальные преобразователи сигналов, обеспечивающие параллельно-последовательное распределение. С другой стороны на окончании приемника устанавливается десериалайзер, осуществляющий обратное преобразование – из последовательного в параллельное состояние. Использование сериалайзеров на практике позволяет оптимизировать частоту высокоскоростного канала до приемлемых для целевого устройства значений.

Применяется и способ управления потоками информации путем интегрированных в оборудование приемников и передатчиков. Например, компания Xilinx встраивает в программируемый LVDS-интерфейс несколько портов для размещения компонентов одного стандарта. У этого решения есть существенное преимущество в виде оптимизации конструкции устройства, которая облегчает построение целевой архитектуры каналов с учетом требуемых показателей скорости независимо от реализации внешнего интерфейса.

Применение LVDS

Развитие технологии обусловлено повышением требований к передаче видеоинформации. Конфигурация устройства каналов данного дифференциального интерфейса оптимально подходит для обслуживания офисной и домашней техники, которая работает с фото-, видео-, 3D-графикой и другими мультимедийными материалами. Причем в качестве концевых устройств могут выступать и компьютеры, и сетевые распределители, и даже системы спутниковой связи. То есть интерфейс LVDS и его применение можно назвать универсальным с точки зрения возможностей интеграции в современные системы передачи и обработки цифровой информации. Самым распространенным направлением использования технологии является соединение мониторов с ПК и другими источниками информации. Например, для панелей LCD с высоким разрешением применяются шины LVDS с небольшой потребляемой мощностью, но широкой полосой пропускания.

матрица для ноутбука

Для организации высокоскоростных потоков данных используют микросхемы, способные преобразовывать данные на 21-48 бит под многоканальную систему LVDS с последующим выходом в тактовый сигнал. Подобные конфигурации используют в обслуживании супербыстродействующих серверов и маршрутизаторов. В целом можно сказать, что низковольтная дифференциальная передача сигналов подходит для многоточечных систем, компоненты которых необходимо согласовывать с разных концов передачи информации. Некоторые преобразователи LVDS находят свое место и в промышленности, выступая в виде случайных ключей данных.

Система LVDS в мониторах и матрицах

Стандартизированные интерфейсы для подключения устройств воспроизведения видеоинформации в качестве основного функционального компонента как раз задействуют разъемы. Достаточно выбрать оптимальный по характеристикам вход и будет организована соединительная линия. В подборе разъема для конкретного оборудования учитываются следующие характеристики:

  • Разрешающая способность монитора или матрицы.
  • Размер экрана.
  • Частота кадров и т. д.

Вышеупомянутая распиновка, к примеру, во многом зависит от диагонали. Так, интерфейс LVDS для 8 дюймов вполне может вводиться в инфраструктуру посредством контактора на 20-pin. Увеличение контактов может происходить не только на центральной стороне, но и по бокам. Обычно такие «пины» выполняют функцию заземления.

качество сигнала

По налаженному интерфейсу подается напряжение для компонентов матрицы, которое тоже отличается в зависимости от размера экрана. Обычно начального значения в 3,3 В бывает достаточно для 15-дюймовых устройств и менее. Стандарт в 12 В питает матрицы на 19 дюймов и т. д. При подключении могут вводиться и трансмиттеры с ресиверами. В современных панелях они реализуются в качестве микросхем, но иногда включаются и в состав скалеров, то есть контроллеров интерфейса LVDS. Схемы подключения с таким дополнением предусматривает использование 30-контактного разъема как минимум. Распределение сигналов по «пинам» будет предусматривать классификацию на три основные группы:

  • VCC – питающее напряжение.
  • VSS – заземление.
  • RX – вход одной из дифференциальной пары.

Преимущества от использования систем LVDS

Одно из главных достоинств данного интерфейса заключается в легкости управления, согласования и переключения. Большинство современных высокоскоростных линий предполагают использование особых материалов как для изготовления тех же кабелей, так и для обеспечения контроля сигналов. В случае с дифференциальными каналами применяются простейшие стандарты, которые также расширяют и возможности использования технологии. Типовая матрица для ноутбука на базе LVDS может обеспечивать быстрое переключение передатчика на предельный уровень производительности с ростом скорости обработки сигнала. При этом энергозатраты сохраняются на низких или средних показателях относительно конкурентных линий передачи данных. Оптимизация в этой части достигается за счет сокращения мощности рассеиваемой нагрузки – не более 1,2 мВт при импедансе на 100 Ом. Некоторые изготовители компонентов для LVDS также делают упор на статистическое энергопотребление. Экономический фактор привлекателен и в плане стоимости компонентов, из которых формируется инфраструктура. Использование той же витой пары по сравнению с оптоволокном и вовсе несравнимо по затратам и при покупке, и в расходах на техническое обслуживание.

Часть преимуществ обусловлена и применением дифференциального метода трансляции сигнала как такового. Можно выделить и простоту схем передачи информации, и низкую чувствительность к помехам. Разумеется, если не брать в расчет излучения в смежных близко расположенных каналах. Не критична и чувствительность LVDS-интерфейса при работе в условиях сильных магнитных полей. Коррекция фронтонов не влияет на качество передачи, поэтому шумы сохраняются в рамках приемлемых значений.

Заключение

интерфейс lvds и его применение

Архитектура большинства готовых решений на платформе технологии LVDS отличается производительностью, экономностью и гибкостью с точки зрения изменения функциональной конфигурации. Достигнуто такое сочетание положительных эксплуатационных свойств было за счет объединения лучших качеств традиционного параллельного интерфейса (в новейших версиях – цифрового) и принципов последовательного подключения. В итоге сокращение числа проводников позволило использовать систему в компактных устройствах, требующих при этом поддержки качественной трансляции сигнала. Собственно, матрица для ноутбука на базе LCD-контроллеров демонстрирует полный спектр достоинств технологии. Разработкой подобных решений сегодня занимаются такие компании, как Samsung, Philips, HP и др.

Реализовать рабочую схему можно и самостоятельно, что часто делают домашние умельцы с ЖК-панелями. В этом случае потребуется базовый набор функциональных компонентов с кабелем, разъемом, микросхемой контроллера и конечными устройствами. Но, как показывает практика, добиться при таком исполнении высокой пропускной способности можно лишь в редких случаях. Понимая это, производители компонентов LVDS создают специальные линейки с готовой инфраструктурой передачи сигнала, которую можно интегрировать в любую мультимедийную установку – главное, правильно соотнести основные технические параметры. Что касается в принципе проблем с интерфейсами данного типа, то могут иметь место внешние помехи, но и эти факторы минимизируются посредством включения систем изоляции и экранирования. Их можно интегрировать и в качестве опционального дополнения, и как основной функциональный элемент.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Добавить смайл
  • :smile:
  • :wink:
  • :frowning:
  • :stuck_out_tongue_winking_eye:
  • :smirk:
  • :open_mouth:
  • :grinning:
  • :pensive:
  • :relaxed:
  • :heart:
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Следят за новыми комментариями — 4
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.