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

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

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.

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.

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.

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.

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

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.