LVDS协议(上)

作者:hymmsx 发布于:2022-7-15 17:01 分类:显示

1.概述

1.1 基本概念

LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)低电压差分信号,是一种低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的差分信号技术,这种传输技术可以达到155Mbps以上,LVDS技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据,可以实现点对点或一点对多点的连接,其传输介质可以是铜质的PCB连线,也可以是平衡电缆。

LVDS最早是由美国国家半导体公司(National Semiconductor)提出的一种高速信号传输电平,此后,LVDS在下列两个标准中作了定义:IEEEP1996.3(1996年3月通过),主要面向SCI(Scalable Coherent Interface).定义了LVDS的电特性,还定义了SCI协议中包交换时的编码;ANS/EIA/EIA-644(1995年11月通过),主要定义了LVDS的电特性,并建议了最大传输速率及理论极限速率等参数。通常提到的LVDS标准是指后者。2001年ANS/EIA/EIA-644标准已重新修订发表。

LVDS称为TIA/EIA-644,规定了差分串行信号标准的电气特性的一个技术标准,但它不是协议,属于物理层规范。再其之上定义了许多通信标准和应用程序属于链路层规范。早期在笔记本电脑和LCD显示器所提及的协议通常采用LVDS的术语而不是FPD-Link,久而久之就把两者多为同义对象来描述。LVDS是一种差分信号系统,意味着它以一对导线上的电压差来传输信息,基于差分信号LVDS就能减少电磁噪声的产生。LVDS是指物理层,OpenLDI是指数据链路层和物理层的结合。

1.2 DDC/EDID

1.2.1 DDC

1、介绍:DDC是显示器与电脑主机进行通信的一个总线标准,其全称是:DISPLAY DATA CHANNEL。它的基本功能就是将显示器的电子档案资料信息,诸如可接收行场频范围、生产厂商、生产日期、产品序列号、产品型号、标准显示模式及其参数、所支持的DDC标准类别、EDID的版本信息等等。高版本的DDC标准总线还可以允许电脑主机直接调节显示器的基本参数,诸如亮度、对比度、行场幅度的大小、行场中心位置、色温参数等等。
2、DDC总线标准类别:
1)DDC1:单向传输,CLOCKED BY VSYNC,只传输128 BYTE EDID标准数据信息。
2)DDC2B:单向传输(地址为:0xA0/A1),是一个简单的从存储器读取数据信息的标准I2C协议,其方向为从显示器到电脑主机。
3)DDC2Bi:双向传输,I2C SLAVE MODE,传送图形信息(地址为:0x6E/6F,0x50/51), 支持简单的ACCESS.BUS总线标准。
4)DDC2B+:双向传输,点对点,不支持ACCESS.BUS,传输EDID/VDIF标准数据信息(地址为:0x6E/6F,0x50/51)。
5)DDC2AB:双向传输,支持ACCESS.BUS,传输EDID/VDIF标准数据信息(地址为:0x6E/6F,0x50/51)。

DDC2B是主机读取显示器扩展显示信息的双向资料交换通道,基于I2C 通讯协议。只有主机向显示器发出需求信号,并得到显示器的响应后,显示器才送出EDID资料。显示源和显示设备均应支持DDC2B的操作。显示源应能够在+5Vdc DDC电源引脚上提供至少100 mA。

1.2.2 EDID

EDID数据标准:EDID(Extended Display Identification Data Standard)中文名称扩展显示器识别数据,就是显示器通过DDC传输给电脑主机的标准数据信息,是VESA在制定DDC显示器数据通道通信协议时,制定的有关显示器识别数据的标准。EDID存储在显示器中的DDC存储器中,当电脑主机与显示器连接后,电脑主机会通道DDC通道读取显示器DDC存储器中的存储的EDID。显示源需要支持EDID1.3和2.0的数据结构,如果显示设备是固定的分辨率,在EDID结构中需要将”Preferred Timing Mode“置为1,并在数据结构的第一个详细定时域(DTD)中描述的原生分辨率。Preferred Timing Mode的offset位于EDID1.2的[18H].bit1和 EDID2.0的[7EH].bit14。至今已发布到第三版本,即EDID Version 3,前面分别有EDID Version 1.0,Revision 0,EDID Version 1,Revision 1,EDID Version 2,Revision 0,EDID Version 2,Revision 1等版本。就数据信息量而分,EDID分为128 BYTE和256 BYTE,将来也许会有更多数据信息量的新版EDID公布。

2.工作原理

其源端驱动器由一个恒流源(通常约为3.5mA,最大不超过4mA)驱动一对差分信号线组成。接收端的接收器本身为高直流输入阻抗,所以几乎全部的驱动电流都流经100Ω的终端匹配电阻,并在接收器输入端产生约350mV的电压。当源端驱动状态反转变化时,流经匹配电阻的电流方向改变,于是在接收端产生高低逻辑状态的变化。

为适应共模电压的在宽范围内的变化,一般情况下,LVDS的接收器输入级还包括一个自动电平调整电路,该电路将共模电压调整为一固定值,其后面是一个Schmitt触发器,而且,为防止Scdhmitt触发器不稳定,设计有一定的回滞特性,Schmitt后级才是差分放大器。

LVDS 信号传输一般由三部分组成:差分信号发送器,差分信号互联器,差分信号接收器。

从上面这个简单图中,可以看到所有差分信号技术的共同优点。首先,请注意,当前源总是打开并按不同的方向驱动逻辑1和0。这种特性始终消除了开关大电流晶体管(根据单端技术的要求)所产生的开关噪声峰值和EMI。其次,差分对的两行彼此相邻,提供了相当数量的抗噪声。来自串扰或电磁干扰的噪声被其中一对吸收,也会出现在相邻的线中。由于接收机对两个通道之间的差异作出反应,因此在这两行通道上出现的“共模”噪声将在接收机上取消。此外,由于两个相邻的线路携带相等的电流,但方向相反,EMI的产生被最小化。

IEEE 在两个标准中对LVDS 信号进行了定义。ANSI/TIA/E IA -644 中,推荐最大速率为
655Mbps ,理论极限速率为1.923Gbps

OpenLDI序列化并行像素数据,并将其从显示源发送到显示设备,在显示设备中,像素再次返回到其并行格式。从概念上讲,OpenLDI的架构如图所示:

3.技术特点

LVDS之所以成为目前高速I/O接口的首选信号形式来解决高速数据传输的限制,就是因为它在传输速度、功耗、抗噪声、EMI等方面具有优势。

①高速传输能力。在ANS/EIA/EIA-64定义中的LVDS标准,理论极限速率为1.923Gbps,恒流源模式、低摆幅输出的工作模式决定着LVDS具有高速驱动能力。

②低功耗特性。LVDS器件是用CMOS工艺实现的,而CMOS能够提供较低的静态功耗;当恒流源的驱动电流为3.5mA,负载(100Ω终端匹配)的功耗仅为1.225mW;LVDS的功耗是恒定的,不像CMOS收发器的动态功耗那样相对频率而上升。恒流源模式的驱动设计降低了系统功耗,并极大地降低了频率成分对功耗的影响。虽然当速率较低时,CMOS的功耗比LVDS小,但是随着频率的提高,CMOS的功耗将逐渐增加,最终需要消耗比LVDS更多的功率。通常,当频率等于200MSps时,LVDS和CMOS的功耗大致相同。

③供电电压低。随着集成电路的发展和对更高数据速率的要求,低压供电成为急需。降低供电电压不仅减少了高密度集成电路的功率消耗,而且减少了芯片内部的散热压力,有助于提高集成度。LVDS的驱动器和接收器不依赖于特定的供电电压特性,这决定了它在这方面占据上峰。

④较强的抗噪声能力。差分信号固有的优点就是噪声以共模的方式在一对差分线上耦合出现,并在接收器中相减,从而可消除噪声,所以LVDS具有较强的抗共模噪声能力。

⑤有效地抑制电磁干扰。由于差分信号的极性相反,它们对外辐射的电磁场可以相互抵消,耦合得越紧密,泄放到外界的电磁能量就越少,即降低了EMI。

⑥时序定位精确。由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点。而不像普通单端信号依靠高低两个阀值电压判断,因而受工艺,温度的影响小,能降低时序上的误差,有利于高速数字信号的有效传输。

⑦适应地平面电压变化范围大。LVDS接收器可以承受至少士1V的驱动器与接收器之间的地的电压变化。由于IVDS驱动器典型的偏置电压为+1.2V,地的电压变化、驱动器的偏置电压以及轻度耦合到的噪声之和,在接收器的输入端,相对于驱动器的地是共模电压。当摆幅不超过400mV时,这个共模范围是+0.2V~+2.2V,进而,一般情况下,接收器的输入电压范围可在0V~+2.4V内变化。

随着数字显示设备的普及,通常是平板液晶显示器,以及等离子体和其他技术的普及,显示源和显示设备之间的传统模拟视频接口不足以提供从源和显示器都可获得的图像保真度。OpenLDI描述了显示源和显示设备之间的接口。消除了由于将数字显示数据转换为模拟形式以便从源传输到显示器而导致的任何图像保真度损失。本标准描述一种即插即用机制,其将数字并行像素数据、同步和控制信号转换为串行位流,通过多位电缆将从显示源传输到显示设备的位流,并在显示器处恢复并行像素数据、同步和控制信号。该标准还描述了一种电气接口,它能够使用最小数量的导体传输像素、同步和控制信息,同时也最大限度地减少辐射发射和对电磁干扰的敏感性。

4.像素格式

LVDS支持以下像素格式:18位单像素、24位单像素、18位双像素和24位双像素格式。所有的像素都代表RGB(红色、绿色、蓝色)的强度信息。LVDS很容易支持许多任意的显示分辨率。

4.1-18位单像素

18位单像素格式表示一个像素为三个6位值,R5-0、G5-0和B5-0,分别表示红色、绿色和蓝色的强度。

4.2-18位双像素

18位双像素格式表示两个像素,即三对6位值,RU5-0、RL5-0、GU5-0、GL5-0、BU5-0和BL5-0,每对代表两个像素的红色、绿色和蓝色的强度。

4.1-24位单像素

24位单像素格式表示一个像素为三个8位值,R7-0、G7-0和B7-0,分别表示红色、绿色和蓝色的强度。

4.2-24位双像素

24位双像素格式表示两个像素,即三对8位值,RU7-0、RL7-0、GU7-0、GL7-0、BU7-0和BL7-0,每对代表两个像素的红色、绿色和蓝色的强度。


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