HDwire取代LVDS技術(shù)詳釋

簡(jiǎn)介

電視機(jī)的發(fā)展在過去15年來進(jìn)步神速。諸如液晶顯示器(LCD)和電漿顯示器(plasma)等平面面板技術(shù)的出現(xiàn)，讓冷陰極管和背投影產(chǎn)品逐漸消失。屏幕尺寸快速增加而厚度卻越來越薄，讓電視機(jī)變成可以掛在墻上欣賞的藝術(shù)品。然而，不只是我們從外觀上可以觀察到的屏幕構(gòu)造產(chǎn)生變化，內(nèi)部的影像接口也不斷在改變。模擬已經(jīng)被數(shù)字所取代，為使用者帶來一種難以匹敵的觀賞經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)然，就跟每種新興技術(shù)一樣，消費(fèi)者的需求遲早會(huì)超過系統(tǒng)能達(dá)到的性能。當(dāng)影像格式和屏幕尺寸變大時(shí)，用來支持它們的頻寬也必須隨之增加。這就在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)上增加了新的需求，一種越來越難滿足的需求。

TranSwitch推出HDwire進(jìn)入這個(gè)具挑戰(zhàn)性的市場(chǎng)。以榮獲許多一級(jí)多媒體產(chǎn)品采用的先進(jìn)智能財(cái)產(chǎn)權(quán)(IP)高速接口核心和集成電路(IC)聞名的TranSwitch,以突破電視機(jī)中的頻寬瓶頸為目標(biāo)而研發(fā)了HDwire.

但是在我們探究這項(xiàng)最新的技術(shù)發(fā)展之前，讓我們先快速瀏覽一下我們到達(dá)目前發(fā)展程度的方式及原因。

電視技術(shù)的演進(jìn)

約翰洛吉貝爾德(John Logie Baird) 在1925年首次展示行動(dòng)影像的傳輸，這個(gè)突破性的進(jìn)展被公認(rèn)為是電視的首次真正展示。后續(xù)的幾十年間，這個(gè)系統(tǒng)無疑地有許多更精細(xì)的改進(jìn)，包括廣播方式的進(jìn)步，但電視的基礎(chǔ)仍然相同：接收一個(gè)模擬訊號(hào)然后顯示在玻璃屏幕上。彩色取代了黑白、背投影產(chǎn)品補(bǔ)足了冷陰極管(CRT)的不足、纜線和衛(wèi)星變成傳輸?shù)拿浇?，但是最終電視還是一臺(tái)模擬的顯示器。

所有的一切在1990年代中期全世界第一臺(tái)高分辨率平面電視出現(xiàn)之后發(fā)生了變化。使用電漿技術(shù)的新電視，厚度只有CRT的一小部分。緊接著很快出現(xiàn)新的接口技術(shù)，例如數(shù)字影像接口(DVI)和高分辨率多媒體界面(HDMI)，這些都預(yù)告了模擬電視轉(zhuǎn)變成數(shù)字電視的趨勢(shì)。

然而，這只是個(gè)開端。HDMI讓播放格式尺寸不斷增加的高分辨率影像可以在我們的家用娛樂系統(tǒng)上顯示。對(duì)頻寬的要求開始增加，現(xiàn)有電視構(gòu)造的限制開始越加明顯。

平面電視構(gòu)造

如果我們簡(jiǎn)單看看平面電視的主要零件，將會(huì)發(fā)現(xiàn)：

- 顯示面板 (電漿、液晶顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管)

- 時(shí)序控制器(Tcon)板，用來驅(qū)動(dòng)面板

- 影像處理器板，上面有系統(tǒng)單芯片(SoC)IC.負(fù)責(zé)把自訊號(hào)源接收進(jìn)來的信息流轉(zhuǎn)換成Tcon的正確格式。

- 電源供應(yīng)模塊

圖1:一般平面電視拆解圖

當(dāng)平面電視的尺寸還很小的時(shí)候，SoC和Tcon可以固定在同一塊印刷電路板(PCB)上。不過，當(dāng)屏幕尺寸增加之后，繼續(xù)用一塊大型的PCB就變得太昂貴(也太重)，因而逐漸形成兩塊板子的解決方案。

當(dāng)SoC和Tcon放在不同的PCB之后，就需要一種相互連接的技術(shù)來傳輸他們之間的訊號(hào)，在1990年代中期，電視制造商采用LVDS接口技術(shù)做為實(shí)際上的標(biāo)準(zhǔn)。

LVDS技術(shù)

LVDS(低電壓差分信號(hào))是由國(guó)家半導(dǎo)體在1990年代初所研發(fā)的，于1996年首次使用在電視機(jī)中。16年后，它仍然是此項(xiàng)應(yīng)用的主導(dǎo)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的真實(shí)名稱實(shí)際上是平面顯示器連結(jié)(FPD-Link)，但是因?yàn)樗荓VDS的第一個(gè)大型應(yīng)用，因此很多工程師將FPF-Link和LVDS做為同義詞使用。

LVDS被定義在ANSI/TIA/EIA-644-A標(biāo)準(zhǔn)中，這是由數(shù)據(jù)傳輸接口委員會(huì)TR30.2于1995

年發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。它是低電壓、低功率的差分技術(shù)，主要使用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)連接的接線驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。此標(biāo)準(zhǔn)建議最大數(shù)據(jù)率655 Mbps,但最近推出的高速LVDS的限制已增加到大約1.2Gbps.

LVDS是設(shè)計(jì)為每個(gè)時(shí)脈可驅(qū)動(dòng)7 個(gè)資料位。每5條資料信道就需要一條單獨(dú)的時(shí)鐘信道，而這就表示要增加大約16%的纜線固定成本。

LVDS及其擴(kuò)充性

LVDS已經(jīng)在業(yè)界盛行多年，近來分辨率和播放格式的進(jìn)展已經(jīng)導(dǎo)致頻寬增加不少。具有60Hz和120Hz更新頻率的電視已經(jīng)在商店內(nèi)販?zhǔn)郏?012年的CES展甚至還陳列了4Kx2K的電視。因此，用來支持這些頻寬的LVDS線路的數(shù)目已增加頗多，導(dǎo)致電視制造商增加更多生產(chǎn)上的成本和復(fù)雜性。

隨著市場(chǎng)預(yù)估有較高更新頻率的電視出貨數(shù)目會(huì)穩(wěn)定成長(zhǎng)，LVDS的限制將變得更加明顯。成本壓力和工程限制將會(huì)迫使電視制造商尋求替代的解決方案。

圖2:60/120/240Hz電視出貨預(yù)估

HDwire-取代LVDS的終極方案

TranSwitch所研發(fā)的HDwire提供了一個(gè)可替代LVDS 的先進(jìn)方案。HDwire使用進(jìn)階的信

號(hào)技術(shù)，可以用低價(jià)且簡(jiǎn)單的扁平電纜取代多條LVDS纜線。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)能以少量線材和更簡(jiǎn)易的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化面板的相互連接方式。

HDwire接口可包含多達(dá)12條、每一條可支持5.0Gpbs的順向信息信道，和可支持1.25/2.50Gpbs的可選用的反向數(shù)據(jù)信道。這個(gè)接口可以支持每個(gè)色彩12位、分辨率4K x 2K、更新頻率120Hz(53.5Gpbs)，以及每個(gè)色彩12位、分辨率8K x 4K、更新頻率30Hz(53.5Gpbs)的顯示面板。HDwire提供比其它技術(shù)更低的EMI,因此不只簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)還能降低成本。HDwire被設(shè)計(jì)為可透過FR4 FPCB、FFC軟排線和現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)纜線，在使用最低功耗、低位錯(cuò)誤率(BER)的情況下即可讓超高速影像運(yùn)作。

圖3:HDwire系統(tǒng)應(yīng)用

當(dāng)我們拿HDwireTM和LVDS解決方案相比，只需要一半頻寬(1080p、240Hz、 12位色彩產(chǎn)出、26.7Gbps)的HDwireTM接口，其簡(jiǎn)單及具成本效益的優(yōu)勢(shì)就變得更明顯了。

圖4:針對(duì)1080p/240Hz電視(SoC板附畫面頻率變頻器)的LVDS解決方案

HDwireTM有一項(xiàng)比LVDS更佳的優(yōu)勢(shì)，它的連結(jié)包括一條高速反向頻道，可以自Tcon板將數(shù)據(jù)傳送到SoC板。一般這個(gè)功能是透過使用I2C執(zhí)行，但是這個(gè)通訊協(xié)議的頻寬量有限，每秒只有數(shù)個(gè)兆位。HDwireTM采用的反向信道是以和順向信息信道相同的技術(shù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1.25/2.5Gbps.這個(gè)高速反向連結(jié)有許多用處，例如可以用來將電視前框上的照相機(jī)連接到應(yīng)用處理器，可以讓整體視訊會(huì)議的流程更順暢。觸控面板的資料也可以透過反向信道傳送，讓使用這種新興功能變的更簡(jiǎn)單。

使用更便宜的纜線

HDwire技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一就是它可以透過低成本的纜線完成高速的信號(hào)傳輸。排除對(duì)高成本LVDS排線的需求，使得HDwire解決方案省下不少成本。TranSwitch的技術(shù)展示是使用軟排線(FFC)作為高速媒介，HDwire的設(shè)計(jì)可以透過這種最長(zhǎng)達(dá)1公尺的簡(jiǎn)單線材運(yùn)作。FFC和線材端子的相加成本比具備相同效用的LVDS成本要低很多，不需要降低任何最新款屏幕必備的高分辨率畫質(zhì)就能輕易省下這些成本。

維持低功耗

隨著消費(fèi)者的環(huán)保意識(shí)日漸增加，電視的消耗功率現(xiàn)在也變成前所未見的熱門話題。屏幕尺寸的增加，加上實(shí)際的顯示技術(shù)，意味著現(xiàn)在購買新電視時(shí)，屏幕的消耗功率變成一個(gè)重要的考量因素。能源之星(Energy Star)在他們最近將于2012年5月發(fā)表的規(guī)格中(版本5.0)，將32吋電視的開機(jī)時(shí)最大功率限制為55W,而50吋電視則是108W(相較之下，版本3.0的數(shù)字高達(dá)120W和353W)。這表示在分配系統(tǒng)的功率限額時(shí)，電視中的每個(gè)電路都會(huì)受到嚴(yán)密的檢查。

幸好，HDwire技術(shù)的功率消耗本來就很低。此設(shè)計(jì)使用預(yù)驅(qū)動(dòng)器，以比不歸零編碼(NRZ)還低的頻率運(yùn)作，可減少訊號(hào)源的功率消耗。這會(huì)幫助減少二重像和纜線輻射。此外，采用的訊號(hào)傳輸方法是使用多重訊號(hào)層，多數(shù)訊號(hào)是在低于完全電壓的層產(chǎn)生的。這也更加降低了系統(tǒng)的功率消耗。

反向信息信道

除了順向數(shù)據(jù)頻道之外，HDwire還整合了反向數(shù)據(jù)信道，可將數(shù)據(jù)從面板傳送到SoC.此信道可以1.25/2.50Gbps的速度運(yùn)作，是將整合在電視面框上的相機(jī)連接到應(yīng)用處理器的理

想導(dǎo)管。這個(gè)反向信道比目前大多數(shù)電視使用的獨(dú)立I2C連結(jié)更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗乃俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)I2C連結(jié)可提供的少量的Mbps.此外，因?yàn)樗呛同F(xiàn)有的設(shè)計(jì)和纜線整合在一起

,因此反向信道可節(jié)省額外成本并降低復(fù)雜度。

EMI優(yōu)勢(shì)

除了HDwire單純功能上的優(yōu)點(diǎn)之外，這項(xiàng)技術(shù)在電磁干擾(EMI)的也大大的改善。EMI是雙絞線發(fā)射出來的輻射電場(chǎng)。它是因?yàn)樯a(chǎn)纜線時(shí)的小瑕疵所造成的，卻會(huì)對(duì)電視設(shè)計(jì)者造成大問題。發(fā)射出的干擾會(huì)造成電視機(jī)內(nèi)部的電路以及鄰近的電器受到干涉。因此，降低EMI成為CE產(chǎn)品的關(guān)鍵要求也就不令人意外了。

一條雙絞線共享訊號(hào)發(fā)射出的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度可以下列公式表示：

E =從距離線材R的位置測(cè)出的電場(chǎng)強(qiáng)度[V/m]

f = 共享電流零件的正弦波頻率[Hz]

Icomm = 共享電流[A]

Len = 散發(fā)輻射的雙絞線長(zhǎng)度[m]

R =從線材到電場(chǎng)量測(cè)位置的距離[m]

因?yàn)榫€材不是完美的(例如，差分對(duì)內(nèi)延遲差)，差動(dòng)發(fā)射訊號(hào)造成共享訊號(hào)(SCD11)。差動(dòng)發(fā)射漏電至到共享訊號(hào)，可以透過散射參數(shù)SCD11, SCD22 , SCD21 和 SCD12量測(cè)出來。根據(jù)前述公式，共模訊號(hào)輻射成為共模訊號(hào)的EMI.共模訊號(hào)的EMI比差模訊號(hào)的EMI更強(qiáng)，在EMI量測(cè)中更加重要。

HDwireTM使用先進(jìn)的信號(hào)傳輸技術(shù)，和其它技術(shù)使用的不歸零編碼(NRZ)相比，EMI可大幅降低。分析顯示，和NRZ相比，EMI輻射可降低約5.5dB,降低對(duì)抑制EMI技術(shù)的需求，也可以幫助簡(jiǎn)化電視設(shè)計(jì)。EMI輻射和發(fā)射器頻譜及頻寬具有等比例的關(guān)系，HDwireTM的EMI表現(xiàn)改善可以歸因?yàn)橐韵聨醉?xiàng)重要因素：

- 信號(hào)傳輸頻寬比NRZ少

- 功率強(qiáng)度比NRZ低

- 升/降時(shí)間比NRZ慢

下圖說明EMI的改善成果

圖5:HDwire EMI表現(xiàn)與NRZ EMI表現(xiàn)之比較

為了判定EMI成果，首先必須要使用網(wǎng)絡(luò)分析儀量測(cè)一般雙絞線的S參數(shù)。這個(gè)S參數(shù)會(huì)使用在Matlab的仿真中，以決定產(chǎn)生共模EMI的差模-共模訊號(hào)的效用。從上圖中可看出結(jié)果顯示HDwire信號(hào)傳輸在關(guān)鍵的2.5GHz-3.5GHz頻率產(chǎn)生非常少的EMI.

HDwire成本優(yōu)勢(shì)

HDwire優(yōu)于LVDS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在前述文章中詳加討論過了。不過，許多電視制造商感興趣的是轉(zhuǎn)換到這項(xiàng)新技術(shù)可省下的成本。下圖顯示出一臺(tái)4Kx2K電視的HDwire和LVDS的一般生產(chǎn)成本的比較。

圖6:使用HDwire的4K電視系統(tǒng)的節(jié)省成本

確切減少的成本無疑地是取決于許多變量(例如數(shù)量)，但是上述圖標(biāo)可用來說明哪些部份可省下成本。使用HDwire橋接IC結(jié)合現(xiàn)有的SoC和Tcon芯片可以減少多達(dá)一半的零件成本。 不過，當(dāng)個(gè)別整合HDwire發(fā)射器和接收器IP(智能財(cái)產(chǎn)權(quán))核心在SoC和Tcon時(shí)，可能省下的成本會(huì)大大地增加。

HDwire特色功能列表

下圖是HDwire橋接IC技術(shù)的部份關(guān)鍵特色(圖標(biāo)為接收器)：

- 整合6條順向信息信道(可擴(kuò)充至12條)，每條信道傳輸率5Gbps,以及1條反向信息信道

- 支持最大達(dá)100cm的FPCB,BER低于10-12

- 符合顯示面板的大范圍像素時(shí)脈

- 支持60Hz、120Hz和240Hz的面板更新頻率

- 異步HDwire輸入和4信道LVDS輸出- 虛擬隨機(jī)模式產(chǎn)生電路(PRBS)

- 支持低擺幅LVDS以降低EMI和功耗- 整合8051 MCU和RAM及ROM- 功率下降模式

圖7: HDwire電路圖及特色表

HDwire系統(tǒng)

下圖8說明一般的HDwire系統(tǒng)，顯示如何將HDwire橋接IC整合到現(xiàn)有的板子設(shè)計(jì)中以支持此新接口。

圖8: 一般使用橋接IC的HDwire系統(tǒng)

TranSwitch的HDwire產(chǎn)品也可以透過智能財(cái)產(chǎn)權(quán)(IP)核心的方式提供。讓SoC和Tcon廠商可以將此新技術(shù)整合到他們的IC中，代表這些裝置可以供應(yīng)給內(nèi)含HDwire的電視/面板制造商。如此的整合方式帶來的成本優(yōu)勢(shì)及附加價(jià)值對(duì)生產(chǎn)商將會(huì)非常有益。

競(jìng)爭(zhēng)力分析

既然已知LVDS的限制，那么出現(xiàn)其它與LVDS競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)也就不足為奇了。以下是作者寫作本文時(shí)為作者所知的可替代LVDS的技術(shù)：