1.HDwire取代LVDS技术详释

2012-07-23

电视技术的演进

　　约翰洛吉贝尔德(John Logie Baird) 在1925年首次展示行动影像的传输，这个突破性的进展被公认为是电视的首次真正展示。后续的几十年间，这个系统无疑地有许多更精细的改进，包括广播方式的进步，但电视的基础仍然相同：接收一个模拟讯号然后显示在玻璃屏幕上。彩色取代了黑白、背投影产品补足了冷阴极管(CRT)的不足、缆线和卫星变成传输的媒介，但是最终电视还是一台模拟的显示器。

　　所有的一切在1990年代中期全世界第一台高分辨率平面电视出现之后发生了变化。使用电浆技术的新电视，厚度只有CRT的一小部分。紧接着很快出现新的接口技术，例如数字影像接口(DVI)和高分辨率多媒体界面(HDMI)，这些都预告了模拟电视转变成数字电视的趋势。

　　然而，这只是个开端。HDMI让播放格式尺寸不断增加的高分辨率影像可以在我们的家用娱乐系统上显示。对频宽的要求开始增加，现有电视构造的限制开始越加明显。

　　平面电视构造

　　如果我们简单看看平面电视的主要零件，将会发现：

　　- 显示面板 (电浆、液晶显示器、有机发光二极管)

　　- 时序控制器(Tcon)板，用来驱动面板

　　- 影像处理器板，上面有系统单芯片(SoC)IC.负责把自讯号源接收进来的信息流转换成Tcon的正确格式。

　　- 电源供应模块

　　图1:一般平面电视拆解图

　　当平面电视的尺寸还很小的时候，SoC和Tcon可以固定在同一块印刷电路板(PCB)上。不过，当屏幕尺寸增加之后，继续用一块大型的PCB就变得太昂贵(也太重)，因而逐渐形成两块板子的解决方案。

　　当SoC和Tcon放在不同的PCB之后，就需要一种相互连接的技术来传输他们之间的讯号，在1990年代中期，电视制造商采用LVDS接口技术做为实际上的标准。

　　LVDS技术

　　LVDS(低电压差分信号)是由国家半导体在1990年代初所研发的，于1996年首次使用在电视机中。16年后，它仍然是此项应用的主导技术。这项技术的真实名称实际上是平面显示器连结(FPD-Link)，但是因为它是LVDS的第一个大型应用，因此很多工程师将FPF-Link和LVDS做为同义词使用。

　　LVDS被定义在ANSI/TIA/EIA-644-A标准中，这是由数据传输接口委员会TR30.2于1995

　　年发展的标准。它是低电压、低功率的差分技术，主要使用在点对点和多点连接的接线驱动应用。此标准建议最大数据率655 Mbps,但最近推出的高速LVDS的限制已增加到大约1.2Gbps.

　　LVDS是设计为每个时脉可驱动7 个资料位。每5条资料信道就需要一条单独的时钟信道，而这就表示要增加大约16%的缆线固定成本。

　　LVDS及其扩充性

　　LVDS已经在业界盛行多年，近来分辨率和播放格式的进展已经导致频宽增加不少。具有60Hz和120Hz更新频率的电视已经在商店内贩售，2012年的CES展甚至还陈列了4Kx2K的电视。因此，用来支持这些频宽的LVDS线路的数目已增加颇多，导致电视制造商增加更多生产上的成本和复杂性。

　　随着市场预估有较高更新频率的电视出货数目会稳定成长，LVDS的限制将变得更加明显。成本压力和工程限制将会迫使电视制造商寻求替代的解决方案。

　　图2:60/120/240Hz电视出货预估

HDwire-取代LVDS的终极方案

　　TranSwitch所研发的HDwire提供了一个可替代LVDS 的先进方案。HDwire使用进阶的信

　　号技术，可以用低价且简单的扁平电缆取代多条LVDS缆线。这项技术预计能以少量线材和更简易的系统设计简化面板的相互连接方式。

　　HDwire接口可包含多达12条、每一条可支持5.0Gpbs的顺向信息信道，和可支持1.25/2.50Gpbs的可选用的反向数据信道。这个接口可以支持每个色彩12位、分辨率4K x 2K、更新频率120Hz(53.5Gpbs)，以及每个色彩12位、分辨率8K x 4K、更新频率30Hz(53.5Gpbs)的显示面板。HDwire提供比其它技术更低的EMI,因此不只简化系统设计还能降低成本。HDwire被设计为可透过FR4 FPCB、FFC软排线和现有的标准缆线，在使用最低功耗、低位错误率(BER)的情况下即可让超高速影像运作。

　　图3:HDwire系统应用

　　当我们拿HDwireTM和LVDS解决方案相比，只需要一半频宽(1080p、240Hz、 12位色彩产出、26.7Gbps)的HDwireTM接口，其简单及具成本效益的优势就变得更明显了。

　　图4:针对1080p/240Hz电视(SoC板附画面频率变频器)的LVDS解决方案

　　HDwireTM有一项比LVDS更佳的优势，它的连结包括一条高速反向频道，可以自Tcon板将数据传送到SoC板。一般这个功能是透过使用I2C执行，但是这个通讯协议的频宽量有限，每秒只有数个兆位。HDwireTM采用的反向信道是以和顺向信息信道相同的技术为基础，数据传输速率可达到1.25/2.5Gbps.这个高速反向连结有许多用处，例如可以用来将电视前框上的照相机连接到应用处理器，可以让整体视讯会议的流程更顺畅。触控面板的资料也可以透过反向信道传送，让使用这种新兴功能变的更简单。

　　使用更便宜的缆线

　　HDwire技术的关键优势之一就是它可以透过低成本的缆线完成高速的信号传输。排除对高成本LVDS排线的需求，使得HDwire解决方案省下不少成本。TranSwitch的技术展示是使用软排线(FFC)作为高速媒介，HDwire的设计可以透过这种最长达1公尺的简单线材运作。FFC和线材端子的相加成本比具备相同效用的LVDS成本要低很多，不需要降低任何最新款屏幕必备的高分辨率画质就能轻易省下这些成本。

　　维持低功耗

　　随着消费者的环保意识日渐增加，电视的消耗功率现在也变成前所未见的热门话题。屏幕尺寸的增加，加上实际的显示技术，意味着现在购买新电视时，屏幕的消耗功率变成一个重要的考量因素。能源之星(Energy Star)在他们最近将于2012年5月发表的规格中(版本5.0)，将32吋电视的开机时最大功率限制为55W,而50吋电视则是108W(相较之下，版本3.0的数字高达120W和353W)。这表示在分配系统的功率限额时，电视中的每个电路都会受到严密的检查。

　　幸好，HDwire技术的功率消耗本来就很低。此设计使用预驱动器，以比不归零编码(NRZ)还低的频率运作，可减少讯号源的功率消耗。这会帮助减少二重像和缆线辐射。此外，采用的讯号传输方法是使用多重讯号层，多数讯号是在低于完全电压的层产生的。这也更加降低了系统的功率消耗。

　　反向信息信道

　　除了顺向数据频道之外，HDwire还整合了反向数据信道，可将数据从面板传送到SoC.此信道可以1.25/2.50Gbps的速度运作，是将整合在电视面框上的相机连接到应用处理器的理

　　想导管。这个反向信道比目前大多数电视使用的独立I2C连结更具优势，因为它的速度远远超过一个I2C连结可提供的少量的Mbps.此外，因为它是和现有的设计和缆线整合在一起

　　,因此反向信道可节省额外成本并降低复杂度。

　　EMI优势

　　除了HDwire单纯功能上的优点之外，这项技术在电磁干扰(EMI)的也大大的改善。EMI是双绞线发射出来的辐射电场。它是因为生产缆线时的小瑕疵所造成的，却会对电视设计者造成大问题。发射出的干扰会造成电视机内部的电路以及邻近的电器受到干涉。因此，降低EMI成为CE产品的关键要求也就不令人意外了。

　　一条双绞线共享讯号发射出的辐射电场强度可以下列公式表示：

　　E =从距离线材R的位置测出的电场强度[V/m]

　　f = 共享电流零件的正弦波频率[Hz]

　　Icomm = 共享电流[A]

　　Len = 散发辐射的双绞线长度[m]

　　R =从线材到电场量测位置的距离[m]

　　因为线材不是完美的(例如，差分对内延迟差)，差动发射讯号造成共享讯号(SCD11)。差动发射漏电至到共享讯号，可以透过散射参数SCD11, SCD22 , SCD21 和 SCD12量测出来。根据前述公式，共模讯号辐射成为共模讯号的EMI.共模讯号的EMI比差模讯号的EMI更强，在EMI量测中更加重要。

　　HDwireTM使用先进的信号传输技术，和其它技术使用的不归零编码(NRZ)相比，EMI可大幅降低。分析显示，和NRZ相比，EMI辐射可降低约5.5dB,降低对抑制EMI技术的需求，也可以帮助简化电视设计。EMI辐射和发射器频谱及频宽具有等比例的关系，HDwireTM的EMI表现改善可以归因为以下几项重要因素：

　　- 信号传输频宽比NRZ少

　　- 功率强度比NRZ低

　　- 升/降时间比NRZ慢

　　下图说明EMI的改善成果