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LVDS - TMDS

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Mit dem rasanten Wachstum der Computerleistung, der Digitalisierung der Unterhaltungselektronik und der daraus entstandenen neuen Anwendungen wuchs der Bedarf an Datentransferleistung. Besonders die Datenströme für digitales Video, HDTV und farbige Grafiken fordern immer höhere Bandbreiten und bilden die treibende Kraft für Hochgeschwindigkeitsdatenverbindungen zwischen Baugruppen, Geräten und Systemen. Hohe Datenraten (>8GBit/s) heißt aber auch, dass für die Übertragung hohe Frequenzen benötigt werden. Hohe Frequenzen wiederum stellen an das Übertragungsmedium, in diesem Fall Kupferkabel, sehr hohe Anforderungen.
Neben der reinen Dämpfung des Leiters machen sich andere Effekte wie z.B. Übersprechen, Leitungskapazitäten und -induktivitäten, Störstrahlung von außen und bei sehr hohen Frequenzen sogar der Skin-Effekt bemerkbar.
Abhängig von den Einsatzbedingungen der Übertragungsstrecke kommen verschiedene Übertragungstechniken zum Einsatz. Eine sehr vielseitige Verwendung hat dabei das LVDS ( Low Voltage Differential Signaling = Niederspannung-Differentialsignalisierung) gefunden. LVDS wird in vielen kabelgebundenen Übertragungswegen in der CE und IT eingesetzt. Der LVDS-Standard selbst beschreibt ausschließlich das physische Interface, also die elektrischen Eigenschaften von Treibern und Empfängern. Protokolle, Verbinder usw. sind anwendungsspezifisch wie z.B.  das TMDS (Transition Minimized Differential Signaling = Differentialsignalisierung mit minimierten Übergängen) bei HDMI-Anwendungen.

Das Grundprinzip von LVDS und TMDS beruht auf der differentiellen Signalübertragung mit symmetrischen Spannungen.

2. LVDS - Low Voltage Differential Signaling

2.1 Prinzip

Das Prinzip der differentiellen Signalübertragung wird auch beim LVDS verwendet. Eine niederohmige Ansteuerung mit niedrigen Strömen und geringem Spannungshub ("Swing") bewirkt eine niedrige Leistungsaufnahme ("Gigabits at Milliwatts") bei hohem Signal/Rauschabstand, minimalem Übersprechen und einer minimalen EMI (Electromagnetic Interference = Störstrahlung). Eine typische LVDS-Treiber-Receiver-Schaltung, wie in Abbildung 1 dargestellt, kann ohne großen Aufwand bis über 3GBit/s übertragen. 
Als Treiber dient eine Brückenschaltung, die mit einem seriellen Datenstrom angesteuert wird. Je nach logischem Pegel schalten entweder Q1 und Q4 oder Q2 und Q3 durch. Eine  Konstantstromquelle von typisch Ic=3,5mA speist einen Strom in die Leiter des Übertragungsweges. Über den Terminierungswiderstand RD (typisch 100Ω) fällt die Differential-Spannung V+/V- ab. Entsprechend dem logischen Pegel des Eingangssignales ändert sich die Stromrichtung durch RD und damit auch die Polarität der Eingangsspannung des Empfänger/Komparator VD. Die Amplitude der Spannung bleibt mit 350mV immer konstant. Mit dem Wechsel der Polarität des Eingangssignals ändert sich der logische Pegel am  Ausgang des Komparators.
Die Verwendung von Twisted Pair-Leitungen bringt den Vorteil, dass sich die Kapazitäten und Induktivitäten der Leiter kompensieren. Dadurch steigt die mögliche Übertragungsbandbreite.

Abb. 1: Typische LVDS-Schaltung (Quelle: Texas Instruments))
Abb. 1: Typische LVDS-Schaltung [1]

Für noch höhere Datenraten (>10GBit/s) können andere Treiberschaltungen wie CML (Current-Mode Logic) mit etwas höherer Verlustleistung eingesetzt werden. Wie in Abbildung 2 gezeigt wird, befindet sich das Terminierungsnetzwerk sowohl im Treiber als auch im Empfänger. CML verwendet Pull Up-Widerstände (meist 50Ω) zur H-Pegel-Erzeugung. In den meisten CML-Anwendungen wird eine Wechselspannungskopplung eingesetzt. Dieses hat den großen Vorteil, dass es keine Probleme beim Verbinden von Geräten auf unterschiedlichen Masse-Potentialen gibt. Die Koppelkondensatoren und die Terminierungswiderstände sind meist im LVDS-Empfänger integriert.
Der Einsatz von wechselspannungsgekoppelten Übertragungswegen birgt einen Nachteil: Bei langen "0"- oder "1"-Bitfolgen (Kolonnen) im Datenstrom kann es dazu kommen, dass sich die Koppelkondensatoren gleichspannungsmäßig auf- bzw. entladen. Die der Kolonne folgende Bits mit entgegengesetztem Pegel können dann eventuell aufgrund ihres niedrigen Pegels (der Kondensator muss ja dann umgeladen werden) vom Komparator nicht erkannt werden. Ist die Eingangsempfindlichkeit des Komparators zu hoch eingestellt, können in dieser Situation auch leicht Störimpulse oder Rauschen für Fehlinformationen sorgen.
Dieses Problem kann aber mit einer besonderen Leitungscodierung des Datenstromes, z.B. dem 8b/10b-Code, vermieden werden.  Die 8b/10b-Kodierung sorgt für einen Gleichspannungsausgleich (DC-Balancing). Ein gleichspannungsausgeglichener (DC-balanced) Datenstrom weist innerhalb eines Datenwortes in etwa die gleiche Anzahl von Nullen und Einsen auf. Ein zusätzlicher Vorteil der 8b/10b-Kodierung ist die einfache Regenerierung des Clock-Signales aus dem Datenstrom.

Abb. 2: CML (Current-Mode Logic) mit Wechselspannungskopplung
Abb. 2: CML (Current-Mode Logic) mit Wechselspannungskopplung [1]

2.2. Leitungscodierung

Die Aufgabe eines Leitungscodes ist es, das zu übertragene Signal spektral zu formen um es optimal an die Eigenschaften des Übertragungsmedium anzupassen. Dazu gehört, wie bereits oben erwähnt, ein Gleichspannungsausgleich, die Taktrückgewinnung und gegebenenfalls auch eine Anpassung an die zur Verfügung stehende Übertragungsbandbreite. Der LVDS-Standard spezifiziert kein spezielles Kodierungsverfahren. Jedes benutzerdefiniertes Kodierungsschema kann eingesetzt werden. Zu den am häufigsten eingesetzten Verfahren gehören die von IBM entwickelte 8b/10b-Kodierung und das von Silicon Image stammende TMDS, das in einem eigenen Kapitel beschrieben wird.
Bei der Standard-10b/8b-Kodierung werden 8-Bit Daten in 10-Bit Symbole umkodiert. Die Umkodierung erfolgt über hardwaremäßig festgelegte Tabellen (LUT= Look Up Table). Das Prinzip ist, dass die fünf niederwertigen Bits "EDCBA "in eine 6-Bit Gruppe "5b/6b" (abcdei) und die höherwertigen drei Bits "HGF" in eine 4-Bit Gruppe "3b/4b" (fghi) umgesetzt werden. Beide Gruppen werden dann aneinandergereiht.
Durch die Erweiterung eines 8-Bit Wortes um 2 Bit  lassen sich die 256 möglichen 8-Bit Werte durch 1024 10-Bit Kombinationen ersetzen. Die für die Kodierung verwendeten Kombinationen sind so gewählt, dass in einem mindestens 20 Bit langen Daten-String  die Differenz in der Anzahl von Nullen und Einsen kleiner als 2 ist. Dabei dürfen nicht mehr als fünf gleiche Bits aufeinander folgen. Einige Kombinationen sind als Steuersymbole reserviert. Die Symbole K.28.1, K.28.5 und K.28.7 werden als " Comma Character s" bezeichnet und dienen zur Synchronisation (Codeabgleich). Die einzigartige Bitfolge des Comma Characters kann im normalen Nutzdatenfluss niemals auftreten und dient dem Receiver als sichere Kennung für den Codeabgleich.
Um den Gleichspannungsausgleich zu optimieren, sind für diejenigen 5b/6b- und 3b/4b-Gruppen, die eine ungleiche Anzahl an Nullen oder Einsen haben, zwei unterschiedliche Bitmuster reserviert. Die Encoder-Maschine überwacht während der Übertragung den Unterschied der Anzahl der unterschiedlichen Bits (Running Disparity) und wählt bei unzulässig großen Unterschieden zum Ausgleichen den alternativen Code aus.

Tabelle 1: Beispiel 8b/10b-Kodierung
Tabelle 1: Beispiel 8b/10b-Kodierung [1]
Tabelle 2: 8b/10b-Steuersymbole
Tabelle 2: 8b/10b-Steuersymbole [1]

2.3 Serielle Datenübertragung mit LVDS

Abbildung 4 zeigt das Prinzip eines seriellen  LVDS- (oder CML-) Datenübertragungssystems mit 8b/10b- Serializer/ Deserializer.
Eine Signalquelle, hier ein 8-Bit A/D-Wandler oder ein Grafikprozessor, liefert einen 8-Bit breiten parallelen Datenstrom, der zum Display-Prozessor auf ein separates Board übertragen werden soll.
Ein Input Latch synchronisiert die Flanken der digitalen Nutzsignale mit den Flanken des Clock-Signales. Der folgende 8b/10b-Encoder bildet mit dem Multiplexer einen sogenannten Serializer. Im 8b/10b-Encoder werden die 8 Eingangsbits in ein 10 Bit breites Ausgangssignal "umgemapped". Damit der Receiver die Grenzen eines 10-Bit-Wortes detektieren kann, markiert der Encoder Anfang und Ende jedes 10-Bitwortes mit einem speziellen Steuersymbol ("Comma Character").
Die parallel anstehenden Daten werden in das Schieberegister des Multiplexers geschrieben, seriell wieder ausgelesen und dann vom LVDS-Treiber in das Übertragungsmedium gesendet. Auf der Empfängerseite wird der serielle digitale Datenstrom vom Demultiplexer in 10-Bit Parallel-Worte zurückgewandelt. Der 8b/10b-Decoder sucht im Datenstrom die Comma Characters und gleicht so den Code ab. Ist der Codeabgleich einmal gemacht worden, mapped der Decoder die empfangenen 10-Bit-Worte zurück in 8 Bit. Dabei werden die 10-Bit-Worte auf Gültigkeit überwacht. Fehlerhafte Worte werden markiert.
In dem hier dargestellten Schaltungsprinzip verwendet der aus Demultiplexer und 8b/10b-Decoder bestehende Deserializer einen externen Clock um das Clocksignal zurückzugewinnen. Hierzu wird die Frequenz und das Jittern der Clock-Referenz über das im Datenstrom eingebettete Clocksignal vom Sender nachgesteuert.

Abb. 3: LVDS/CML-System mit 8b/10b-Serializer/Deserializer und eingebettetem Clocksignal
Abb. 3: LVDS/CML-System mit 8b/10b-Serializer/Deserializer und eingebettetem Clocksignal [1]

2.4 Praktische Anwendungen von LVDS

Praktische Anwendung findet das LVDS-Prinzip in zahlreichen Schnittstellen zur Daten- und Videosignalübertragung. Die erste weitverbreitete Applikation für LVDS war das Übertragen von Videodaten vom Grafikprozessor zum LCD-Panel in Laptop-Computern und später auch in großformatigen Flachbild-TV.
Im Computerbereich werden LVDS-Techniken in zahlreichen Bussystemen eingesetzt: USB, IEEE1394 ( FireWire), HyperTransport, Serial ATA, Infiniband, Gigabit-Ethernet, ...

3. TMDS - Transition Minimized Differential Signaling

TMDS ist eine Weiterentwicklung des LVDS durch den Halbleiterhersteller Silicon Image. Mit dem Erscheinen der ersten rein digital arbeitenden hochauflösenden Flachbildschirmen entstand der Bedarf digitale Videosignale von Videoquellen wie DVD-Player, Videorecorder oder Satellitenempfänger über längere Kabel zu führen. Dabei wiesen reine LVDS-Systeme einige gravierende Nachteile, wie begrenzte Reichweite, zu geringe Bandbreite und zu geringe Störfestigkeit, auf. TMDS ist speziell auf die Übertragung von unkomprimierten digitalen Videosignalen bis zu einer Auflösung von 2560x1600 Pixeln (WQXGA) auf einem Link ausgelegt.

3.1 TMDS vs. LVDS

Ein TMDS-Übertragungsweg besteht aus einem Clock-Kanal und drei Daten-Kanälen (für die drei Farbkanäle RGB). Zur physischen Übertragung der Daten setzt TMDS wie LVDS Twisted Pair-Kabel ein.  Als Treiber dienen gleichspannungsgekoppelte Current Mode Logic (CML, s. o.)-Schaltungen. Die Spannung an den Terminierungswiderständen des Sendertreibers ist auf 3,3V festgelegt. Die Terminierungswiderstände haben jeweils 50Ω.
Zur Verringerung der abgegebenen Störstrahlung (EMI) und der damit verbundenen Verminderung des Übersprechens zwischen den Leitungspaaren wird eine von Silicon Image entwickelte 8b/10b-Leitungskodierung verwendet. Da die Hauptquelle von EMI die schnellen Pegeländerungen (Transitions) bei Bitänderungen sind, wurden die Codetabellen und die Encoder-Algorithmen daraufhin optimiert, die Symbole mit so wenig wie möglich Transitions zu übertragen. Nachteil dieser Kodierung ist, dass die Clock-Regenerierung aus dem Datenfluss sehr schwierig und unzuverlässig wird. Daher wird auch bei TMDS das Clock-Signal auf einem eigenen Leitungspaar separat übertragen.

Abb. 4: Prinzipbild Übertragung von einem RGB-Videosignal mit TMDS
Abb. 4: Prinzipbild Übertragung von einem RGB-Videosignal mit TMDS [1]

Abbildung 4 zeigt das Prinzip einer Übertragung von einem RGB-Videosignal mit TMDS. Die Videoquelle ist ein DVD-Player o.ä., das Display ist ein LCD- oder Plasma TV. Der im Video-Gerät befindliche Imageprozessor bereitet das Quellsignal soweit auf, dass es übertragen werden kann. Als Eingangssignal für den TMDS-Transmitter liefert der Imageprozessor je einen 8-Bit Datenstrom pro Farbkanal, insgesamt also 24 Bit für jedes Pixel . Damit lassen sich über 16 Millionen Farben darstellen.
Der TMDS-Transmitter erhält die 24-Bit parallelen Daten und bereitet sie, wie bereits weiter oben beschrieben, für die serielle Übertragung vor. Jede der RGB-Farbkomponenten und das Clock-Signal werden in separaten Kanälen als Differentialsignal übertragen. Der TMDS-Receiver empfängt die drei seriellen Datenströme und das Clock-Signal und wandelt sie in drei parallele 8-Bit Datenströme um. Diese gehen in den Display-Controller, der sie für den Anzeigeprozess weiterverarbeitet.

Die drei Signalübertragungskanäle und der Kanal für das Clock-Signal werden gemeinsam als ein TMDS-Link bezeichnet. Die Bandbreite eines einzelnen Links (Single Link) kann bis zu 340 MHz betragen. Damit sind Displayauflösungen bis zu 2560×1600p bei 75Hz und Datenraten bis zu 8,16 GBit/s bei Kabellängen bis zu 15m möglich. Werden noch höhere Datenraten benötigt, kann mit sechs Signalleitungspaaren (Dual Link) der Datendurchsatz verdoppelt werden.

TMDS bildet den physischen Unterbau zu den Datenübertragungsstandards HDMI und DVI.

 

REFERENZEN

[1] Quelle: Texas Instruments: TI LVDS Owner's Manual http://www.ti.com/lit/ml/snla187/snla187.pdf
Zeichnungen und Tabellen neu erstellt und übersetzt durch InfoTip

 

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