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超越LVDS的V-by-OneⓇ HS 透過高信賴性8B10B編碼與訊號調節技術﹐實現了高速・遠距離的傳輸

作為筆記型電腦、液晶螢幕及液晶電視的影像/圖像介面「LVDS(Low Voltage Differential Signaling) SerDes」奠定了一個時代的到來。在這之後由「V-by-OneⓇ HS」接手作為它的後繼者。現在,已受到高解析度的大螢幕液晶電視一致採用。可以說正是這項技術在背後支持著全球液晶電視的普及吧。在此次第三回的連載中,我們會詳解V-by-OneⓇ HS的基本原理與其特徵。

液晶電視朝向高畫質、大螢幕規格前進

V-by-One HS的特徵在於高速傳輸資料的同時可長距離傳送 (1)


zoom最大數據傳送速度可達一對差動線4Gbit/s。傳送可能距離在10公尺以上。LVDS的數據傳送速度被限定在標準規格內的655Mbit/s。雖然各家廠商可設法提高數據傳送速度,但即便如此在物理層面上3Gbit/秒已是極限了。在LVDS SerDes中,clock與數據的偏移(skew)始終是個問題。因此,就算使用了價格昂貴的Inax cable,也只能達到最大5公尺左右的傳送距離而已。


換言之,作為LVDS SerDes的「次世代版」V-by-One HS不可或缺的原因是甚麼呢?那就是液晶電視的高畫質與大尺寸螢幕趨勢。影響液晶電視畫質的原因有3大點。像素(解析度)和幀數以及色彩深度。這3者都是越多越高則畫質越佳。但在另一方面,圖像處理板和液晶模組的控制板- timing controller IC (T-CON)間的影像/圖像數據量也會增加。而且液晶電視的畫面越大,圖像處理板與T-CONlayout上也分得更開,這之間的距離也會變得更長。


影像/圖像數據量增加,同時傳送這些數據的介面之間距離拉長的話,我們知道現有的LVDS SerDes遲早有一天會達到極限。那麼,LVDS SerDesV-by-One HS之間的切換點是在哪裡呢?這個切換點就在當像素達到2K1920×1080)、幀數在120Hz、畫面尺寸超過42英吋的液晶電視。

 

LVDS的信號線過多

像素2K(1920 x 1080)、幀數在60Hz10bitRGB的話,LVDS SerDes就十分夠用了。差動線需要12對,即24條的訊號線來傳送影像/圖像數據(2)
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但是,當幀數提高到120Hz時,差動線就會增加到2倍的量,即為2448條。且在幀數達到120Hz時將像素增加到4K3840×2160)的話,影像/圖像的數據量就會一口氣增加到4倍,也就是需要96192條訊號線。

要對應4K/120Hz需要192條訊號線也實在太多了。一般情況下,圖像處理板與T-CON的連接是使用50pin左右的Flexible flat cable (FFC)。需要48條的訊號線時,1FFCconnector就可以對應了。但如果是192條的話就需要4FFCconnector了。(3)


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zoom通常FFC會架設在液晶面板的背面部分(4)FFCconnector如果需要各4個的話,就會讓印刷電路板(PCB)上的打件空間擴大,且會造成零件成本上升的缺點。一般情況下,並不希望僅為了connector就去增加印刷電路板(PCB)的打件面積。

而且,畫面尺寸達到42英吋左右時,圖像處理板和T-CON之間的距離會到50cm~70cm。LVDS SerDes的話,會產生訊號振幅的衰減和訊號間偏離(Skew)的問題,甚至可能無法傳送出正確數據。此外,電磁干擾(EMI)的問題也會更加明顯。當然,使用低損耗的線控制訊號偏離實施屏蔽(shield)的話,這些問題是可以獲得解決的。但成本也會大幅上升。



此時就輪到V-by-One HS的登場了。將LVDS SerDes替換成V-by-One HS的話,每1對配線的數據傳送速度最高可達4Gbit/s4K/120Hz的話也僅需1632條就已足夠。也就是說,1FFC1connector即可傳送影像/圖像數據(5)

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FFC實裝簡化後,印刷電路板(PCB)和被動元件的成本就能得到控制。且電磁干擾也減少,即便使用低價的FFC也能在超過1公尺外的距離內無誤地通訊(6)。因此,即使液晶電視的畫面尺寸變大也不會發生數據傳送上的問題。當然connector也能使用通用的FFC即可。
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實現2種基本技術

以下就讓我們來解說一下實現具有高速傳送特性的V-by-One HS的技術。技術性要點有2點。


1點是採用數據訊號和clock訊息在1條訊號線上傳輸的clock embedded方式。LVDS SerDes中,數據訊號和clock訊號在分別的訊號線上傳送;也就是通常說的數據data clock分別傳送的方式(7)


zoom這種方式與並行匯流排一樣,接收端會在所接收到的clock訊號的時間點上同時接收數據訊號。但是這種方式也存在問題。當傳送速度提高或傳送距離變長的時候,數據訊號和clock訊號之間會產生很大的偏離。若數據訊號與clock訊號接收時機有偏離的話,則會無法接收到正確的數據。


clock embedded方式是在串列數據號中填入clock訊號,在接收端的CDR (即Clock・ Data ・Recovery)迴路上將抽出的clock訊息同步在數據號上進行接收。


若採用這種方式,即使傳送速度提高或傳送距離變長,也能夠杜絕數據訊號與clock訊號之間偏離的發生。因此是可以對應高速且遠距離的傳輸。


zoomV-by-One HS為實現clock embedded方式而採用8B10B轉換方式。這是一種將8bit的數據轉換成10bit的傳送方式(8)

追加的2bit數據是使用在控制代碼的傳送與為了提高訊號品質的訊號連續數(run length)限制、確保DC平衡等。


在此大多數人會抱有疑問: 8B10B的轉換是為了將8bit調整成10bit訊號傳送,增加了20%的間接成本。這樣難道不應該不適用於高速化嗎? 」確實增加2bit會變得冗長。但正因這2bit,減少了ISI (Inter Symbol Interference) 間的Jitter。也就是說,因實行了8B10B轉換,能控制最大5個的「0」與「1」的訊號連續數(run length),去除20%以下的低頻成分。此外還能控制「0」和「1」的訊號個數使其均等化。因此,在高速並遠距離傳送數據時,能更加簡單的確保如圖9所示的眼圖開口;即便是高如4Gbit/s的數據傳送速度也可以得到高品質的傳送特性。

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第二點是導入訊號調節技術(signal conditioning technology)。具體上來說是在Transmitter上使用Pre-emphasis技術,在Receiver端使用等化器(adaptive) equalizer(自體調整)技術。

Pre-emphasis技術是一種預先增幅輸出來對應數據傳輸中衰減高週波成分的技術。而等化器(adaptive) equalizer(自體調整)技術是可使傳送路程中衰減的高週波成分根據傳送路程的特性在Receiver端自動增幅的技術。這兩個技術都有助於提高傳送特性(10)。在提高數據傳送速度的同時,還能夠延長傳輸距離。

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V-by-One HS通過使用8B10B轉換方式與訊號調節(Signal Conditioning)技術實現了極高的傳送特性。這個結果使其成為高解析度高畫質的液晶電視所採用的影像/圖像介面的「de facto standard (業界標準)」。但需要極高的傳送特性的電子產品並不僅僅只有液晶電視或是液晶顯示器而已,在各式各樣的電子產品上都有此需求。而在這類電子產品上該如何活用V-by-One HS?就讓我們下回來詳細說明吧。

 

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