LVDS

출처: https://m.blog.naver.com/prnbada7/221194849101

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rnbada7

2018. 1. 27. 17:10

 

### "초연결사회의 탄생 (모든 것은 어떻게 연결되었나)(위키미디어)"가 출간되었습니다.

 

1. 기술의 탄생

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지금까지 살펴본 부품간의 커넥티비티인 UART, I2C, SPI는 데이터를 전송하기 위해서 기본적으로 하나의 라인을 필요로 한다. SPI는 2개의 라인이 있지만, 마스터의 입장에서 봤을 때 하나는 송신(쓰기)을 위한 것이고, 다른 하나는 수신(읽기)을 위한 것이다. 동작 원리도 해당 데이터 라인을 통해서 들어오는 신호의 전압의 높낮이를 보고 로직 레벨 1(High)또는 0(Low)를 판단한다. 이 방식은 UART 를 다루는 장에서 이미 살펴 보았으며, I2C나 SPI도 동작 원리는 동일하다. 이러한 방식을 단일 종단 신호(Single-ended signal) 방식이라고 한다. 기본적으로 그라운드 전압과 비교하여 그 차이를 신호로 인식한다.

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[그림 1] 단일 종단 신호 방식

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이 방식은 구현이 간단하고, 비용도 적게 들지만 고속의 신호 전송이 필요하거나 비교적 먼거리의 신호 전송이 필요할 때에는 적합하지 않다. 가장 큰 이유는 노이즈에 취약하다는 것이다. 고속 신호 전송 중 노이즈 성분이 포함되면 원래의 데이터 복원이 불가능해질 수 있다. 또한, 먼거리 전송에서도 노이즈에 노출된 가능성이 높아져 역시 온전한 데이터의 전송이 어려워진다.

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이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 도입된 기술이 차분 신호(Differential signal) 방식이다. 차분 신호 방식은 두 개의 라인을 사용한다. 따라서 단일 종단 신호 방식보다는 비용이 더 들게 되지만, 신호의 고속 전송이나 먼거리 전송에는 강점을 갖는다. 동작 원리는 다음과 같다. 그라운드와의 차이에서 신호의 값을 읽었던 단일 종단 방식과는 달리, 차분 신호 방식은 두개의 라인으로 부터 들어 오는 신호의 차이 값으로 부터 신호의 값을 읽는다. 이를 통해서 외부의 노이즈 성분이 섞여 들어 오더라도 원래의 데이터를 복원하는 것이 수월해져서, 고속의 신호 전송이나 먼거리 전송이 가능해 진 것이다.

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[그림 2] 차분 신호 방식

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일반적으로 차분 신호를 사용하게 되면, 두 신호의 차이를 이용하게 되므로 그라운드 전압과의 비교는 무의미해진다. 따라서 낮은 전압을 사용해도 되는데, 이렇게 해서 낮은 전압(LV, Low Voltage) + 차분 신호(DS, Differential Signal) = LVDS가 만들어 지게 되었다.

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LVDS는 1994년에 소개가 되었는데, LVDS자체는 원천 기술과 같은 것이어서, 이를 사용하는 어플리케이션이 필요했다. 그리하여, 최초의 LVDS적용은 애플 컴퓨터(나중에 애플은 사명에서 컴퓨터를 뗀다)에서 이루어졌다. 아직까지는 고속의 그래픽 데이터 전송에 대한 요구사항이 없던 시절이었지만, 애플 컴퓨터의 선행 기술팀은 멀티미디어 데이터를 컴퓨터 내부의 버스 시스템을 우회하여 빠른 속도로 디스플레이 장치로 전송할 수 있는 새로운 인터페이스 기술을 준비하고 있었으며, 이를 QuickRing이라고 이름 짓고, LVDS를 사용하도록 하였다. 그리고, 이 연결 방식은 애플의 매킨토시 컴퓨터에 사용이 되었다. 이후 애플은 다운사이징을 시도하면서, 더이상 QuickRing에 대한 연구 지원을 하지 않게 되자, 관련 개발자들이 내셔널 반도체사(National Semiconductor)로 자리를 옮겨서 LVDS 적용을 위한 연구를 진행하게 된다.

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내셔널 반도체는 노트북 컴퓨터 모니터를 위한 FPD-LINK(Flat Panel Display)를 LVDS에 기반해서 만들게 되고, 상업적으로 성공하게 된다. 바로 FPD-LINK가 LVDS의 킬러 어플리케이션이 된 것이다. 1990년대 말에는 노트북 컴퓨터 제조업체들이 모여서 내셔널 반도체사의 FPD-LINK와 텍사스 인스트루먼트사가 FPD-LINK의 규격을 보고 만든 Flat Link를 업계의 표준으로 삼게 된다.

 

한편, 노트북 컴퓨터에서 성공적인 적용을 확인한 업계는 이를 평판 TV에도 성공적으로 적용을 하게 되었고 현재는 TV 제조 업계에서 de facto standard이다. LVDS 적용 범위의 확대는 계속되었고, 다음 영역은 제품 내부 부품간의 연결 뿐만 아니라, 외부 기기들을 연결하는 수단으로도 제안되었다. 데스크탑 컴퓨터와 모니터, 혹은 DVD 플레이어와 TV의 연결을 위해 만들어진 표준이 LDI(LVDS Display Interface)와 OpenLDI였다. 하지만, 이들은 성공하지 못했다. 그곳은 장차 HDMI를 위한 영역이었다.

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그외에도 LVDS는 카메라 인터페이스를 위한 표준으로 성공적으로 자리 매김하였다. 내셔널 반도체사의 Channel-Link 솔루션은 화상처리 기술의 표준을 작성하는 AIA(Automated Imaging Association)에서 만든 Camera Link 표준에 사용이 된다. Camera Link는 컴퓨터의 비젼 관련 어플리케이션을 통신 표준이다. 모바일 인터페이스의 규격을 정의하는 MIPI에서는 어플리케이션 프로세서(AP)와 카메라 간의 인터페이스를 CSI(Camera Serial Interface)로 정의하고 LVDS를 사용한다.

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LVDS는 TIA/EIA-644이라는 표준으로 규정되어 있고, IEEE에서 만든 규격으로는 SCI-LVDS가 있다.

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2. 기술의 내용

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1) 네트워크의 구성

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LVDS는 기본적으로는 2개의 부품을 연결하는 일대일 연결이다. 그런데, 하나의 송신 부품에서 데이터를 전송하고 다수의 수신 기기에서 데이터를 받을 수 있는 규격이 필요해져서 내셔널 반도체에서는 버스 시스템을 규격에 포함시킨 BLVDS(Bus LVDS)를 만들었고, 업계의 사실상 표준이 되었다. 이후 미 전기 통신 공업 협회(Telecommunications Industry Association)에서도 유사한 표준을 만들었는데, MLVDS(Multipoint LVDS)이다(TIA-899).

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아래 그림에는 하나의 송신기(driver)와 다수의 수신기(receiver)로 구성되는 Multi-drop 방식의 일대다 연결과 다수의 송신기와 다수의 수신기로 구성되는 Multiple point 방식의 다대다 연결이 나타나 있다.

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[그림 3] Multi-drop방식

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[그림 4] Multiple point방식

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2) 연결 라인의 구성

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LVDS는 두 개의 상반된 신호를 전송하기 위해 2개의 라인이 요구된다. 일반적으로 2개의 라인으로 구성되는 LVDS라인을 레인(lane)이라고 부른다(PCIe에서는 송신용 레인과 수신용 레인을 합쳐서 레인이라고 부른다).

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한편, 부품간의 연결이 아닌 제품간의 연결에서는 별도의 케이블을 사용하게 되는데, 이때 케이블은 2개의 라인이 꼬여 있는 연선(撚線, twisted pair)를 주로 사용하게 된다. 연선은 2개의 라인이 필요한 LVDS와는 천생연분의 관계라고 하겠다.

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3) 버전과 데이터 전송 속도

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LVDS는 물리적 특성에 대해서만 규정할 뿐, 데이터 전송 속도에 대해서 정의하지 않는다. 다만, TIA-644 규격에서는 권장 최고 전송 속도 655Mbps, 이론상 최고 전송 속도 1.923 Gbps를 정의하고 있다.

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3. 기술의 동작

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1) 신호의 전송

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차분 신호 방식(Differential Signaling)은 두 개의 전선을 이용하여, 동일한 신호를 반대되는 파형으로 전송함으로써, 수신 측에서 두 신호의 차이값, 즉 차분 신호를 통해서 원래의 신호를 복원하도록 하는 방식이다. 아래 그림에서 보이는 것과 같이 소스로부터 두 개의 신호가 파형을 반대로 한 채로 전송이 된다. 수신 측에서 두 신호의 차이값을 만들어 보면 원래의 신호가 나오게 된다. 반면, 전송 채널 상에서 발생하여 유입된 동일한 크기의 노이즈는 차분에 의해서 완전히 사라지게 된다.

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[그림 5] 차분 신호 방식(1)

(from Wikipedia)

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이를 실제적인 신호의 전송에 적용해 보면, 아래의 그림과 같다. 즉, 동일한 형태의 노이즈 성분은 수신측에서 차분에 의해서 사라지게 되고, 원래의 신호 성분만 남게 된다.

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[그림 6] 차분 신호 방식(2)

(from Wikipedia)

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한편, 차분 신호를 사용하기 때문에 기존에 사용하던 전압보다 작은 값을 사용하더라도 신호의 전달이 가능하다. 두 신호가 사용하는 전압의 최고값은 1.35V에 불과하지만 다른 어떠한 방식보다도 신뢰성 있는 신호의 전송이 가능하다. 이러한 점에서 LVDS의 Low Voltage 라는 이름을 갖게 되었다.

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또한, 두 신호의 차이 값은 최대 350 mV인데, 이것은 로직 레벨을 0에서 1로 바꾸거나, 또는 1에서 0으로 바꾸는데 걸리는 시간이 과거 TTL이나 CMOS방식 대비 짧아지게 되었고, 이는 궁극적으로 데이터 전송 속도를 올리는 원리가 되었다.

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[그림 7] 신호 레벨

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2개의 전선에 같은 크기이면서 반대 방향의 전류가 흐르면서 서로에게서 발생되는 전자기파를 상쇄시켜서 외부로 발산되는 전자기파의 양이 줄어드는 효과도 있다.

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4. 기술의 응용

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1) LVDS와 FPD-LINK

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오늘날 많은 부품 간 커넥티비티와 제품 간 커넥티비티에 LVDS 가 적용되고 있다. 고속의 데이터 전송이 필요한 곳에서는 거의 대부분 LVDS 가 사용된다고 해도 과언이 아니다. 우리는 LVDS의 적용 사례들을 이 책의 전편에 걸쳐 곳곳에서 확인할 수 있다. 차분 신호 방식은 RS-422, RS-485, 이더넷 케이블, PCI Express, DisplayPort, HDMI, USB, SATA를 비롯하여, FPD-LINK와 같은 디스플레이 인터페이스, 이더넷 부품인 PHY와 MAC을 연결하기 위한 인터페이스, CPU와 UFS를 연결하는 인터페이스 등 부품간의 고속 통신에도 널리 사용되고 있으며, 향후 더욱 많은 곳에 사용될 것으로 예상이 된다.

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최초의 LVDS 적용은 앞에서 간략히 살펴본 바와 같이 노트북 컴퓨터의 디스플레이를 지원하기 위한 것이었다. 최초의 FPD-LINK는 18 비트의 RGB 데이터, 즉 Red 6비트, Green 6비트, Blue 6비트와 함께 Horizontal/Vertical Sync신호 및 컨트롤 신호, 그리고 클럭 신호를 포함하여 총 22개의 데이터 신호를 4쌍의 레인으로 보내기 위해 고안이 되었다. 이전에는 22개의 신호를 보내기 위해 22개의 케이블이 필요했는데 4쌍의 케이블, 즉 8개의 케이블로 22개의 신호를 전송할 수 있게 되어 비용 측면에서 66%를 절감할 수 있게 되었다.

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오늘날에는 24비트의 RGB 데이터를 전송해야 하므로, 이를 위해서는 데이터 채널을 하나 더 추가하게 되고, 그러면 총 28개의 데이터를 보낼 수 있게 된다.

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[그림 8] FPD-LINK

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2006년에 발표된 FPD-LINK II는 차량용 인포테인먼트 시스템을 위해 보다 개선된 내용들이 포함되었다. 특히, 재료비를 획기적으로 줄이는 방안으로 이전 버전에서는 24비트의 RGB 데이터를 보내기 위해서는 4개의 데이터 라인과 1개의 클럭 라인이 필요했으나, 새로운 버전에서는 하나의 데이터 라인으로 모든 신호를 보내도록 하였다. 당연히 기존 기술 대비 데이터의 전송 속도가 낮아졌지만 일반적으로 차량에 사용되는 디스플레이의 해상도를 고려하면 그것은 문제가 되지 않았다.

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2) 하이퍼트랜스포트(HyperTransport)

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하이퍼트랜트포트(HyperTransport)는 LVDS를 기반으로 고속의 데이터 전송이 가능하며, 중앙 연산 처리 장치(CPU)와 다른 프로세서를 연결하기 위해서 사용이 된다. 중앙 연산 처리 장치로는 AMD 사의 제품이 사용이 되며, 이와 연결되는 프로세서들은 컴퓨터의 주변 기기들을 연결해 주는 브릿지 제품이 사용된다. 인텔의 경우에는 프런트 사이드 버스(Front-side Bus) 라는 규격을 사용하고 있었으나, 하이퍼트랜스포트가 나오자, 이에 대응하기 위해서 역시 차분 신호 방식을 채용한 퀵패스 인터커넥트(QuickPath Interconnect)기술을 내놓았다.

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2001년에 AMD사에 의해서 처음으로 소개된 하이퍼트랜트포트는 통신 방식으로 DDR(Double Data Rate)를 사용하며, 패킷 단위로 데이터를 전송한다. 하나의 패킷은 32비트로 이루어진다.

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2008년에 소개된 버전 3.1에서는 모두 32개의 LVDS 레인이 사용되며, 총 25.6GB/s의 데이터 전송 속도이 가능하다.

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3) 카메라 링크(Camera Link)

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노트북 컴퓨터에서 FPD-LINK로 성공을 거둔 내셔널 반도체는 데이터의 전송 방향만 바꾼 카메라 링크를 만들어서 다시 한번 성공을 거두었다. 카메라 링크는 컴퓨터에 카메라를 연결하는 경우, 카메라로 촬영된 영상을 고속으로 컴퓨터로 전송하기 위해서 사용이 된다. 이 경우 컴퓨터쪽의 어플리케이션을 프레임 그래버(frame grabber, 일명 캡쳐 보드)라고 한다.

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그래픽 처리 유닛과 디스플레이가 하나의 제품 안에 들어 있는 노트북 컴퓨터와는 달리 카메라와 프레임 그래버(컴퓨터)는 각각 별도의 제품으로 존재하기 때문에 이 둘은 연결하기 위해서는 케이블과 커넥터가 필요하다. 이를 위해서 카메라 링크는 이 케이블과 커넥터 타입에 대해서 규정하고 있다. 먼저, 아래 그림은 커넥터 모습이다.

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[그림 9] 카메라 링크의 커넥터

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카메라 링크를 구현하기 위한 케이블은 일반적으로 4개의 LVDS 레인으로 데이터를 전송하고, 1개의 LVDS 레인으로 클럭 신호를 전송한다. 한편, 카메라의 이미지 센서를 통해서 디지털화되는 데이터는 적색, 녹색, 청색 각각을 8비트로 표현하므로, 총 24비트의 데이터이다. 여기에 비디오 동기화를 위한 신호 3비트가 추가되고, 여분의 1비트를 추가하여, 총 28비트를 만든 후, 이를 4개의 LVDS레인을 통해서 컴퓨터로 전송한다. 즉, 하나의 LVDS레인당 7비트씩 전송하게 된다. 이러한 방식은 채널 링크(Channel Link)라고 하는 기술로 알려져 있다. 카메라 링크는 채널 링크의 대표적인 어플리케이션인 셈이다.

 

 

 

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