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20lA UTOMOTIVE 7-8.2007l TITEL

Moderne

Display-Architekturen

mit LVDS/RSDS

Zukünftige Infotainment-Lösungen werden durch vermehrte

Integration auf bzw. in das Glassubstrat des LCD-

Panels gekennzeichnet sein, wie zum Beispiel Timing-

Controller als Chip-On-Glass-Bauteile. In diesem Szenario

bietet der RSDS-Bus eine attraktive Alternative für die

Eingangsschnittstelle. Schon heute sind diskrete Halbleiterkomponenten

verfügbar, welche einen Datendurchsatz

von 1032 Mbit/s auf einem geschirmten Twisted-Pair-

Kabel bis zu 10 m Länge unterstützen.


TITELl AUTOMOTIVE

7-8.2007l21

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In modernen Display-Architekturen für Infotainment-

Anwendungen im Auto werden die gewohnten parallelen

TTL/CMOS-RGB-Busse zusehends durch serielle

Lösungen ersetzt. Weniger Pins und Verbindungsleitungen,

geringerer Strombedarf sowie geringere Störabstrahlung

und Störempfindlichkeit, sind die wichtigsten

Vorteile dieser Busse, die bereits als komplettes

Systemkonzept verfügbar sind. Ferner ermöglichen es

die Physical-Layer-Standards LVDS (Low Voltage Differential

Signaling) und RSDS (Reduced Swing Differential

Signaling), ein Design mit geringem Aufwand und minimalen

Risiken zu erstellen.

Während sich auf dem Markt für große LCD-Panels (LCD-

Fernsehgeräte, Desktop und Notebook-Monitore) ein

hohes Maß an Standardisierung und Integration abzeichnet,

stützen sich LCD-Architekturen für Infotainment-

Displays in Kraftfahrzeugen gegenwärtig noch auf konventionellere

Konzepte. Eine der Ursache hierfür ist, dass man

auf diesem Gebiet in erster Linie vorgefertigte LCD-Module

zukauft und die Entwicklungsaktivitäten auf Videoadapter

und Interfacekarten konzentriert. Ein neuer Trend jedoch

ist, lediglich das TFT-Glas zu beziehen und spezifisches

Know-How in den Timing Controller (TCON) des Displays

einfliessen zu lassen, um das Endprodukt im Markt zu differenzieren.

Abgesehen von den externen Schnittstellen

des LCD müssen dann auch panel-interne Interface-Optionen

wie die RSDS-Technologie (Reduced Swing Differential

Signaling) berücksichtigt werden. Nicht zuletzt bietet die

Integration externer und interner Schnittstellen Vorteile: So

können der Bauteileaufwand gesenkt, die Leiterplattenfläche

verringert und die elektromagnetische Verträglichkeit

(EMV) verbessert werden.

Eine ähnliche Entwicklung vollzieht sich auch auf Seiten des

Grafik-Hosts, der in der Regel im „Head Unit“ Steuergerät

implementiert ist. Bei den GPUs (Graphics Processing

Units) geht der Trend weg von breiten CMOS-/TTL-Ausgängen,

die zu viele Gehäuse-Pins belegen. Immer mehr Grafikeinheiten

setzen eine erste Serialisierungsstufe um,

basierend auf seriellen Datenkanälen für die Farb-Bits im

Verbund mit einem parallelen Taktkanal. Indem als Physical

Layer der offene Industriestandard FPD-Link genutzt wird,

bleibt die Tür zu weiteren Interfacing-Optionen offen. Verfeinern

lässt sich diese erste Serialisierungsstufe dann mit

Hilfe von Brücken-Chips, die in einem zweiten Schritt die

Serialisierung auf ein einzelnes Adernpaar vornehmen. Das

Resultat sind lange Verkabelungslösungen, welche im Auto

unabdingbar sind, beispielsweise für Rear-Seat-Entertainment-Displays.

Bild 1: Konventionelle Datenverbindung zwischen Grafik-

Quelle und abgesetztem LCD-Panel.

© automotive

Konventionelle Verbindungen zwischen

Grafikeinheiten und abgesetzten LCD-

Panels

In herkömmlichen Infotainment-Designs senden die Grafik-

Controller bzw. GPUs die RGB-Farbbits und Synchronisationssignale

in parallelem Format, zeitlich ausgerichtet zu

einem Pixeltakt (Bild 1). Geht es um die Verbindung zu

einem abgesetzten LCD-Panel, lassen sich mit einem solchen

parallelen Bus lediglich Entfernungen von höchstens

20 oder 30 cm überbrücken. Neben dem exzessiven Durchmesser

des erforderlichen Kabels liegt dies nicht zuletzt an

Stromversorgungs- und EMV-Aspekten. Als Abhilfe gegen

dieses Problem entwickelte National Semiconductor Mitte

der 90er Jahre zusammen mit führenden Anbietern von

LCD-Panels die Serializer/Deserializer-(SerDes) Chipsätze

der FPD-Link-Familie (Flat Panel Display). Der Sendebaustein

(Transmitter) sammelt die 18 bit an RGB-Informationen

(bei jeweils 6 bit Farbtiefe) sowie die drei Steuersignale

und den Takt und generiert hieraus drei differenzielle

Datenpaare und ein Taktpaar.

Für das Panel wurde ein Empfänger mit komplementärer

Funktion entwickelt. Der FPD-Link Receiver deserialisiert

die Datenströme und gibt an den Timing Controller (TCON)

des Panel-Boards die Pixeldaten und Steuersignale aus.

Der TCON wiederum übernimmt die Weiterleitung und

Umformatierung der Signale an die Zeilen- und Spaltentreiber

des LCD. Das auf dem Physical Layer der FPD-Link-

Lösung verwendete Bit-Mapping und die Signalisierung

wurde vom SPWG-Konsortium (Standard Panel Working

Group) dokumentiert, die zum De-facto-Industriestandard

für die Schnittstellen von LCD-Monitoren in Notebook-

Computern wurde.

Die Chipsätze nutzen den als ANSI/TIA/EIA-644A genormten

Physical-Layer-Standard LVDS (Low Voltage Differential

Signaling). Dieses schnelle und Strom sparende Interface

hat heutzutage nicht nur bei Embedded-Displays große Verbreitung

gefunden, sondern kommt in zahlreichen Datenkommunikations-

und Telekommunikations-Anwendungen

für allgemeine durchsatzintensive Datentransport-Applikationen

zum Einsatz. Es erreicht sehr hohe Übertragungsraten,

verbraucht wenig Leistung, verursacht nur geringe

Abstrahlung und ist darüber hinaus überaus betriebssicher.

Hinzu kommt die Fähigkeit zur Unterdrückung von Gleichtakt-Störungen

bis zur doppelten Amplitude des Nutzsignals.

Hochauflösende Panels können somit über ein

schmaleres Interface angeschlossen werden, was das

Interconnect-Design vereinfacht und gleichzeitig eine breite

Palette von Panel-Auflösungen unterstützt.

Aus dem FPD-Link-Konzept ist ferner die umfassendere

OpenLDI-Spezifikation (LVDS-Display-Interface) hervorgegangen,

die nach vorheriger Registrierung unter


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22lA UTOMOTIVE

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www.national.com/appinfo/fpd/ heruntergeladen werden

kann. OpenLDI beschreibt die logischen, elektrischen und

mechanischen Aspekte einer Schnittstelle zur Übertragung

digitaler Displaydaten zwischen Signalquelle und Display.

Um große Kabellängen (>10 m) zu unterstützen, kommt

eine erweiterte Ausführung des LVDS-SerDes zum Einsatz.

Zu den Neuerungen im Transmitter gehören eine wahlweise

aktivierbare Pre-Emphasis-Funktion und ein einfaches,

Strom sparendes DC-Balancing-Konzept, um ein weiter

geöffnetes Augendiagramm am Ende langer Kabel zu

erreichen. Die De-skew-Funktion des Receivers gestattet

die Verwendung herkömmlicher Twisted-Pair-Kabel mit

erhöhtem Paar-zu-Paar-Signalversatz. Abgesehen davon ist

die OpenLDI-Lösung in ihrer Betriebsart „LVDS Non-DC

Balanced“ abwärtskompatibel zum FPD-Link.

Bild 2: Applikations-Blockschaltbild der neuen 4- zu

1-Kanal-Brücke DS99R421 von National Semiconductor.

© automotive

LVDS-Brücke zwischen 4-Lane- und

Single-Lane-SerDes-Konzepten

Immer mehr Grafikprozessoren, Scaler und sogar FPGAs

der einfachen bis mittleren Leistungskategorie werden mit

FPD-Link-Funktionalität ausgestattet. Sie nutzen dieses

Konzept um einen hohen Gesamtdatendurchsatz über eine

Reihe von Datenkanälen zu verteilen. Dies begrenzt die

maximalen Baudraten pro Übertragungspaar auf moderate

Werte und vermindert somit die Design-Risiken, die sich

aus der Implementierung hochfrequenter PLL- und CDR-

Schaltungen (Clock Data Recovery) in komplexen digitalen

Chips ergeben. Andererseits benötigt eine 8-adrige differenzielle

Verbindung (4-Lane) nach wie vor relativ dicke und

unflexible Kabel, deren Verlegung im Fahrzeug auf Schwierigkeiten

stoßen kann. Bei Kabellängen über ca. 5 m kann

es, je nach Konstruktion und Spezifikation der verwendeten

Kabel, außerdem zu Skew-Effekten, d. h. zu einem zeitlichen

Versatz zwischen den Daten- und den Takt-Kanälen

kommen, welche im Extremfall zum Mis-Sampling von

Daten führen. Abgesehen davon werden im Automotive-

Bereich AC-gekoppelte Verbindungen bevorzugt, damit

unterschiedliche Massepotenziale von Sender und Empfänger

ohne negative Folgen bleiben. Der Umstieg auf ein

Single-Lane-Konzept mit eingebettetem Takt ist angesichts

dieser Tatsachen ein folgerichtiger Schritt. Für Grafik-Signalquellen

mit FPD-Link-Interface wandelt der Baustein

DS99R421 von National die vier ohne DC-Balancing generierten

LVDS-Lanes (3 x Daten; 1 x Takt) zusammen mit 3

überabgetasteten Low-Speed-Steuerbits (OS) in

einen einzigen DC-symmetrischen LVDS-Stream mit eingebetteter

Taktinformation um (Bild 2).

Dieses Serialisierungs-Schema vereinfacht den Transfer der

Daten des 24-bit-Busses über ein einziges differenzielles

Leiterpaar, indem der Skew zwischen Daten und Takt vermieden

wird. Die Systemkosten verringern sich durch die

weniger breite Verbindung, die zudem weniger Leiterplatten-Lagen

erforderlich macht und sich mit dünneren

Kabeln, kleineren Steckverbindern und weniger Pins

begnügt. Die LVDS-Eingänge des Bausteins sind außerdem

bereits mit integrierten 100-Ohm-Abschlusswiderständen

versehen. Überdies verfügt der Chip am LVDS-Ausgang

über eine Pre-Emphasis-Funktion zur Verstärkung des Signals

bei der Übertragung auf langen verlustbehafteten

Kabeln. Dieses vom Anwender einstellbare Feature wird

über einen externen Widerstand gesteuert und ermöglicht

einen maximalen Datendurchsatz von 1.032 Mbit/s auf

geschirmtem Twisted-Pair-Kabel bis zu 10 m Länge. Die

interne DC-Balance-Codierung dient zur Unterstützung ACgekoppelter

Verbindungen über Serien-Kondensatoren.

Das Bit-Mapping des vom DS99R421 generierten seriellen

Daten-Streams ist kompatibel zum Single-Lane LVDS-

Deserializer DS90UR124, mit welchem zusätzlich eine „

Speed BIST“-Funktion (Built In Self Test) des Chipsatz

durchgeführt werden kann, mit der die Integrität der Verbindung

durch Detektion von Bitfehlern nachgewiesen

wird.

RSDS optimiert die interne

Architektur von TFT-LCD-Panels

Um ihre Produkte auf dem Markt vom übrigen Angebot

abzuheben, konzentrieren sich immer mehr Anbieter von

Displaysystemen für den Automotive-Bereich auf den

Timing-Controller (TCON). Damit rückt auch der panel-interne

Bus zwischen dem TCON und den Zeilen- und Spaltentreibern

ins Blickfeld. National Semiconductor hat für diesen

Zweck in Zusammenarbeit mit LCD-Modulherstellern

den offenen RSDS-Standard (Reduced Swing Differential

Signaling) entwickelt (genauere Spezifikationen unter

www.national.com/appinfo/fpd/). Ziel war die Definition

eines gemeinsamen Standards für eine optimierte Schnittstelle

zwischen dem LCD-Timing-Controller und den Spaltentreiber-Bauelementen.

Von diesem Interface wird ein

hoher Datendurchsatz gefordert. Gleichzeitig ist es notwendig,

die Zahl der Verbindungen, den Strombedarf und

die elektromagnetische Abstrahlung (zur Verringerung des

Abschirmaufwands) zu reduzieren.

RSDS ist eine Abwandlung des Industriestandards LVDS

(RS-644A) mit einem auf nur 2 mA reduzierten ausgangsseitigen

Treiberstrom. Diese differenzielle Signalamplitude

ergibt an einem typischen 100-Ohm-Abschlusswiderstand

einen Spannungsabfall von lediglich ±200 mV, was für

systeminterne Übertragungen über kurze bis mittlere Distanzen

jedoch mehr als ausreicht. Aufgrund des sehr geringen

Signalhubs kommen die Signalflanken bei den


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Zustandswechseln mit moderaten

Anstiegsgeschwindigkeiten aus. Verglichen

mit der TTL-Signalisierung sind dadurch

bedeutend höhere Pixeltaktfrequenzen

möglich. Die RSDS-Ausgangspuffer generieren

eine Offsetspannung von 1,3 V als

Gleichtaktspannung für die differenziellen

Signale. Der RSDS-Bus muss lediglich die

RGB-Farbbits und ein paralleles Taktsignal

(RSCK) übertragen. Zudem arbeitet der

RSDS-Bus mit einem 2:1-Multiplexing

Schema. Auf jeden Datenkanal werden

zwei Farbbits – je eines bei der steigenden

und der fallenden Flanke des Taktsignals –

gemultiplext (Double Data Rate). Der empfangsseitige

Spaltentreiber benötigt deshalb

keine eigene, hochfrequente PLL-

Schaltung, was seine Integration auf bzw.

in ein Glassubstrat erleichtert.

Diese Serialisierung macht es möglich, die

Zahl der Busleitungen gegenüber einem

TTL-Buskonzept zu halbieren. Bei einer TTL-

Lösung mit zwei Bussen (je einer für die

geraden und die ungeraden Pixel) wären bei 6 bit Farbtiefe

insgesamt 36 Daten- und 2 Taktleitungen, insgesamt also

38 Adern erforderlich. Eine vergleichbare RSDS-Architektur

begnügt sich dagegen mit einem einzigen Bus, der 9 differenzielle

Leiterpaare für die Daten und ein differenzielles

Adernpaar für den Takt (Summe: 20) aufweist.

Timing-Controller mit integrierten

LVDS- und RSDS-Schnittstellen

Der Timing-Controller ist gleichsam das Gehirn und das zentrale

Bauteil eines TFT-LCD-Moduls. Bei abgesetzten Automotive-Displays

dient als Eingangssignal häufig ein serieller

LVDS-Datenstream, der typischerweise von einem

Bild 3: Blockdiagramm des voll integrierten Timing-Controllers FPD87352.

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Head Unit-Steuergerät kommt. Das LVDS-Interface ist in

einer Deserializer-Funktion implementiert, von der die RGB-

Farbbits und die Steuersignale (Hsync, Vsync und DE) in

das parallele Datenformat zurückverwandelt werden. Der

TCON übernimmt anschließend die Weiterleitung und

Umformatierung dieser Daten für die Zeilen- und Spaltentreiber

des LCD-Panels. Als Beispiel für einen hochintegrierten

Timing-Controller zeigt Bild 3 die Funktionsblöcke

des FPD87352. Dieser TCON kombiniert ein LVDS-Single-

Pixel-Eingangsinterface mit einem ausgangsseitigen

RSDS-Interface für den Spaltentreiber. Er wird in den Flachbildschirm

eingebaut und übernimmt zusätzlich das Puffern

der Daten und die Erzeugung der Steuersignale.

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Bild 4: Vergleich verschiedener Generationen von

Timing-Controller-Boards:

a) TTL-Bus mit diskretem LVDS

b) TTL-Bus mit integriertem LVDS

c) RSDS-Bus mit hochintegriertem Timing-Controller TCON

© automotive

Die SSC-Funktion (Spread Spectrum Clocking) reduziert das

EMV-Aufkommen, indem die abgestrahlte Energie über ein

breiteres Frequenzband verteilt wird. Dieses Feature nutzt

eine externe SSC-Signalquelle, die ein synchronisiertes,

gespreiztes Frequenzspektrum für die RSDS- und Steuersignal-Ausgänge

bereitstellt. Das zweiadrige serielle

EEPROM-Interface ermöglicht die externe Initialisierung

der LUT-Register (Look-Up-Table). Bei fehlendem EEPROM

wird der LUT-Wert dagegen aus dem eingebauten ROM

entnommen. Der Funktionsblock „CLK & Data Synchronizer“

verzögert die Daten und richtet sie an den internen

Datenprozessen aus, zu denen die Kontrolle des RSDS-

Skews gehört. Sämtliche Datenprozesse müssen am

RSDS-Ausgang und den LCD-Timing-Controller-Signalen

ausgerichtet werden.

Das RTC-Feature (Response-Time-Compensation) beschleunigt

das Erreichen eines Zielgrauwertes bei den Pixeln

eines LCD-Panels, was die Wiedergabequalität bewegter Bilder

verbessert. Das RTC-Feature wird durch Ansteuerung

des Pixelelements mit einer überhöhten Spannung realisiert,

die für eine raschere Reaktion der Flüssigkristalle sorgt. Interessant

ist dies beispielsweise für Automotive-Displays im

Betrieb bei niedrigen Temperaturen, wenn die Reaktionszeit

von LCDs in der Regel eher langsam ist. Der Boost-Impuls

wird durch eine Kombination aus einer internen oder externen

EEPROM-LUT (diese enthält die Boost/Übersteuerungs-

Werte) mit einem externen, als Framebuffer fungierenden

Speicher gesteuert. Als RTC-Referenzwerte dienen die

neuen Grauwerte abhängig von der Differenz zwischen den

RGB-Graustufen des aktuellen Frames und den RGB-Daten

für dasselbe Pixel im vorigen Frame.

Das RSDS-Interface wandelt die CMOS-Signalpegel in

RSDS-Signale für den Systemtakt (DCLK) und die RGB-

Farbdaten um. Der RSDS-Skew kann in diskreten Schritten

variiert werden, um die unterschiedlichen Laufzeiten zu den

einzelnen Spaltentreibern zu berücksichtigen. Der mit „Vertical

& Horizontal LCD Timing Control“ bezeichnete Block

schließlich generiert die TTL/CMOS-Signale für die Schnittstelle

der Zeilen- und Spaltentreiber im LCD-System. Sämtliche

Signale werden zum RSDS-Datentakt synchronisiert.

Um die Integrationsvorteile derartiger TCON-Lösungen hervorzuheben,

sind verschiedene Generationen von Timing-

Controller-Boards in Bild 4 beispielhaft gegenübergestellt.

Der Vergleich unterstreicht die drastische Verringerung des

Aufwands an externen Bauteilen sowie die kleinere Leiterplattenfläche.

Als Beispiel: bei einem 10 Zoll großen VGA-

LCD mit TTL-Bus zwischen TCON und Spaltentreiber werden

ca. 190 passive Bauelemente benötigt. Diese Zahl verringert

sich bei Verwendung des RSDS-Busses auf nunmehr

101. Ferner kann die Zahl der Leiterplattenlagen von

6 auf 4 verringert werden, woraus eine weitere, sehr signifikante

Kostensenkung resultiert. Nicht zuletzt verbessert

sich das EMV-Verhalten deutlich, da breite parallele

TTL/CMOS-Busse außerhalb des Timing Controllers vermieden

werden.

Zusammenfassung

In modernen Display-Architekturen für Infotainment-Applikationen

im Auto werden die gewohnten parallelen

TTL/CMOS-RGB-Busse zusehends zugunsten serieller

Lösungen, die bereits als komplettes Systemkonzept verfügbar

sind, aufgegeben. Zu den wichtigsten Vorteilen dieser

Umstellung gehört die Tatsache, dass weniger Pins und

Verbindungsleitungen benötigt werden. Gleichzeitig sinkt

der Strombedarf, es werden weniger Störungen abgestrahlt

und die Empfindlichkeit gegen äußere Störbeeinflussung

wird geringer. Die Physical-Layer-Standards LVDS

und RSDS machen es als erprobte, etablierte Technologien

möglich, diese Vorgaben mit möglichst geringem Designaufwand

und minimalen Risiken zu verwirklichen. Zukünftige

Lösungen werden durch vermehrte Integration auf

bzw. in das Glassubstrat des LCD-Panels gekennzeichnet

sein. Timing-Controller mit zumindest elementarer Feature-

Ausstattung werden als COG-Bauteile (Chip-On-Glass) verfügbar

werden. In diesem Szenario könnte der RSDS-Bus

zu einer sehr interessanten Alternative für den Eingangs-

Bus werden, denn ein RSDS-Receiver benötigt zum Einlesen

der Eingangsdaten keine hochfrequenten PLL-Strukturen,

die sich nur unter Schwierigkeiten in das Glas integrieren

lassen würden. Mit einer optimalen System-Partitionierung

entlang des gesamten Datenpfads – vom Grafik-

Controller als Host über zwischengeschaltete Interface-

Adapter, TCON-Boards, Spaltentreiber-Boards oder Chips

auf bzw. im TFT-Glas – lässt sich die Performance und das

EMV-Verhalten des Gesamtsystems optimieren, während

sich die Systemkosten gleichzeitig deutlich verringern. (oe)

Dr.Thomas Wirschem arbeitet in der Europazentrale

von National Semiconductor in Fürstenfeldbruck

bei München als Product Marketing Manager,

Interface & Display Division Europe und ist

für das technische Marketing von High-Speed-

Interface-, Ethernet- und Timing-Produkten verantwortlich.

National Semiconductor

@ www.national.com

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