4.3.7 Небезпечні інтерфейси цифрових рідинно-кристалічних моніторів
Використання швидкісних інтерфейсів з великими рівнями сигналів і гострими фронтами привело до високого рівня електромагнітних завад для пристроїв, що працюють у радіодіапазоні. Це примусило виробників шукати рішення по зниженню рівня ПЕМВН. Причому саме з погляду втрат в лініях передачі та виконання екологічних норм, а зовсім не з погляду захисту інформації. Для комплексного вирішення задач, пов’язаних з транспортуванням потоків даних в каналі управління високоінформативними рідинно-кристалічними дисплеями, було розроблено ряд цифрових дисплейних технологій.
Цифрові дисплейні інтерфейси залежно від функціонального призначення можна поділити на чотири групи:
1) інтерфейс між відеоконтроллером і модулем рідинно-кристалічного (РК) екрану в ноутбуках (довжина з’єднання 30…50 см);
2) інтерфейс між платою відеоконтроллера комп’ютера і зовнішнім РК-монітором (довжина з’єднання 120…150 см);
3) внутрішній дисплейний інтерфейс між дисплейним контроллером і мікросхемами драйверів стовпців (довжина з’єднання 20…30 см);
4) інтерфейс між відеоконтроллером і віддаленим РК-монитором (довжина з’єднань від декількох метрів до декількох сотень метрів).
Розглянемо, спочатку, передачу даних між контроллером і драйверами матриці.
Інтерфейс LVDS. Інтерфейси для підключення рідинно-кристалічного (РК) панелей за принципом передачі даних можна розділити на інтерфейси, засновані на TTL, CMOS, TMDS і LVDS. В РК панелях перших поколінь (чорно-білих з низькими розрішенням) для передачі даних використовували КМОП-логіку. За мірою збільшення градацій яскравості а збільшення розрішення стали виникати проблеми із забезпечення широеої смуги пропускання через постійну швидкість передачі, що зростала. Використання швидкісних інтерфейсів з високими рівнями сигналів і гострими фронтами привело до високого рівня електромагнітних завад у радіодіапазоні. Тому було розроблено ряд інтерфейсів, в основі яких лежить диференціальна низькорівнева логіка (основні з них TMDS і LVDS).
Історично склалося так, що LVDS став, де-факто, стандартом для підключення РК панелей моніторів і ноутбуків, відповідно саме він і застосовується в більшості стандартних РК панелей для отримання даних, у яких біти зображення поступають на TCON – Timing Controller. Тому далі ми розглядатимемо тільки LVDS.
LVDS (Low Voltage Differential Signaling) – метод передачі цифрових даних диференціальними сигналами з малими перепадами рівня напруги (до 350 мВ) на двох лініях друкованої платі або збалансованого кабелю із швидкістю до сотень і навіть декількох тисяч мегабіт в секунду. Малі перепади рівня та струмовий режим виходу передавача забезпечують малий рівень шуму і дуже малу споживану потужність (3.5 мА * 350 мВ = 1.2 мВт) в усьому діапазоні швидкостей передачі.
LVDS вихід, спроектований фірмою National Semiconductor, містить джерело струму (з номіналом до 3.5 мА), навантажений на диференціальну пару лінії передачі. На рис. 4.10 показана схема передачі одного каналу LVDS. Передавач управляє диференціальною лінією. В лінію видається струмова посилка із струмом близько 3,5 мА. Навантаженням лінії служать паралельно включені диференціальний LVDS-приймач та 100 Ом резистор. Сам приймач має високий вхідний опір, і основне формування сигналу відбувається на резисторі навантаження. При струмі лінії 3,5 мА на ньому формується падіння напруги 350 мВ, яке і детектується приймачем. При перемиканні напряму струму в лінії змінюється полярність напруги на резисторі навантаження, формуючи стани логічного нуля і логічної одиниці.
Рисунок 4.10 – Спрощена схема з’єднання LVDS передавача з приймачем через 100 Ом лінію
Синхросигнали та управляюча інформація передаються в полі додаткових чотирьох біт (7 тактів на 4 пари = 28 біт на такт). У ранній версії стандарту для шини регламентувалася максимальна тактова піксельна частота 40 Мгц. Пізніше частота була збільшена спочатку до 65 Мгц, а потім доведена і до 85 Мгц.
Рівні робочих сигналів 345 мВ, вихідний струм передавача від 2,47 до 4,54 мА, навантаження 100 Ом. Диференціальна схема інтерфейсу між джерелом сигналу і приймачем дозволяє вирішити задачу надійної передачі сигналів із смугою понад 455 Мбіт/з без спотворення на відстань декількох метрів.
У сучасних моделях РК панелей з великим розрішенням кількість каналів, які використовуються в LVDS, збільшено до 30 та більше, що дозволяє передавати за такт інформацію щодо двох пік селів, парного та непарного, одночасно.
Приклад передачі бітів даних одного пікселя чотирма каналами інтерфейсу LVDS наведено на рис. 4.11.
Рисунок 4.11 – Часова діаграма передачі бітів даних одного пікселя чотирма каналами LVDS
Тут показані біти поточного пікселя:
G0 - G5 – 6 біт зеленого кольору,
B0 - B7 – 6 біт синього кольору,
R0 - R7 – 6 біт червоного кольору.
Синхронізуючі сигнали та управляюча інформація передаються в полі додаткових 3-х біт: DE – data enable, VS – vertical synchronization, HS – horizontal synchronization. CLK +/- – це окремий канал LVDS для передачі тактової частоти.
Під час наших досліджень ПЕМВН («небезпечний» сигнал) від дисплейного інтерфейсу LVDS на рекомендованій відстані до приймальної антени не був знайдений, його рівні випромінювання в даних моделях були істотно нижчим за інші небезпечні сигнали. Це і зрозуміло, достатньо короткі лінії, екранований кабель.
Інтерфейс RSDS (WisperBusTM).
Фірмою National Semiconductor було розроблено та випробувано два інтерфейси внутрішньої дисплейної шини для зв’язку дисплейного контролера з рядковими драйверами матриці: RSDS (Reduced Swing Differention Signaling) і WisperBusTM.
Для шини RSDS використовується топологія «зірка». В TFT моніторах, як правило, з інтерфейсом RSDS використовуються стовбчикові драйвери. На рис. 4.12 показані побудова та форми сигналів інтерфейсу RSDS. А на рис. 4.13 наведено передачу одного пікселя інтерфейсом RSDS за 6-і бітового кодування кольору за два такти.
Рисунок 4.12. – Побудова та форма сигналів інтерфейсу RSDS
Рисунок 4.13 – Передача одного пікселя інтерфейсом RSDS за 6-и бітового кодування кольору за два такти
Тут G0 - G5 – 6 біт зеленого кольору, B0 - B7 – 6 біт синього кольору, R0 - R7 – 6 біт червоного кольору пікселя. Так само можливі схеми з передачі не з 6 бітовим, а вже з 8 та з 10 бітовим кодуванням кольору. При цьому на кожний колір буде додаватись по одному каналу передачі при 8 бітовому і два при 10 бітовому. Вигляд інтерфейсу RSDS показано на рис. 4 14.
Рисунок 4.14 – Мікрорентгенограма ділянки крос-платі TFT монітора. Червоними лініями обмежена область провідників шини RSDS
На приведеній рентгенограмі видно, що всі гнучкі шлейфи з драйверами стовпців приєднані до шини RSDS паралельно.
Топологія шини WisperBusTM – «точка-точка». Прийом інформації проводиться одночасно всіма драйверами стовпців. Для мультиканальної топології шини типу «зірка» прийом даних проводиться кожним драйвером по черзі, протягом свого короткого часового інтервалу. Для прийому даних у кожному драйвері використовуються дві окремі шини даних і загальна диференціальна шина бітової синхронізації даних. Структура й електрофізика нової шини дозволили вирішити наступні задачі:
- зменшити рівень електромагнітного випромінювання, пов’язаного з передачею високочастотних сигналів даних інтерфейсною шиною РК екрану;
- зменшити потужність споживання, пов’язану з передачею даних по шині;
- зменшити число провідників у внутрішньому дисплейному інтерфейсі;
- понизити вартість друкарської плати за рахунок зменшення числа шарів плати та площі, необхідної при трасуванні шини;
- понизити вартість шини за рахунок зменшення числа передавачів і приймачів.
При використанні диференціального інтерфейсу LVDS вихідний струм кожного передавача шини складає від 2,5 до 4,5 мА. Інтерфейс містить до 18 високошвидкісних сигналів даних. ПЕМВН з шин інтерфейсу досить значний.
При використанні диференціального інтерфейсу потрібно 36 провідників. Використовування диференціальної шини вимагає установки резисторів, що погоджують, з боку приймача, що також збільшує складність і вартість реалізації. На резисторах, що погоджують, розсівається велика частина потужності, витраченої на передачу сигналів.
Передача двійкових цифрових сигналів шиною WisperBusTM проводиться не рівнями напруги, як в звичній диференціальній схемі, а рівнями струмів, і до того ж по єдиному проводу. Протікання струму для обох струмових станів відбувається завжди в одному і тому ж напрямі – від приймача до передавача. Відповідно до вхідних двійкових сигналів передавач підключає одне або інше джерело струму, як показано на рис. 4.15 … 4.17.
Рисунок 4.15 – Еквівалентна схема передавача шини WisperBusTM
Рисунок 4.16 – Порівняння еквівалентних схем приймачів шини WisperBusTM і диференціального RSDS
Таким чином, одержуємо два струмові номінали 50 мкА і 150 мкА, які відповідають двійковим станам «0» і «1». Така схема еквівалентна зсуву струму на ± 50 мкА щодо постійної струмової величини 100 мкА. Амплітуда робочих струмів, що використовується для передачі даних по шині WisperBusTM (100 мкА), на порядок менше амплітуди струмів, що використовуються в інтерфейсі RSDS (2000 мкА). Амплітуда напруги в точці підсумовування приймача складає близько 1 В, але абсолютне значення цієї напруги не виконує особливої ролі в реалізації даної шини і визначається порогами транзистора в приймачі.
Рисунок 4.17 – Конфігурація шини WisperBusTM
Дослідження показали, що основним джерелом випромінювання небезпечного сигналу в РК панелях є лінія передачі даних від TCON до драйверів стовпців, тобто інтерфейс RSDS. Так само, на практиці, було встановлено, що в деяких випадках рівні сигналів від RSDS виходять більше, ніж від відповідного до дисплея інтерфейсу RGB і внутрішнього інтерфейсу LVDS.
Відповідно, при розрахунку R2 їх необхідно розраховувати роздільно. А у випадку з ноутбуками небезпечними сигналами від відеопідсистеми є тільки сигнали від інтерфейсу RSDS.
Таким чином, у сигналів на вході мікросхем управління стовпцями РК-матриці (Column Driver) код з розрядністю 6 або 8 послідовно передається, піксель за пікселем, з кроссшини в пам’ять драйверів стовпців із заданою тактовою частотою. Ці сигнали і викликають появу інформативних ПЕМВ. Причому, при знятті інформації по каналу ПЕМВН потенційному супротивнику все одно, якого кольору буде черговий піксель. При перехопленні інформації йому достатньо вирішити бінарну задачу – світлий або темний піксель. Для відновлення алфавітно-цифрового і більшої частини графічних зображень цього більш, ніж достатньо. Тобто, передача по внутрішній шині 18-і або 24-х розрядного коду, з погляду здійснення перехоплення, еквівалентна передачі однорозрядного послідовного коду.
Тому, для перевірки РК-монитора можна застосувати точно такий же тест-режим «пиксель-через-пиксель», що забезпечує максимальну енергетику інформативного сигналу, як і для RBG монітора. Сигнали внутрішнього інтерфейсу мають високу тактову частоту, а фронти імпульсів дуже малої тривалості. Фізичні двохдротяні лінії на крос-платі достатньо протяжні (20 - 40 см). При цьому створюються такі випромінювання, які не вписуються в норми по допустимому рівню електромагнітних випромінювань.
При дослідженнях РК матриць практично на всіх зразках нами були знайдені сигнали в низькочастотній області, що реагують на тест, запущений на дисплеї. Перші гармоніки були знайдені на частотах порядка десятків кГц.
Виробники РК матриць і схем їх управління вимушені «укладатися» в досить жорсткі міжнародні норми по ПЕМІ з погляду електромагнітної сумісності і шкоди для здоров’я людей.