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Bild 1: Das Verhältnis zwischen Takt und Daten in einer 7:1-Kabelverbindung.
Bild 2: Blockschaltbild einer DVI-Datenübertragung.
Bild 3: DVI-Extender-Applikation.
Bild 4: Ein Switch für Videokonferenzen.

Es gibt drei gängige Display-Standards, die weltweit eingesetzt werden: 7:1 LVDS (Low Voltage Differential Standard), DVI (Digital Visual Interface) und HDMI (High Definition Multimedia Interface), die im Folgenden kurz vorgestellt werden. Außerdem wird gezeigt, wie Lattice die Anforderungen dieser Standards mit seinen FPGAs abdeckt und welche Referenzdesigns die Einführung erleichtern.

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Lattice

Low Voltage Differenzial-Standard (7:1 LVDS) im Detail

Der 7:1-LVDS-Standard nutzt entweder drei oder vier LVDS-Data-Lanes (Datenleitungen) und eine LVDS-Clock (Taktleitung). Innerhalb einer Taktperiode gibt es sieben serielle Bits auf jeder Data-Lane (Bild 1); die Datenrate ist somit siebenmal größer als die Taktrate. Wenn das System via drei LVDS-Data-Lanes überträgt, beispielsweise von einem Motherboard, dann enthalten die Farbdaten sechs Daten-Bits für jede einzelne Farbe der RGB-Daten. Hinzu kommen HSYNC, VSYNC und DATA ENABLE (DE), so dass sich eine Gesamt-Anzahl von 21 Bits ergibt. Diese Bits werden dann in differenzielle LVDS-Lanes serialisiert.

Lattice stellt ein sehr effektives Referenzdesign zur Verfügung, das in den FPGAs der Typen LatticeXP2, LatticeECP2M und LatticeECP3 die 7:1-LVDS-Übertragung sowohl in Empfangs- als auch Senderichtung unterstützt. Selbst in den kleinsten Bausteinen und bei sehr kleinen Gehäusen besteht dabei die Möglichkeit zur Unterstützung mehrerer Schnittstellen.

Digital Video Interface (DVI) im Detail

Der DVI-Standard (DVI: Digital Visual Interface) wurde im Jahr 1999 von der Digital Display Working Group (DDWG) veröffentlicht. DVI enthält eine differenzielle Taktleitung und drei differenzielle quellensynchrone serielle Datenleitungen (Bild 2). Die Display-Daten werden dabei als unkomprimierte digitale Daten übertragen – und zwar jeweils 10 Daten-Bits innerhalb jeder Taktperiode. Dabei überträgt das System entweder Video-Daten oder Steuerungs-Informationen, aber keine Audio-Daten. Das DVI-Kabel kommt normalerweise zum Einsatz, um einen externen LCD-Monitor anzubinden. Die DVI-Datenraten liegen im Bereich von 250 MBit/s bis 2,25 GBit/s.

Die DVI-Spezifikation unterstützt aber auch Dual-DVI, das im Prinzip die übertragbare beziehungsweise empfangbare Datenmenge verdoppelt, indem sich die Anzahl der Datenkanäle von drei auf sechs erhöht. Das primäre Ziel besteht dabei in der Anbindung großer Monitore mit Diagonalen von 30 Zoll (zirka 76 cm) und darüber, die auch größere Farb-Anforderungen von bis zu 48-Bit-Farben bedienen können.

FPGAs, ein Muss bei der Videoübertragung

FPGAs stellen eine preisgünstige Lösung für Low-Power-Designs zur Verfügung – eine Lösung, die reprogrammierbar, flexibel und universell nutzbar ist, so dass keine erneuten Designzyklen bei den Boards erforderlich sind und eine kürzere Time-to-Market erzielt wird. Als Folge daraus sind FPGAs zu einer unwiderstehlichen Wahl geworden, wenn es darum geht, anspruchsvolle Produktzyklen zu ermöglichen, in denen die High-Speed-Anforderungen an die Schnittstelle sowie an die Verarbeitungs-Umgebung erfüllt werden, die sich durch 7:1-LVDS, DVI und HDMI ergeben.

Lattice hat ein Referenz-Design implementiert, das sowohl die Sende- als auch die Empfangs-Funktionalitäten für DVI (ergo: DVI TX und DVI RX) unterstützt. Dieses Design nutzt die CML-SERDES-Lanes in den FPGA-Familien LatticeECP3 oder LatticeECP2M, um die schnelleren DVI-Übertragungsraten zu unterstützen. Dabei ermöglicht die im SERDES-Element integrierte PLL die Rückgewinnung der quellensynchronen Daten. Durch eine derartige Implementierung der DVI-Schnittstelle lassen sich Übertragungsraten von 1,65 Gbit/s in vollem Umfang in Low-Cost-FPGAs implementieren. Weil die PLLs in den FPGAs der Typen ECP3 oder ECP2M so ausgelegt sind, dass sie eine breite Frequenzpalette unterstützen, kann das Lattice-DVI-Referenz-Design automatisch eine breitgefächerte Auswahl von Display-Auflösungen unterstützen. Wenn dabei das DVI-Referenz-Design die Daten in RGB umwandelt, dann geschieht dieses vollkommen gradlinig. Wenn die Daten erst einmal im RGB-Format vorliegen, lässt sich das Bild skalieren, rotieren oder um ein Overlay-Bild auf dem Bildschirm ergänzen.

DVI-Applikation: Extender

Es gibt viele Anwendungen, in denen es entweder aus physikalischen Gründen schwierig ist, die Video-Quelle in der Nähe eines Displays zu haben, oder in denen es eine geringere System-Cost-of-Ownership über einen Remote-Virtual-Desktop gibt. Die DVI-Spezifikation legt eine Distanz von fünf Metern fest. Qualitativ hochwertige Kabel können diese Entfernung bis auf zehn Meter erweitern, aber sie können nicht komplett verlustfrei sein. In den Bereichen PC-Server-Rack-Installationen, Consumer-Elektronik und digitale Großanzeigen (Digital Signage) im industriellen Bereich sind DVI-Externder mittlerweile weit verbreitet.

In dem Beispiel, das in Bild 3 zu sehen ist, dient der Desktop-Computer als DVI-Quelle. Der Computer liefert die DVI-Daten an ein FPGA. Diese Daten werden in parallele RGB-Informationen gewandelt, die über drei Datenleitungen verteilt sind. Anschließend kombiniert das FPGA die Daten derart, dass sie sich über eine einzelne Datenleitung übertragen lassen, die mit einer höheren Datenrate arbeitet. Nun erfolgt die Übertragung dieser einzelnen „Aggregated“-Data-Lane („aggregated“ bedeutet etwa: vereinigt) per SERDES an einen optischen Transceiver, der die Wandlung in optische Signale vornimmt. Durch die Verwendung optischer Übertragungsmedien lassen sich sehr lange Distanzen zwischen der Quelle (also dem Desktop-PC) und dem LCD-Display überbrücken. Auf der Empfangsseite erfolgt die Rückwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale, die dann über einen Empfangs-SERDES an das FPGA weitergeleitet werden. Das FPGA teilt die einzelne Data-Lanes wieder auf und wandelt die Daten in RGB-Daten um. Die drei seriellen Datenleitungen und das Taktsignal stellt das FPGA dann am DVI-Ausgang zur Verfügung, wobei das FPGA auch die Treiberfunktion über das DVI-Kabel bis zum LCD-Display übernimmt.

Dual-DVI-Applikation – Splitter

In einer Vielzahl von Anwendungen kommen Video-Wände zum Einsatz, wenn hohe Auflösung und große Display-Flächen erforderlich sind. Weil die Video-Bandbreite von der Quelle die großen Video-Wände bedienen muss, ist ein Dual-DVI-Interface erforderlich. Dual-DVI ist lizenzfrei und nutzt die Kostenvorteile, die sich aus der breitgefächerten Nutzung von DVI im Markt für Consumer-Monitore und professionelle Monitore ergeben.

HDMI (High Definition Multimedia Interface) im Detail

Der HDMI-Standard erweitert den DVI-Standard. Beide Schnittstellen nutzen eine differenzielle Taktleitung und drei quellensynchrone Datenleitungen sowie die TDMS-Signalisierung für das Senden und Empfangen der Daten. HDMI unterscheidet sich von DVI insofern, dass es Audiokanäle und Videodaten gleichzeitig überträgt. Da HDMI in elektrischer Hinsicht mit der DVI-Signalisierung kompatibel ist, sind für die beiden Schnittstellen keine Umwandlungen notwendig. Hierbei kommt es zu keinerlei Verlusten der Videoqualität während irgendeiner Wandlung. HDMI ist der De-Facto-Standard für Fernsehgeräte und ist oft auch in High-End-LCD-Monitoren als Schnittstelle vorhanden.

Alle HDMI-Verbindungen müssen das RGB-Format unterstützen, aber auch die Unterstützung anderer Standards ist möglich, wobei nur das RGB-Format zu DVI rückwärtskompatibel ist. Auf einer HDMI-Verbindung sind die Videodaten im Format 8b10b codiert, die Steuerungsdaten im Format 2b10b und die Audio-Daten im Format 4b10b. Lattice stellt ein Referenz-Design zur Verfügung, welches das zuvor beschriebene DVI-PHY-Referenz-Design um die zusätzlichen Codierungs-Anforderungen von HDMI-PHY-Applikationen erweitert.

Die HDMI-Versionen 1.0 bis 1.2 arbeiten mit bis zu 1,65 GBit/s, um so 1080p60-Videodaten und 8 Audiokanäle für HDTV-Fernsehgeräte, DVD- und Blu-Ray-Player oder WUXGA-Auflösung (1920 x 1200 bei 60 Hz) für Monitore zu unterstützen. Im Bereich Audio arbeitet HDMI mit bis zu acht unkomprimierten Audio-Kanälen. Für höhere Auflösungen, kürzere Refresh-Raten, größere Farbtiefen und 3D-Videos sind sogar noch höhere Datenraten erforderlich. Die HDMI-Standards 1.3 bis 1.4 erhöhen die Verbindungsgeschwindigkeit auf 3,4 GBit/s.

HDMI-Applikation – Kombination von Datenströmen

Das DVI-Refernzdesign von Lattice unterstützt auch HDMI-PHY-Schnittstellen. Zu den Applikationen, in denen die Manipulation von Audio- und Videodaten erforderlich ist, gehört ein Switch für Videokonferenzen. In dieser Anwendung (Bild 4) empfängt das System mehrere HDMI-Quellen (Video und Audio) und stellt den Ausgang auf einem einzigen Bildschirm dar. Jede HDMI-Quelle kann dabei über ein lokales PC-HDMI-Kabel oder über ein Netzwerk beziehungsweise über Backplanes zur Verfügung stehen. Unabhängig davon, welcher HDMI-Dateneingang dabei zum Einsatz kommt, muss das System die Video- und Audiodaten einer jeden einzelnen Quelle voneinander trennen. Jeder der RGB-Videodatenströme muss dann zusammenmontiert werden, um die Anzeige auf einem einzigen Bildschirm zu ermöglichen. Außerdem gilt es, die Audiodaten aus jeder HDMI-Quelle zu gewinnen. Wenn erst einmal jede der Audioquellen getrennt ist, dann besteht die Möglichkeit, die einzelnen Konferenzteilnehmer individuell zu identifizieren. Mit dieser Information „weiss“ das Design Antworten auf folgende Fragen:

  • Welches Video (aktiver Sprecher) soll in einem größeren Fenster dargestellt werden?
  • Welche Videos sollen in kleinere Fenster herunterskaliert werden?
  • Welche Audiodaten (aktiver Sprecher) müssen in den HDMI- Datenstrom eingesetzt werden?
  • Welche anderen Audioquellen müssen per Mute-Funktion stummgeschaltet werden?

Für diese Anwendung stellt Lattice Semiconductor die Basis-Bausteine für den Empfang und das Senden der HDMI-Quellen zur Verfügung.