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「V-by-OneⓇ」SerDes技术不仅在液晶电视的用途上,在通信/计算机/产业机械等高速接口上都可适用。

2019/12/17

开发专栏 NEW

THine Electronics开发了1 lane的传送速度最大可达16GB/秒(bps)的高速SerDes以及串联接口技术「V-by-OneⓇ US」。与前一代的「V-by-OneⓇ HS」相比传送速度是其4倍。在8K分辨率的液晶电视等上,可作为连接液晶时控IC与视频处理基板的接口使用。但其用途并不仅止于此。「V-by-OneⓇ US」使用的物理层技术在通信设备及计算机设备等上使用时,也可用作为连接A点与B点的高速接口技术。这次就来解说一下V-by-OneⓇ US的特征和组成,阐明在使用高速接口的其他用途上也能适用这一物理层技术的理由。

品牌形象的光与影

说起THine Electronics,作为提供液晶电视的数字接口--「V-by-OneⓇ HS」的半导体厂家的形象非常深入人心。确立了这一企业形象绝不是件坏事。在开发液晶电视的电子设备厂家在考虑连接液晶数控IC(T-CON)与视频处理基板的接口时,脑中就会浮现「THine」这个公司名以及「V-by-OneⓇ HS」这个品牌。

但另一方面,这也会带来不利的因素;会使人有「V-by-OneⓇ HS是液晶电视专用」这一错误印象。由此,在连接机箱间与基板间的高速串联传送以及通信设备等用途上,人们就有可能遗漏「THine」这个可选项。

最初的目标市场曾是液晶电视

实际上V-by-OneⓇ HS是一种在液晶电视的接口以外还可用于各种用途的元件(图1)。作为在A点到B点间传送信号的高速通用串联接口被应用于各种不用的用途。
 
图1 V-by-OneⓇ HS 用途示例

从技术层面来看:V-by-OneⓇ HS只是一种单纯的「SerDes芯片」。SerDes是一种组合了串行器(Serializer)与串行解串器(Deserializer)的技术用语。串行器将并联信号转换为串联信号后用1组信号线完成高速的数据传送(图2)。然后用串行解串器将收到的数据转换回并联信号。
 
图2 串行器(Serializer)与串行解串器(De-serializer)

THine Electronics早早地瞄准了正急速扩大的高精度液晶电视市场,量产了作为「液晶电视的标准规格产品」的高速串联接口--V-by-OneⓇ HS系列产品。但其基本要素与半导体厂家为各种不同用途生产的SerDes芯片是相同的。

确实在V-by-OneⓇ HS规格中,会直接使用连接「R(Red)(0-9)、G(Green)(0-9)、B(Blue)(0-9)」以及「Vsync、Hsync、De」这些液晶电视机箱内的T-CON与视频处理基板的TTL/CMOS 以及LVDS SerDes的接口信号名。但这只不过是设想到适用于液晶テレビ电视这一用途时起的信号名称而已。在使用其他信号名的通用高速串联接口上也完全可以不用束缚于信号名而灵活应用。(白皮书:普通数据通信时V-by-One® HS的活用 参考)

高画质化也一并提升了传送速度

此外还有一点不能忽视的是液晶电视的数字接口所具备的高速的数据传送速度。液晶电视的高画质化正在加速进行,与之相伴而来的对接口的数据传送速度的要求也急速提高。具体的可以分为高分辨率化与高帧率(HFR)化、高动态范围图像(HDR)化这3种,正在同时进行。

其结果就使接口的数据传送书读达到了一个极高的水平。比如4K、60帧/秒、10Bit RGB的图像信号时,V-by-OneⓇ HS所需的处理能力为24GBit/秒。V-by-OneⓇ HS是通过3GBit/秒×8lane来实现这一高速接口的。「但用户已无法满足于60帧/秒。比如在大屏幕上观看足球比赛转播时,60帧/秒会使足球看起来糊糊的;但120帧/秒就会很清晰,更能增强临场感。」(THine)。4K、120帧/秒、10Bit・color时,处理能力就要达到2倍的48GBit/秒。

此外对于分辨率,全世界正在转向8K。在日本国内,NHK已经开始了可对应8K的试播放。8K的话V-by-OneⓇ HS在60帧/秒・10Bit・color时就要达到96GBit/秒的处理能力;120帧/秒・10Bit・color时需要达到192GBit/秒。

已可对应16GBit/秒×16lane

THine Electronics已经确立了对应8K、120帧/秒的图像信号的方案。那就是V-by-OneⓇ HS的次时代版--「V-by-OneⓇ US」。其1lane最大的数据传送速度可达V-by-OneⓇ HS的4倍即16GBit/秒。捆扎16lane后就能对应8K、120帧/秒的图像信号。此外,色深度在12Bit・color时1lane可达14.85GBit/秒、10Bit・color时为11.88GBit/秒。

也就是说这些事实意味着THine Electronics已经确立了16GBit/秒×16lane的通用接口技术。这种高速传送的物理层技术不光是在液晶电视的数据接口上,在需要通过较长的线缆进行图像传送以及在A点与B点间高速连接并传送数据的接口上也能直接专用。

活用FFE、CTLE、DFE

那么V-by-OneⓇ US是使用怎样的物理层技术来实现这一高速化的呢?基本上是通过使用在10~28Gbps带宽的数据通信用途的SerDes或重定时器(CDR)上普遍使用的复数信号调节技术来实现的。发信回路(传送器)上适用FFE(Feed-Forward Equalizer);收信回路(接收器)上适用DFE(Decision Feedback Equalizer)和CTLE(Continuous Time Linear Equalizer)(图3)。
 
图3 发信回路上适用FFE、收信回路上适用CTLE和DFE的信号调节技术

这里简单个别说明一下这些技术。传送器上使用的FFE包含信号还原和预加重功能,但实际上是一种可以进行更细微的波形调整的技术。在发信端就预先会在传送路径中衰减的高周波成分。具体而言,准备基于多个延迟(Delay块)的各抽头,在每个UI(单元间隔)中用各抽头的任意系数(比率)将放大或衰减后的信号在⊕部上相加并输出(图4)。
 
图4 FFE(Feed Forward Equalizer)的组成

这样一来不光能加重波形,还能作出包括前置尖头信号在内的任意的发信波形,在收信端设定扩大EYE的时间轴方向开口。

收信侧的CTLE在日语中被称为连续时间直线均衡器;是一种增幅并补偿在传送路径中丢失的高周波成分的技术(图5)。也就是说具有补偿传送路径的低通滤波器特性的高通滤波器和增幅器的功能。
 
图5 CTLE(Continuous Time Linear Equalizer)的组成

接收侧适用的另一种技术--DFE则是一种消除接收端波形符号间干涉(ISI:Inter Symbol Interference)的振动的技术。与FFE相同,会在收信信号内准备多个延迟信号(抽头)(图6);然后为了使收到的波形与理想波形间误差减少到最小,在每个UI中求出各抽头的系数,再反馈到收信信号中。这样就能降低振动,使波形回到EYE开口比较大的状态。
 
图6 DFE(Decision Feedback Equalizer)的组成

另外, CTLE与DFE的作用分担上来说,针对EYI完全闭合后的收信波形,首先使用CTLE处理后使EYE打开到一定程度;之后再使用DFE进一步降低振动,使EYE开口更为扩大。

与FFC/各连接器生产商共同开发V-by-OneⓇ US传送回路

THine Electronics不仅只停留在开发V-by-OneⓇ US芯片上,在高速数字接口传送回路(信号通过)的柔性扁平线(FFC)与连接器的生产厂商进行协作。与FFC厂商与连接器厂商一起致力于宽带化的技术开发,已经确立了能将16GBit/秒×16lane的数据传送1m以上的传送回路技术。

这一宽带FFC使用的材料与构造是最合适的。材料上采用介质损耗(tanδ)与介电常数(εr)都很小的材质,能提高基本的损耗特性;此外在传送回路的W(宽)・S(面积)・T(厚)的排布(图7)上下足了工夫,将传送损耗、反射损耗、交调失真都控制到最小。
 
图7 对应16GBit/秒的FFC的基本构造(双面镀银型)

在插座・连接器上也在延用现有产品的形状的基础上,改善与基板焊接的部位;改善金属部分;调整连接器内部配线长度等来确保电阻抗,降低高速时的信号反射。

但是构建16GBit/秒×16lane的通用接口所面临的课题仍然存在。这就是设计实装对应V-by-OneⓇ US的芯片和连接器的打印基板。THine Electronics很难介入这一基板的设计。这是用户方面需要进行的作业。THine Electronics认为:“打印基板的材质与层次构造会大幅度影响到电力上的特性,所以必须注意高速信号的布线图;且控制各部件之间连接点的电阻抗也很重要”。

着手开发次时代次元件

现在THine Electronics正在致力于比V-by-OneⓇ US的传送速度还要大上很多的次时代元件所需的核心技术开发。通过扩充面向高速接口的产品线,力求巩固「高速接口THine」这一企业形象。

传送速度快的元件产品化会产生极大的冲击。其理由有2点:1、可以宣扬企业高超的技术能力。企业形象再机上高超的技术能力,会使企业在高速接口市场上的知名度大幅提高。

另1个理由是潜在市场的規模更大。现金的通信公共基础市场和数据中心市场上具有更高传送速度的接口技术需求已经在提高。通信公共基础市场现在要求能对应5G(第5代),要求影响信号等需要无延迟地传送。数据中心市场上,AI(人工智能)处理器与GPU等的运算处理能力非常高,要求芯片间的数据传送也需具有很宽的带宽。

大幅超越每lane16GBit/秒的元件实用化有可能会是使我们的企业形象从「液晶电视的THine」向「高速接口的THine」切换的绝佳时机。
 

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