LCD 애플리케이션이 종래와 다른 연산 및 소비가전 애플리케이션으로 확산되면서 현 세대의 LCD용 임베디드 디지털 인터페이스에 새로운 기술 문제가 가중되기 시작했다. 가장 일반적인 임베디드 디지털 인터페이스인 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)는 운송(자동차, 항공) 및 산업 시장 등 특정 애플리케이션 부문을 지원하는 데 있어서 이제 유효 수명이 끝나가고 있다. 이러한 기술적 문제를 충족시키고 극복하기 위해 새로운 인터페이스 칩셋이 개발되었다. 이 인터페이스 칩셋은 LVDS와 “유사한” 전기적 특성을 갖지만, 임베디드 클록킹 구조와 넓은 데이터 직렬화 비율(serialization ratio)을 통해 획기적으로 인터커넥트 수를 줄인 뿐만 아니라 긴 케이블 드라이브와 AC 커플링을 지원할 수 있다. 여기에서는 이 개발이 갖는 중요성을 염두에 두고 요구사항과 문제점을 세부적으로 검토해 볼 것이다.

문제점
운송 및 산업 시장 내에서 (디지털과 아날로그를 아우르는) 디스플레이 인터페이스를 위한 일련의 표준 요건으로 다음과 같은 요구사항이 등장했다.

• 인터커텍트 수 감소
• 넓은 온도범위 지원: -40℃~105℃
• 갈바닉/전기 절연(AC 커플)
• 긴 케이블 드라이브 지원: 최대 10m

상용 전기 또는 컴퓨팅 애플리케이션의 경우와 마찬가지로, 디지털 인터페이스를 통해 전반적인 시스템 비용을 줄이고 전면 패널 이미지 품질이 획기적으로 개선될 수 있다. 따라서 디지털 인터페이스(LVDS 및 HDMI)는 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다.
인터커넥트 수 감소가 전체 시스템 비용의 절감으로 이어지는 것은 당연하다. 인터커넥트 수가 감소됨에 따라 제한된 공간에서 디스플레이 시스템의 배선과 조립을 하기가 훨씬 쉬워진다. 특히, 인터커넥트 수의 감소로 인해 섀시를 통한 인터페이스 및 기타 전기 부품 배선이 쉬워진다는 이점이 있다.
자동차 및 산업 애플리케이션은 날씨 변화가 심한 옥외 환경에 노출되기 때문에 (정격 대역폭에서 -40℃~105℃의 극한 온도 범위가 아니라 하더라도) 매우 넓은 온도범위에서 안정적으로 작동할 수 있어야 한다.
인터페이스의 AC 커플링을 통한 갈바닉/전기 절연은 여러 가지 이점을 제공한다. 인터페이스 하드웨어 관점에서 AC 커플링은 서브시스템을 전기적으로 서로 절연시켜 준다. 이 절연을 통해 많은 운송 관련 환경(예: 자동차, 항공 및 열차)에서 볼 수 있듯이 인터페이스는 여러 가지 접지 전위차 수준에서 더 큰 네트워크 내의 여러 서브시스템과 상호작용할 수 있다. 이 전기 절연의 또 다른 이점은 디스플레이 서브시스템 내의 전력 공급장치에 인터페이스의 단락 보호 기능을 추가로 제공한다는 점이다. 특히, 단락 보호는 배터리로 작동하는 시스템에서 반드시 “필요한” 기능이다. AC 커플링의 또 다른 중요 이점은 인터페이스가 실리콘 프로세스 전압/형상과 독립적으로 작동할 수 있다는 것이다. 가령 소스 인터페이스가 1.8V의 프로세스 전압으로 작동하거나 싱크가 3.3V의 실리콘 프로세스 전압 형상(geometry)에서 작동하는 경우를 들 수 있다. 긴 케이블 길이 드라이브 지원은 또 다른 중요한 요구사항이다. 소스(그래픽 프로세서, DSP 및 프로세서)와 싱크(디스플레이 또는 LCD)가 최대 10m이상 떨어져 위치할 수 있는 애플리케이션은 신호 복구나 전기 버퍼링을 위한 추가적인 전기 부품 없이 10m 이상을 지원하는 인터페이스 기능이 반드시 필요하다. 가령 자동차 시트 엔터테인먼트 시스템, 기내 엔터테인먼트 시스템, 버스나 기차 운송 시스템의 인포테인먼트 시스템에서는 디스플레이가 모두 해당 소스에서 원격 위치에 있어야 한다.
이러한 요구를 충족시키기 위해 LVDS SERDES 칩셋 DS90C2411과 DS90C1241가 개발되었다.

SERDES의 특징
LVDS SERDES 칩셋은 24비트 병렬 CMOS/TTL 레벨 데이터와 그래픽 또는 비디오 소스로부터 이 데이터와 관련된 클록 소스를 수신한다. 데이터와 클록은 싱글의 차동 페어를 통해 직렬화된다. 24비트의 데이터를 디스플레이 컬러 데이터의 조합(총 18비트 또는 6비트/컬러) 및 컬러 신호(Hsync, Vsync 및 Data Enable)에 사용할 수 있으며 840Mbps의 결과 대역폭(resultant bandwidth)에 대해 5MHz~35MHz(향후 최대 65MHz)의 주파수가 지원된다.
인터페이스의 소스 및 싱크 쪽 모두의 각 차동 페어(그림 1 참조) 구간/라인에 콘덴서를 적용함으로써 효과적으로 인터페이스 링크의 AC 커플링을 얻을 수 있다. 콘덴서는 연결된 선에서 DC 레벨 바이어스를 효과적으로 차단하므로 서로 간에, 그리고 각 전력 공급장치에 대해 싱크와 소스를 격리시킬 수 있다. 이러한 콘덴서를 통해 DC 레벨을 차단하면 높은 주파수(1MHz 이상)의 스위칭 되는 내용만 전기적 물리 인터페이스 링크를 통과하도록 할 수 있다. 이 때 차동 레벨에서 전환되는 실제 직렬화된 신호 자체는 LVDS 전기 레벨(+/- 350mV)과 비슷하다. 이 낮은 차동 전환 레벨 때문에 다른 인터페이스에 비해 상대적으로 전력과 EMI 수준이 낮아지게 된다.


[그림 1] 2선 시리얼 인터페이스


[그림 2] 직렬화 구조 및 프로토콜


축소된 인터커넥트

이 새로운 인터페이스는 상당히 축소된 인터커넥트를 얻기 위해  다음의 두 가지 방법을 사용한다.

• 임베디드 클록
• 넓고 큰 직렬화 비율

최대 24비트의 병렬 데이터 플러스 클록이 시리얼라이저(DS90C241)의 입력으로 제공되며 시리얼라이저는 병렬 데이터를 간단한 저가 구리 인터커넥트 쌍(2선)을 통해 차동 전송될 수 있는 직렬화된 구조(24:1)로 변환한다. 병렬 데이터 외에 클록(CLK1 및 CLK0) 및 DC 밸런싱과 링크 무결성에 필요한 기타 오버헤드 비트(DCB 및 DCA)도 실제 데이터 비트를 사용하여 직렬화된다(그림 2 참조). 데이터와 함께 클록을 내장시키면 데이터와 클록이 디시리얼라이저 측에서 복구될 때 후속 데이터 오류를 일으킬 수 있는 클록 대 데이터 마진 차이 문제를 없애주는 이점이 있다.

임의 데이터 잠금 및 핫플러그
일반적인 인터페이스 솔루션의 디시리얼라이저는 내장된 클록 신호를 인식하거나 디코딩 하기 위해 레퍼런스 클록이 있어야 하지만 내셔널 세미컨덕터의 디시리얼라이저 아키텍처는 클록 레퍼런스를 사용하지 않고도 랜덤한 데이터 패턴(RDL, 랜덤 데이터 잠금)으로 Lock을 할 수 있는 기능을 가지고 있다. RDL 기능은 또 다른 이점인 “핫플러그”도 지원한다. 핫플러그 기능은 디시리얼라이저를 직렬화된 데이터 스트림 포스트 어설션(assertion), 디어설션 그리고 케이블 연결과 분리로부터 발생할 수 있는 직렬화된 데이터 스트림의 어설션으로 다시 Lock을 할 수 있다. 이러한 상황에서 인터페이스는 인터페이스 링크의 특수 클록 트레이닝 패턴이나 특수 초기화 순서를 사용할 필요 없이 쉽게 다시 잠글 수 있다.

AC 커플링 및 DC 밸런스
전체 인터페이스 링크가 AC 커플링 방식이므로 인터페이스 링크는 자연스럽게 1 또는 0의 불안정한 밀도(unbalanced densities)의 결과로 발생할 수 있는 DC 레벨 전하에 민감하다. 연속된 1이나 0은 그 연결 부분에 잠재적으로 DC 레벨 전하를 형성하며, 이것은 한 상태(1 또는 0)에서 다른 상태로 변환되는 데이터 오류를 초래하기도 한다. 이 효과는 ISI(Inter-Symbol Interference, 신호 간 간섭)2로 알려져 있다 이러한 ISI 효과를 줄이기 위해 새로운 인터페이스 제품은 통합 DC 밸런싱 알고리즘을 사용한다.

긴 케이블 드라이브
1Gbps(또는 840Mbps)의 대역폭에서 최대 10m의 케이블 드라이브 길이를 지원하기 위해서는 케이블 끝에 깨끗하고 상대적으로 넓은 “아이 오프닝(Eye Opening)”이 있어야 한다. 이것이 수신기 및 디시리얼라이저가 안정적으로 데이터를 복구할 수 있도록 해주기 때문이다. 더 넓은 “아이” 오프닝과, 과도한 지터 및 케이블 유도 신호 손실을 억제해 주는 요소2는 그 밖에도 다양하다. 과도한 지터를 줄이거나 제거하기 위해 시리얼라이저 내에 정밀한 PLL(Phase Lock Loop)을 설계할 수 있다. 내셔널 세미컨덕터는 케이블 부하에 의해 유도되는 신호 손실을 극복하기 위해 직렬화된 데이터 스트림의 스위칭 전환 시 신호 오버드라이브/부스트인 프리앰퍼시스(Pre-Emphasis)2로 알려진 기법을 사용했다. 이 프리앰퍼시스 효과는 그림 3을 통해 확인할 수 있다. 이 프리앰퍼시스 기능을 통해 25MHz, 35MHz 및 42MHz의 주파수에서 최대 10m의 케이블을 사용하여 더 넓은 아이 오프닝을 얻을 수 있다.


              [그림 3] 프리앰퍼시스가 포함/제외된 10m 아이패턴

결론
지금까지 새로운 디스플레이 SERDES 제품을 통해 최대 SVGA(800×600)/42MHz의 해상도로 최고 10m 거리의 원격 디스플레이 애플리케이션(그림 4)에 적합한 디지털 디스플레이 인터페이스에 대해 설명했다. 이 인터페이스 아키텍처는 향후 XGA 이상의 높은 디스플레이 해상도를 지원하는 보다 높은 대역폭으로 쉽게 확장할 수 있다.


  [그림 4] 전형적인 애플리케이션: 뒷자석 인포테인먼트 및 내비게이션 디스플레이

참고문헌
[1] DS90C241 / DS90C124 Datasheet, National Semiconductor Corp.
[2] J. Goldie, “LVDS Goes The Distance”, SID 1999 Digest