임베디드 비디오 인터페이스의 간소화
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임베디드 비디오 인터페이스의 간소화
  • CCTV뉴스
  • 승인 2010.08.31 00:00
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산업용 검사 장치, 감시 및 의료기용 디스플레이 등과 같은 산업용 비디오 시스템에서 고해상도 비디오 데이터를 소스에서 프로세서나 디스플레이로 전송하는 과제에 직면하고 있다. 현재 솔루션(Camera Link, GigE Vision, 기타 LVDS 인터페이스)이 산업 시장을 잘 지원하고 있지만 긴 케이블을 통한 안정적인 고속 데이터 전송에 수반되는 몇몇 장애에 부딪히고 있다. EMI 증가는 때로 데이터 전환율 상승으로 이어진다. 그리고 시스템 비용과 설계 복잡성을 최소화를 추구하는 열망은 한결같다. 

본 고에서는 향상된 데이터 속도의 임베디드 비디오 인터페이스로 전환하는 데 따른 설계 과제를 검토하고 몇 가지 솔루션을 제공하고자 한다.
 
일반적 산업용 비디오 애플리케이션에 대한 과제
몇 가지 일반적인 애플리케이션을 검토해 보면, 산업용 검사 장치 시스템은 디지털 카메라에서 캡처한 이미지 데이터를 원격리에 있는 저장 장치로 전송해야 한다. 데이터 전송률은 해상도, 비트 심도, 이미지 캡처 프레임 속도 등의 영향을 받는다. 향상된 해상도 및 비트 심도 이미지는 복잡한 분석에 요구되는 상세한 정보를 제공하기 위한 것이다. 이러한 이미지는 형상이 축소되고 정밀 검사가 요구되는 전자 검사 장비 등의 용도에 필수적이다. 빠른 프레임 속도는 전체 검사 처리량을 개선하는 데 좋다.

오늘날 산업용 검사 장치 시스템은 일반적으로 Camera Link 표준에 따라 지정된 통신 인터페이스를 사용한다. 2000년 10월에 공포된 이 중요한 표준은 수 년 동안 검사 장치 산업을 성공적으로 지원해왔다. 인터페이스는 여러 병렬 차동 직렬화 데이터 쌍(7:1 비율)과 병렬 차동 클럭 하나로 구성된다. 그림 1은 일반적인 Camera Link 인터페이스를 보여주고 있다.
  

그림1. Camera Link 인터페이스


그림2. 병렬 LVDS 데이터 및 클럭
                                        
저전압 차동 신호 전송(LVDS)에서 7:1 직렬화 방식은 많은 애플리케이션에 효율적이며 강력한 통신을 지원한다. 그러나 증가된 처리량과 거리로 기술을 확장할 때는 몇 가지 제약과 과제가 뒤따른다. 클럭 속도와 거리가 증가할 때 차동 클럭과 데이터 쌍의 병렬 성향은 케이블간을 영향을 주는 스큐에 민감하다. 카메라 링크 수신기에서 별도 클럭 채널을 사용해 데이터를 샘플링하기 때문에 적절한 설정과 둘 사이 관계를 유지하는 것이 중요하다. 상호 연결 길이가 증가하면서 인터 페어 스큐가 증가하고 마진이 초과될 수 있다. 스큐를 최소화하기 위해 등급이 높고 값비싼 케이블 및 커넥터 솔루션이 필요할 수도 있다.

이미지 소스(영상 기기 또는 그래픽 컨트롤러에 보유된)와 디지털 디스플레이 간 연결이 있는 산업용 디스플레이 시스템도 비슷한 과제를 안고 있다. 검사 시스템과 마찬가지로, 데이터 속도 증가와 픽셀당 24비트 속도에서 트루 컬러로까지 향상된 색 농도를 요구하고 있다. 더 중요한 것은 감시 및 의료 애플리케이션에 유용한 정밀성을 제공하는 고화질(HD) 해상도 이상으로 전환이다.

Camera Link에 사용된 것과 유사한 병렬 LVDS 솔루션도 같은 종류의 케이블 스큐 제한에 부딪히고 있다. 데이터 속도가 증가하면서 스큐 마진이 더욱 감소되고 최대 케이블 길이가 단축된다.

임베디드 클럭 인터페이스를 사용하면 인터 페어 스큐 제한이 제거된다. 하나의 차동 쌍을 통한 전송을 위해 모든 데이터와 클럭이 암호화되어 직렬화된다. 디시리얼라이저는 직렬 스트림을 수신한 후, 클럭 및 데이터 복구(CDR) 회로를 사용하여 클럭 및 데이터 신호를 추출한다. 

 

그림 3. 직렬화된 임베디드 클럭 인터페이스 예-내셔널 세미컨덕터 Channel Link II
 
직렬화된 솔루션은 스큐 문제를 제거 외에 몇 가지 다른 이점도 제공한다. 단 하나의 차동 쌍 구동으로 상호 연결 미디어의 전체 크기가 감소된다.

즉, 소형 케이블과 커넥터를 사용하여 PCB에서 커넥터 점유 공간을 최소화하고 더 좁고 유연성 높은 인터페이스를 허용할 수 있다. 케이블 어셈블리에 사용된 쌍의 수를 줄이고 엄격한 스큐 허용 오차 제약을 제거하면 저렴한 케이블을 사용할 수 있다.

직렬화된 인터페이스로 전환은 시스템 설계에 매우 긍정적인 영향을 준다. 그러나 임베디드 클럭 방식을 설계할 때 처리해야 할 고려 사항이 몇 가지 있다. 맨 처음 고려할 사항은 차동 쌍에서 데이터 속도가 현재 매우 높다는 사실이다. 네 쌍을 통해 전송했던 데이터가 이제 한 쌍만으로 전송되므로 데이터 속도 증가율은 대략 4x이다. 
 
설계를 간편하게 하는 기법
이제 설계 작업을 간편하게 해주며 강력하고 비용 효율이 높은 솔루션을 사용할 수 있는 다양한 기능 및 기법과 더불어 인터페이스 속도 증가에 따른 고려 사항에 대해 살펴보자.

이와 같이 증가된 데이터 속도에서는 신호 무결성이 더욱 중요해진다. 이제 클럭과 데이터 정렬은 문제가 아니지만 직렬화된 데이터 스트림 내 비트별 눈의 크기(Eye Opening)가 문제가 된다. 케이블을 따라 데이터가 이동하면서 감쇠 효과, 지터 및 인접 신호 간섭(ISI) 때문에 신호가 저하된다. 신호가 올바로 수신되려면 디시리얼라이저로 입력에 해당하는 케이블 종단에서 데이터 ‛아이 열림'이 중요하다.

케이블 이퀄라이제이션과 디앰퍼시스는 신호 저하 과제에서 다뤄야 할 두 가지 특성이다. 이퀄라이제이션 효과는 케이블 종단에서 차동 클럭 신호의 데이터 아이 ‛재 오프닝' 이다.  이퀄라이저는 케이블의 감쇠 곡선에 반비례하는 하이 패스 필터 및 게인 곡선을 적용한다. 이퀄라이저의 게인을 프로그램하는 기능은 다양한 종류와 길이의 케이블 환경에서 성능 최적화에 필요한 조정을 지원한다. 이 회로는 별도 회로이거나 디시리얼라이저의 입력에 내장할 수 있는 회로이다.
 

그림4. 이퀄라이제이션 적용 전(왼쪽)과 이퀄라이제이션 적용 후(오른쪽) 10m 케이블 이후 아이 열림
 
신호 디앰퍼시스라는 두 번째 기법은 인접 심볼 간섭(ISI)의 영향을 처리한다. 전송 중인 데이터 패턴에 따라 케이블에 전하가 축적될 수 있고, 그 결과 반대 상으로 신속한 전환에 장애가 된다. ISI는 신호 진폭의 손실을 초래하며, 0이 계속되는 중에 "1"이 하나인 스트링과 같은 단일 비트를 전송할 때 특히 두드러진다. 이러한 단일 비트 천이 에너지는 케이블에 축적된 전하를 상쇄하기 부족하므로 디시리얼라이저 입력에서 신호의 눈이 닫힌다.

디앰퍼시스는 초기 데이터 전송이 완료된 후 케이블에 발생된 출력 전압을 감소시킨다. 그로 인해 케이블에 축적된 전하 및 관련 dc 오프셋이 최소화되며, 새로운 상으로 신호 천이가 쉬워진다. 상호 연결 특성에 맞춰 결과를 최적화하기 위해 디앰퍼시스 레벨을 조정할 수 있어야 한다. 
 
      
그림 5.  디앰퍼시스 적용 전(왼쪽)과 디앰퍼시스 적용 후(오른쪽) 10m 케이블 이후 아이 열림
 
EMI -공통적인 문제
사용하는 인터페이스 종류(기존 방식 또는 직렬화된 방식)에 관계없이 모든 시스템에 공통적인 과제는 EMI 감소이다. 해상도와 색 농도가 증가하면서 전환하는 채널 개수와 에지 속도가 증가하여 방출량 증가를 초래한다. 이는 LVDS 및 광범위한 채용을 시작으로 여러 영역에서 문제가 될 수 있다. LVDS는 일반적인 병렬 비디오 인터페이스(데이터 쌍 4개 + 클럭 쌍 1개)를 사용하며 직렬화된 임베디드 클럭 솔루션에서도 사용된다.

그러나 소스 및 싱크 장치(프레임 그래버 또는 디스플레이)에 연결할 때는 LVCMOS 인터페이스를 사용할 수 있다. 병렬 LVCMOS 출력 버스는 전자파 방출 '주요 발생지'로 악명이 높다. 이러한 출력 전환에 따른 에너지를 최소화하고 가능하면 이러한 에너지 스펙트럼을 분산시키는 것이 중요하다. 병렬 출력 전환 속도가 증가함에 따라 에지 속도를 증가시켜야 한다. 출력 전송은 필요한 전환 주기와 출력 부하를 지원할 수 있는 수준으로 낮아야 한다. 프로그램 가능한 출력 방식의 디시리얼라이저가 이러한 유연성을 제공한다.

에너지 스펙트럼 분산은 최고 방출을 감소시키는 데 일반적으로 사용되는 방법이다. 경우에 따라 소스가 분산 스펙트럼 클럭을 제공하기도 한다. 이점을 극대화하려면 선택한 시리얼라이저와 디시리얼라이저가 이러한 클럭 변조를 추적할 수 있어야 한다. 소스에서 분산은 지원되지 않는 경우가 있다. 따라서 출력 '주요 발생지'에서 방출 감량을 위해 자체 분산 스펙트럼 출력을 생성할 수 있는 디시리얼라이저를 사용하는 것이 좋다.

EMI 감량 특성이 있는 칩셋을 사용할 때에도 모범적 PCB 설계 사례를 따라야 한다. 
 
직렬화된 비디오용 솔루션
내셔널 SerDes 칩셋의 Channel-Link II 제품군은 직렬화된 비디오 인터페이스 구현을 지원하기 위해 개발되었다. 최대 클럭 주파수 75MHz가 HD 720p 비디오를 가능하게 한다. 최고 24비트 데이터, 수반되는 비디오 동기화 신호 및 비디오 픽셀 클럭이 단일 저전압 차동 클럭 출력과 직렬화된다.

이 칩셋은 신호 처리를 위해 조정 가능한 디앰퍼시스 및 이퀄라이제이션을 제공한다.

데이터 난수화 및 스크램블링과 더불어 독점 기술인 dc 균등 인코딩 방식이 반복 패턴으로 존재할 스펙트럼 내용을 분산시켜서 ISI를 최소하하고, 링크에서 방출을 감량한다. 시리얼라이저와 디시리얼라이저는 모두 업스트림 장치에서 분산 스펙트럼 클럭킹을 이용하고 자체 생성 분산 스펙트럼 클럭을 제공하기 위해 개발되었다. 추가적인 EMI 감량 특성에는 병렬 출력 드라이버의 감소된 구동력과 스태거드형 스위칭이 포함된다. 모든 부품이 입력 인터페이스가 비활성일 때 저전력 모드로 전환되는 '자동 절전' 기능을 제공한다.

LVCMOS 또는 LVDS(4 데이터 + 1 클럭)와 병렬 버스 연결이 가능하다. 이러한 LVDS 인터페이스는 내셔널의 28비트 Channel Link 제품과 동등하며, 이미지 소스, 프레임 그래버 또는 디스플레이 컨트롤러에 통합 LVDS가 통합된 사용하기 쉬운 업그레이드 경로를 제공한다.

대역폭 상승과 케이블 연장이 요구되는 시스템에는 내셔널의 FPGA-Link 솔루션이 이상적이다. 싱크와 소스에서 비용 효율이 높은 FPGA와 결합을 통해 30m 길이 케이블에서 최고 3.125Gbps의 데이터 속도에 도달할 수 있다. 디시리얼라이저는 데이지 체인 싱크를 구동하는 타이밍 조절된 직렬 출력을 특징으로 하는데, 타일드 디스플레이 애플리케이션에서 특히 유용하다. 

   
그림6. 비디오 인터페이스 비교
 
임베디드 비디오 시스템에서 직렬화된 인터페이스를 채용하면 성능과 비용 측면에서 모두 유리하다. 성공적인 구현을 위해서는 모범적 설계 사례와 기법이 중요하다. 내셔널의 Channel-Link II와 FPGA-Link 칩셋은 신호 조절과 직렬화된 인터페이스를 제공하여 스큐 문제를 최소화하고 좁아지고 연장된 케이블을 사용할 수 있도록 지원한다. EMI 감량 특성과 매우 다양한 소스 및 싱크 장치들과 호환성이 사용하기 쉽고 강력한 솔루션을 제공한다.



수 포니아토스키(Sue Poniatowski) 애플리케이션 엔지니어
내셔널 세미컨덕터 코퍼레이션




 

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