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이번 포스팅 주제는 LVDS 전송 거리(Transmission Distance) 입니다.
즉, LVDS로 유효한 데이터를 전송할 수 있는 거리가 얼마인지 알아보겠습니다.
그리고 몇 미터부터 Buffer/Repeater(버퍼/리피터)가 필요한지도 알아보겠습니다.
★ 먼저 말씀드립니다. ★
아래에 제가 설명드리는 내용은 LVDS와 관련된 참고 자료를 바탕으로 기술합니다. 그리고 개인적인 경험을 공유하므로 틀린 점이 있을 수 있습니다.
항상 이점 참고해 주시기 바랍니다.
간단하게 LVDS가 무엇인지 알아보겠습니다.
◆ LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)는 무엇일까?
LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)는 저전압 차동 신호입니다.
LVDS의 350 mV 일반적인 Signal Swing은 적은 양의 전력만을 소비합니다.
LVDS의 데이터 전송 속도 3.125 Gbps까지 지원합니다.
| Maximum Data Rate | 산업 표준 | |
| LVDS | 3.125 Gbps | TIA/EIA-644 |
| LVPECL | 10+ Gbps | - |
( bps: 1초 간에 몇 비트를 전송할 수 있는지를 나타내는 단위 )
LVDS는 전자기기 간 디지털 신호를 전송하기 위해 사용되는 기술입니다. 데이터를 두 선간 전압차로 전송하여 고속 및 노이즈에 강한 통신이 가능합니다. LVDS는 일반적으로 전자 제품의 디스플레이 인터페이스 및 데이터 전송과 같은 응용 분야에서 사용됩니다.
◆ Buffer/Repeater(버퍼/리피터)는 무엇일까?
Buffer와 Repeater도 잠시 알아보겠습니다.
▶ Buffer (버퍼)
Buffer는 프로그래밍에서는 신호를 저장하고 전달하는 장치입니다. 신호의 전송 속도가 데이터 처리 속도보다 빠를 때, buffer를 사용하여 신호를 일시적으로 저장하고 처리 속도에 맞게 전달할 수 있습니다.
아날로그 회로 설계 관점에서 말씀드리면 Loading effect를 최소화하는 전압 이득이 1인 '완충 회로'입니다. 일반적으로 Analog Buffer or Voltage Follower로 부릅니다. 사용하는 이유는 신호를 손실 없이 전달하기 위해서입니다. 그리고 왜곡(Distortion)도 방지할 수 있습니다.
▶ Repeater (리피터)
Repeater는 네트워크 장비에서는 신호를 재생성하여 잡음을 제거하는 장치입니다. 신호의 전송 거리가 길거나 전송 과정에서 손실이 발생할 때, repeater를 사용하여 신호를 재생하여 원거리 전송을 할 수 있습니다.
고속 신호 회로에서는 신호를 전송할 경우에 여러 가지 환경 및 구성에 따라 신호 왜곡이 발생해 신호 무결성(signal integrity)에 영향을 받습니다. 신호 왜곡을 개선하기 위해 Repeater를 사용하여 고속의 신호의 품질을 개선하고 유지할 수 있습니다.
엄밀하게 따지면 Buffer와 Repeater는 차이점이 있습니다.
다만, 저는 이번 포스팅에서는 Buffer와 Repeater를 같은 개념으로 보겠습니다.
이유는 임베디드 시스템 HW 설계 관점에서 사용하는 집적회로(Integrated Circuit)는 Buffer와 Repeater 기능이 같이 포함된 부품들 많기 때문입니다. 그리고 Buffer와 Repeater 모두, 신호의 품질과 전송 거리를 향상하는 데 사용합니다.
◆ LVDS 전송 거리(Transmission Distance)
일반적으로 알려진 LVDS 전송 거리는 몇 인치(1inch = 2.54cm)에서 수 미터까지 거리를 두고 사용할 수 있습니다. 수 미터는 데이터 속도와 환경에 따라 다르겠지만, 신호의 왜곡과 감쇄가 없다는 조건하에서 입니다.
참고로 장거리 전송 선로를 구동하도록 특별히 설계된 장치를 사용하면 수십 미터에서 심지어 수백 미터까지 데이터를 전송할 수 있습니다.
◆ LVDS, 몇 미터부터 Buffer/Repeater가 필요할까?
본 포스팅의 주요 주제인 LVDS는 그럼 몇 미터부터 Buffer/Repeater가 필요할까?를 알아보겠습니다.
아래에 말씀드리는 내용은 임베디드 하드웨어 설계 관점에서 말씀드립니다.
LVDS가 어떻게보면 엄청나게 빠른 고속 신호는 아니지만, 그래도 고속 신호 관점으로 보겠습니다.
고속 신호를 설계 해보신 분들은 아시겠지만, Chip-to-Chip으로 회로를 연결할 경우에 신호가 짧을수록 좋
습니다.
개인적인 설계 경험을 말씀드리면, 하나의 PCB에서 IC에서 FPGA까지 LVDS 데이터 속도가 1Gbps 경우에 위 그림처럼 연결 길이가 9cm이라도 신호 무결성(signal integrity)에 문제가 없었습니다.
또 다른 설계 경험을 공유하자면 보드가 분리된 경우에 LVDS 인터페이스를 연결했던 경우입니다.
다른 PCB에서 또 다른 PCB까지 LVDS 케이블로 연결하여 IC에서 FPGA까지 총길이가 70 ~ 80cm로 데이터 속도가 최대 300Mbps로 설계한 경우입니다. 이런 구성에서도 신호 무결성(signal integrity)에는 문제가 없었습니다.
저의 개인적인 경험만 보자면 Buffer와 Repeater가 필요 없다고 생각할 수도 있습니다.
다만, 하드웨어 설계를 진행하게 되면, 설계를 어떻게 하느냐에 따라 다르기 때문에 Buffer와 Repeater가 필요할 수도 있습니다.
그래서 Buffer와 Repeater가 필요한 경우는 이렇습니다.
1. Cable을 사용하여 전송 거리가 긴 경우
다른 LVDS 자료들을 참고해 보면 전송 거리가 15~20 미터 거리일 경우에는 Buffer와 Repeater를 사용하라고 권장합니다. 개인적인 생각도 회로 길이가 길수록 Buffer와 Repeater 사용은 필수라고 생각합니다.
그러나, 애매한 수 미터 이내에서는 Eye diagram로 알려진 Eye pattern을 확인 후에 문제가 없다면 사용은 필요 없다고 생각합니다. Eye pattern에 문제가 있으면 당연히 Buffer와 Repeater를 사용해야 합니다.
2. Backplane으로 연결되는 경우
Backplane은 여러 개의 PCB를 함께 연결하여 시스템을 구성하는 데 사용됩니다. 위 그림처럼 큰 PCB끼리 구성되면 회로 길이가 일반적으로 길어집니다.
Connector를 이용하여 PCB들이 연결될 경우에는 'stub length' 문제로 신호의 왜곡이나 감쇄가 발생할 수 있습니다. 그러므로, Buffer와 Repeater를 사용하여 신호의 품질을 개선하거나 보정을 해야 합니다.
제가 생각하는 종합적인 결론은 LVDS 전송 길이가 애매한 경우에는 Buffer/Repeater를 사용하지 말자입니다. 물론, 전제 조건은 신호 무결성(signal integrity)에 문제가 없는 경우입니다. 다만, 제품 원가 측면에서 문제가 안된다면 Buffer/Repeater를 사용하는 게 제품 신뢰성 측면에선 확실히 좋습니다.
이번 포스팅에서는 LVDS와 Buffer, Repeater를 알아보았습니다.
일부 누락된 정보가 있을 수 있으니, 궁금한 점이 있으신 분들은 댓글을 부탁 드립니다.
항상 제 블로그를 방문해 주시는 분들에게 감사의 인사를 전합니다.
읽어주셔서 감사합니다.
참고 자료 - 출처
- Hundreds of Megabits@Hundreds of Meters: Extending the Transmission Length for LVDS
- LVDS Owner’s Manual