К вопросу оценки ПЭМИН цифровых сигналов. TFT мониторы. Часть 2.

Автор: Кондратьев А.В.

Теперь самое важное!!! Учитывать (измерять ли) эти «боковые» или нет? Несут ли они информацию и о чём, собственно?

Со строго классическим подходом, исходя из всего вышеизложенного – да, несомненно несут информацию. О наличии пакетов импульсов. Не менее, но и не более. А для нас «информативной составляющей» является информация о КАЖДОМ отдельном импульсе. Ибо именно так сформулирована задача перехвата. То есть для синтеза потенциальным противником последовательности импульсов, причём каждого импульса в отдельности, вроде бы эти энергии («боковых частот») и не важны (не нужны), в нашей терминологии - неинформативны.

Однако информация об окончании одного пакета (одной строки растра) и начале следующей тоже необходима. Хотя бы для точной синхронизации с перехватываемым сигналом, что позволяет заметно улучшить отношение сигнал/помеха и, следовательно, вероятность распознавания каждого отдельно взятого кодового импульса.

Строгого математического анализа и количественной оценки информационного «веса» «боковых» составляющих такого сигнала делать здесь, в открытом материале, некорректно, поскольку однозначно будут затронуты вопросы нормирования.

Поэтому ограничимся постулированием «мнения» - всю энергию, включая «боковухи (существенной амплитуды) – в расчёт! Если и будет некая «излишняя энергия», так не недостаток, лучше «перезаложиться, чем «недоперепить» ;)

Кроме всего изложенного, отметим, что есть ещё и некие «боковые частоты», отсчитываемые от «строчных боковых», кратные частоте следования кадров, то есть ±60 Гц (в нашем примере). О них редко вспоминают, поскольку на экране анализатора их не видно. Как известно, для разделения двух, радом (по частоте) расположенных сигналов, анализатор должен иметь разрешение по частоте (для последовательного анализатора – «ширина» эквивалентной полосы пропускания) не хуже, чем половина «расстояния» между сигналами. В нашем случае анализ надо вести полосой не более 30 Гц (а лучше – ещё уже, около 10Гц).

Никто таким полосами СИ не ведёт, посему явление остаётся незамеченным. Но взяв приличный приёмник и очень длительный период анализа (физика последовательного анализа иного не допускает) всё описанное можно увидеть воочию. А при более широких полосах анализа все упомянутые «боковые» второго порядка просто автоматически суммируются (по энергиям) в нашем средстве измерения, собственно, что и постулировано выше, но визуально не разрешаются.

Что же, практически, следует из вышеприведённых выкладок для «сишника», ведущего измерения ПЭМИН таких вот, «пакетно-манипулированных» сигналов (а в вычислительной технике таких сигналов абсолютное большинство)?

А вот что:

1. Если измерения ведутся селективным прибором с эквивалентной полосой пропускания, большей, чем ±(2-4)F_бок, то, убедившись, что большего числа «боковух» захватывать смысла нет (из амплитуды спадают достаточно быстро), дальше так и измерять. Разве что следить, чтобы в такую, достаточно широкую полосу пропускания, не «затесалась» сторонняя помеха. Ну, это тривиально…

2. Если измерения ведётся с эквивалентной полосой пропускания, меньшей, чем ± 1/2F_бок, то, внимательно следить, чтобы «автомат» не пропускал, а измерял все существенные (критерий «существенности» приведён выше) «боковухи» и они (их энергии) попали бы в расчёт.

Ещё раз рассмотрим вопрос о том, какие же составляющие спектра тест-сигнала считать «информативными».

Полный анализ потребовал бы тут кучу формул, как раз из области спектрального анализа. И был бы малопонятен большинству. Что делать, в общепонимаемых, почти бытовых, терминах можно описать далеко не всё.

Отвечу лишь на пришедшие во время обсуждения темы на нашем форуме вопросы.

Цитата: «Основные "палки" спектра несут информацию о тактовой частоте, то есть о длительности импульса сигнала, приходящегося на один пиксель. В случае идеального меандра спектр будет состоять только из красных (см. рис. 4) "палок".»

«Палки» спектральной плотности, они же частотные составляющие не могут (см. выше) нести информации о длительности импульса. Длительность импульса определяет только ширину полосы частот всего спектра и ничего более. Информацию о тактовой частоте несут не сами гармонические составляющие, а расстояние по частоте между ними. И ни первое, ни второе для нас с Вами не информация! Как следует из вышесказанного нас с Вами интересует только ЭНЕРГИЯ однократного импульса, только то, что, будучи принятое ШИРОКОПОЛОСНЫМ приёмником, поможет решить «бинарную» задачу потенциальному противнику (было/не было).

Если понимать под «идеальным» меандром - меандр бесконечный, то в последнем утверждении автор цитаты прав. Но у нас-то сигнал «пакетированый» и иным быть не может. Поэтому от «боковых» никуда не деться.

В нашем, тестовом, режиме узкополосным приёмником вообще никакой информации получить невозможно. А иного нам не дано.

Поэтому рассуждения должны строиться по следующему алгоритму: Энергия конкретной составляющей спектра ТЕСТ-СИГНАЛА будет входить некой составляющей в гипотетическую энергию ОДНОКРАТНОГО сигнала и в силу этого, нужно или не нужно её учитывать. Обращу Ваше внимание, что для одного пикселя понятия «строка», «кадр» и т.д. можно применять только в контексте привязки его во времени, и не более. Энергия его ПЭМИН, самого «пиксельного» импульса, не имеет никакого отношения к частотам строк и/или кадров (не учитывая повторяемость информации, но это уже совсем иной аспект).

Спектр ОДНОГО импульса всегда сплошной. Результат накопления последовательности импульсов – неинформативна в принципе (при измерении «гармоник» узкополосным приёмником). Представьте себе, что некто с огромной скоростью произносит в произвольном порядке все буквы алфавита. Что Вы услышите? Некое среднее «гудение». Это и есть реальный ПЭМИН ;) А вот если «тянуть» долго одну гласную – это тест-режим (но информативности – никакой!). Громкость – одинаковая. Вот, примитивная, но аналогия. Мы измеряем – громкость! И то косвенно…

А, поскольку противник перехватывает именно широкополосным приёмником, то ВСЕ составляющие спектра сигнала будут им приняты и суммируются в приёмнике. Именно поэтому, с моей точки зрения, правильнее суммировать всё, что мы намеряем. Хотя не исключено, что некие «части» этой общей энергии противнику не помогут, а помешают. Но вот разбирательство с этим уже точно «за гранью» ;)

Вернёмся к утверждению, что «гармоник не существует», так как такая постановка вопроса для многих оказывается неожиданной и поступают вопросы на эту тему.

Прежде всего, вспомним, что математический аппарат анализа (прямое и обратное преобразования Фурье) лишь математическая абстракция. Как проводные линия, так и свободное пространство, в которых распространяется сигнал, линейны. И, в общем, частотно НЕ избирательны.

Рассмотрим, для начала линию и простейший прямоугольный импульс в ней. Наверное, не требует никаких особых доказательств утверждение, что каким этот импульс поступил на вход линии, таким же он появится на её выходе (нагрузке) – прямоугольным. Ничто в линии не превратит его из непрерывного, «П»-образного сигнала в некий «набор» синусоидальных составляющих, предусмотренных преобразованием Фурье.

И ещё один аспект. Напомним читателю, что в задаче перехвата постулируется принятие решения в отношении ОДНОГО двоичного разряда, то есть рассматривается апериодический сигнал. Строго математически к однократному импульсу-сигналу применение преобразования Фурье приводит к условиям, которые физически нереализуемы. Спектральный анализ, преобразование Фурье – это представление сигнала в виде суммы синусоидальных составляющих, то есть периодических функций. Апериодический сигнал можно описать только бесконечной суммой таких функций.

Мы, при помощи тест-режима, искусственно делаем наш сигнал ПЭМИН повторяющимся, то есть периодическим. Но тест-сигнал, а не реальный сигнал ПЭМИН!

Далее, рассмотрим, как и откуда при физической реализации, возникают эти самые «гармонические составляющие».

Как уже постулировано выше – в линии их нет. В пространстве – тоже. Рассмотрим это утверждение. Вспомним основные уравнения электромагнитного поля. Не углубляясь в «дебри» математического аппарата электродинамики, отметим, что в уравнения Максвелла ток или напряжение присутствуют только под знаком дифференциала. Физически сие означает, что поле излучения возникает тогда и только тогда, когда есть изменение во времени тока или разности потенциалов (отметим, что движение ПОСТОЯННОГО заряда тоже «изменение»).

Тогда, если рассматривать идеализированный «П»-образный (простейший) импульс (сигнал), то уровень его излучения пропорционален его первой производной. Прямой аналогией является прохождение такого сигнала через дифференцирующую цепочку (вот они, основы теории линейных цепей!) Графически это иллюстрируется просто (рисунок 5).

Таким образом, переход от сигнала в лини к сигналу «в эфире», моделируется обычной «диф-цепочкой». От этого он не становится ни периодическим (если он, изначально, однократный), ни каким-либо иным, что для нас весьма существенно. Происходит только изменение общей энергии и перераспределение её по спектру частот.

Итак, давайте порассуждаем, что и как происходит, когда вот такой, дифференцированный сигнал, существующий (движущийся в пространстве), попадает в антенну нашего приёмного устройства.

Прежде всего, договоримся какого именно приёмного устройства? Средства разведки или средства контроля? Если средства разведки, устройства широкополосного (по определению!), но с конечной полосой пропускания, то сигнал останется таким же по форме, «потеряв» несколько в ВЧ части спектра, что выразится в некотором «сглаживании острых углов», которые суть эти самые ВЧ-составляющие спектра.

При этом особо необходимо отметить, что после окончания одного сигнала в нашем «приёмном» устройстве, вполне понятно, не остаётся никаких «следов» этого, закончившегося сигнала. Каждый, отдельно взятый сигнал (импульс) проходит наш приёмник индивидуально и не взаимодействуя никак ни с предыдущим, ни с последующим. Самая наглядная иллюстрация – обычный осциллограф (рисунок 6).

Степень «затяжки» как фронтов, так и самого импульса зависит только от полосы пропускания приёмника. Чем шире полоса, тем меньше искажения сигнала. Совсем иная картина наблюдается при использовании узкополосного, селективного приёмного устройства, к классу которых и относится наш приёмник контроля.

Рассмотрим физику этого процесса. Простейшим эквивалентом селективного приёмного устройства является обыкновенный параллельный контур, то есть соединение катушки индуктивности и конденсатора (оставим в стороне потери, они нас мало интересуют сейчас).

Придётся вернуться в 9-й класс средней школы ;) Нижеприведённые графики иллюстрируют поведение нашего приёмника, его реакции на пришедший сигнал в разных вариантах (рисунок 3).

Предположим, что на «контур» (то есть на вход нашего приёмника) действует однократный короткий импульс (первый на графике «a», остальные, пока, не учитываем). Тогда сигнал на выходе будет иметь вид «b». Почему «синус»? Да потому, что никак иначе колебательный контур реагировать не может, в принципе. И спадающий, потому что контур с потерями, огибающая этого спадания – всегда экспонента.

Усложним модель и рассмотрим воздействие двух последовательных импульсов. Если второй из них приходит в противофазе к вынужденным колебаниям контура, то происходит вычитание энергий и, как следствие, «ноль» на выходе (вариант «с»).

Если второй (и последующие импульсы) приходит «в фазе», то получаем вариант «d» (с нарастанием амплитуды). До какой степени продолжается нарастание? А пока приходящая за некое время энергия (время установления) не сравняется с потерями в контуре за этот же период.

Таким образом, при изменении частоты настройки приёмника, на его выходе то некие максимумы (причём накопленные из множества импульсов, это ни коем образом не энергия ОДНОГО импульса), либо нулевые показания.

Приведённые иллюстрации наглядно свидетельствуют о том, что вся спектральная «картинка» с отдельными гармоническими составляющими (соответствующая преобразованию Фурье) возникает ТОЛЬКО в селективном приёмнике и НИГДЕ БОЛЬШЕ! И обусловлено это ТОЛЬКО СВОЙСТВАМИ ПРИЁМНИКА – его инерционностью и свойством накапливать, задерживать во времени энергию сигнала и суммировать её очередную «порцию» с предыдущей порцией (или последующей). В пространстве, в любой неинерционной среде этого нет и быть не может!

Именно это и позволяет утверждать – никаких «гармонических составляющих» периодических сигналов в природе (то есть в неселективных средах, линии, пространстве) нет и существовать не может! «Картинка» на экране спектроанализатора есть ИСКАЖЁННОЕ отображение реального мира, искажённое за счёт и только за счёт свойств прибора. Ни пространство, ни (в большой части) проводные линии, ни наши антенны (как правило – широкополосные) такими свойствами не обладают и никаких «гармоник» в них не возникает. Вот это инженер (радиоинженер) обязан понимать и принимать как физическую данность! Увы, в курсе высшей школы об этом не говорят, что крайне прискорбно… Основы гносеологии бывают весьма полезны в практике.

Собственно, это всё.

При измерениях ПЭМИН любого сигнала оператор обязан однозначно знать частоту следования импульсов (это и для последующего расчёта, Fтакт) в пакете, длительность импульса (это тривиально – иначе не определить полосу частот суммирования частотных составляющих сигнала) и длительность (период следования) пакетов (понимать, где искать боковые частоты, правильно выбрать полосу и алгоритм измерения).

Добавим ещё некоторые рассуждения по части опознавания тест-сигналов (свой/чужой, информативный/нет) путём придания им некой «окраски» в звуковом диапазоне частот или форма продетектированной огибающей. В применении к RGB сигналу это создание тест-режима в виде горизонтальных полос на экране («зебра», «полосатка» и т.д.).

Причём, для визуального опознавания выгодно, что бы полосы «подсвеченные» и «неподсвеченные» были разной ширины («высоты» на экране). При этом вид огибающей сигнала (продетектированный сигнал ПЭМИН на экране анализатора в режиме приёмника, а не спектроанализатора, Span=ZERO) имеет вид чередующихся импульсов разной длительности, очень удобных для опознавания. Пример приведён на рисунке 8.

Для «звуковой» же окраски ширины (высоты) полос, то есть количество строк растра, нужно выбирать исходя из того, чтобы чередование этих полос происходило с частотой, находящейся в области наибольшей чувствительности человеческого слуха. То есть в диапазоне частот 400-700 Гц. Для нашего примера (конкретного видеоразрешения) это будет:

1/500=0,002 с;

Период одной строки (вместе с обратным ходом) 16,276 мкс;

Следовательно, количество светлых и тёмных строк должен быть равен:

2·10^-3/16,276·10^-6=123

Из этого следует, что для «окраски сигнала» тоном 500 Гц нужно задать чередование полос в 61 строку – «светлых» и 61 строк «тёмных». Аналогично можно просчитать для любого видеоразрешения и кадровой частоты. Разумеется, при ИЗМЕРЕНИИ сигнала никаких полос быть не должно. Весь экран заполняется «светлыми», точнее – «серыми» полосами, «пиксель через пиксель». Чередование полностью белых и полностью тёмных пикселей воспринимается, естественно, как «белый» цвет с половинной яркостью, то есть – серый (на экране будет «зебра» из горизонтальных серых и чётных полос, весьма узких).

Отметим, так же, что задачи акустического и визуального распознавания «опасного сигнала» приводят к противоречащим друг другу манипуляциям над тест-режимом. Выгодный, хорошо распознаваемый «на слух» сигнал визуально сложно отделить от многочисленных помех. А звуковая окраска хорошо визуально различимого сигнала лежит в области весьма низких частот и плохо различима «на слух».

Конечно, противник должен не просто знать применённый видеостандарт. Он должен синхронизироваться с точностью до долей длительности одного пикселя. Иначе изображение не восстановить. Все комбинации пиксели/строки/кадры строго одинаковы во всём мире, их порядка полусотни. Соответственно и комбинации "линий" в спектре реального видеосигнала столь же индивидуальны, каждому видеостандарту - своя комбинация. Самых "ходовых" - много меньше. Если рассматривать с высокой точностью, то ВСЕ они РАЗНЫЕ, так как разные кварцы в частотнозадающих цепях разных видеокарт. Стабильность составляет не более 10^-5 .

Надо учесть и то, что "концы" строк, то есть гасящие строчные импульсы будут всегда (только для аналогового RGB!). Как и кадровые. А вот элементы РЕАЛЬНОГО изображения всегда есть "импульсы" РАЗНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ и появляющиеся через произвольные отрезки времени. Это вертикальная линия может рисоваться одним пикселем в каждой следующей строке растра. А горизонтальные элементы никто не строит из точек, только из линий. Значит, какова длина линии "по ходу строки", такова и длительность видеоимпульса. Разной длины линии (ну как, например в букве "Е", верхняя и нижняя горизонтальные линии одной "длительности", а средняя - короче) - разной длительности импульсы. Для иллюстрации достаточно начертить ряд горизонтальных линий - растр и наложить на него любое изображение. Сразу всё становится понятно. Иллюстрировать это несложно (рисунок 9).

Приведено условное построение символа «Ж» для типовой матрицы 9х16 знакогенератора видеокарты стандарта VGA (существует ещё ряд стандартов). Для экономии места приведены видеоимпульсы только для верней половины символа (строки растра 3-9). Строки 1 и 2 предназначены для формирования надстрочных элементов, строки 15-16 для подстрочных (деление приведено только качественно, поскольку для иллюстрации это роли не играет)

Поэтому синхроимпульсы всегда дают линейчатый спектр (длительности одинаковые и периоды следования – тоже, значит есть постоянная тактовая частота). А вот видеосигнал во время прямого хода луча - импульсы подсветки и разной амплитуды (яркость!) и разной длительности. Спектр такого сигнала - сплошной. Поэтому спектр реального RGB сигнала всегда смешаный, и сплошной (информативная часть) и линейчатый (частично информативная часть, синхронизация, привязка для противника). Это мы своим тестом делаем его информативную часть тоже линейчатой

Некоторые сегодняшние «радиусообразующие» сигналы ПЭМИН во многом отличны от приведённого примера. Это касается и ПЭМИН мониторов. Но об этом речь в следующей части.

Рассмотрим теперь структуру ПЭМИН в цифровых TFT мониторах, которые уже составляют основу парка устройств отображения информации. Кстати, модель этих сигналов уже совсем не такая простая, как RGB и намного ближе к большинству сигналов в узлах (блоках, устройствах) типовой современной, IBM-совместимой ПЭВМ.

Для этого разберёмся, как же в TFT матрице строится изображение.

Схема транспортировки данных от видеоконтроллера до схемы управления разверткой дисплея для цифровых интерфейсов такова. Процессор (хост) формирует в буферном ОЗУ видеоконтроллера образ изображения. Каждому пикселу изображения, состоящему из трех цветных пикселов, соответствует от 6 до 8 разрядов в памяти видеобуфера. Шести разрядам на каждый цвет соответствует 18 бит на пиксел, а 8-битовому кодированию — 24 бита на пиксел.

Формирование изображения на экране цветных TFT ЖК-дисплеев производится столбцовыми и строчными драйверами. Под этим термином подразумеваются и логические и физические устройства (микросхемы), обычно размещающиеся на плоских кабелях, соединяющих плату контроллера монитора с собственно матрицей.

Строчные драйверы обеспечивают управление выборкой по строкам, а через столбцовые драйверы производится доставка данных в адресуемые пикселы ЖКЭ. Микросхемы современных столбцовых драйверов ЖК-дисплеев имеют цифровые шины данных. Поэтому для оптимального управления необходимо использовать цифровые дисплейные интерфейсы.

Использование скоростных интерфейсов с большими уровнями сигналов и острыми фронтами привело к высокому уровню электромагнитных помех и стало головной болью для пользователей устройств, работающих в радиодиапазоне. Причём именно с точки зрения потерь в линиях передачи и выполнения «зелёных» норм, а совсем не с точки зрения защиты информации. Для комплексного решения задач, связанных с транспортировкой потоков данных в канале управления высокоинформативными ЖК-дисплеями, был разработан ряд цифровых дисплейных технологий.

Цифровые дисплейные интерфейсы в зависимости от функционального назначения можно разделить на четыре группы:

1. интерфейс между видеоконтроллером и модулем ЖКЭ в ноутбуках (длина соединения 30…50 см);
2. интерфейс между платой видеоконтроллера компьютера и внешним ЖК-монитором (длина соединения 120…150 см);
3. внутренний дисплейный интерфейс между дисплейным контроллером и микросхемами драйверов столбцов (длина соединения 20…30 см);
4. интерфейс между видеоконтроллером и удаленным ЖК-монитором (длина соединений от нескольких метров до нескольких сотен метров).

Рассмотрим, вначале, передачу данных между контроллером и драйверами матрицы (п. 3). Их, различные производители, реализуют с помощью следующих типов интерфейсов

Аббревиатура LCD TFT расшифровывается как Liquid Crystal Display Thin Film Transistor - жидкокристаллический дисплей на тонкопленочных транзисторах. Жидкокристаллический дисплей основан на свойстве жидких кристаллов, которые могут изменять свою молекулярную структуру при приложении электрического поля. При этом поворачивается плоскость поляризации проходящего света, что, в сочетании со вторым, неподвижным поляроидом, приводит к изменению уровня света, проходящему через них. Они могут полностью блокировать проходящий через них свет от лампы подсветки (рисунок приведен ниже). В процессе формирования субпикселя, создающего один из трех основных цветов точки, используются два скрещенных поляризационных фильтра, цветные фильтры и сам жидкий кристалл.

В LCD мониторах используются флюоресцентные лампы с высокочастотным (порядка 40...60 кГц) питанием. Для регулировки яркости дисплея производители применяют широтно-импульсную модуляцию питания лампы порядка нескольких сотен герц, соответственно человеческий глаз не способен различать такие частоты. Однако ПЭМИН цепей питания лампы будет присутствовать обязательно и он не имеет отношения к утечке информации.

В исходном состоянии, поскольку неуправляемые поляроиды имеют перпендикулярные направления поляризации, свет лампы подсветки через них не проходит. При подаче напряжения на ячейку субпикселя плоскость поляризации проходящего света поворачивается на некоторый угол и, за счёт этого, регулируется яркость (цвет) пикселя.

При использовании 18 бит на пиксель на каждый цветовой канал приходится по 6 бит. Это позволяет сформировать 64 ( ) различных уровня напряжения и соответственно задать 64 различные ориентации в «затворах» цветовых пикселей.ЖК-молекул, что, в свою очередь, приводит к формированию 64 уровней яркости в одном цветовом канале. Всего же, смешивая цветовые уровни разных каналов, возможно получить 262144 цветовых оттенка. При использовании 24 бит на пиксель на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать уже 256 ( ) уровней яркости в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков.

Интерфейсы ЖК панелей

Интерфейс LVDS

Интерфейсы для подключения ЖК панелей по принципу передачи данных можно разделить на интерфейсы, основанные на TTL, CMOS, TMDS и LVDS. В ЖК панелях первых поколений (черно-белых с низкими разрешениями) для передачи данных использовалась КМОП-логика, но по мере увеличений градаций яркости и увеличения разрешений стали возникать проблемы с обеспечение большой полосы пропускания из-за постоянной растущей скорости передачи. Использование скоростных интерфейсов с большими уровнями сигналов и острыми фронтами привело к высокому уровню электромагнитных помех в радиодиапазоне. Поэтому был разработан ряд интерфейсов, в основе которых лежит дифференциальная низкоуровневая логика (основные из них TMDS и LVDS).

Исторически сложилось так, что LVDS стал, де-факто, стандартом для подключения ЖК панелей мониторов и ноутбуков, соответственно именно он и применяется в большинстве стандартных ЖК панелей для получения данных ( биты изображения поступают на TCON - Timing Controller, расположенный на кросс-плате (source PCB) ЖК панели). Поэтому далее мы будем рассматривать только LVDS.

LVDS ( Low Voltage Differential Signaling ) - метод передачи цифровых данных дифференциальными сигналами с малыми перепадами уровня напряжения ( до 350 мВ ) на двух линиях печатной платы или сбалансированного кабеля со скоростью до сотен и даже нескольких тысяч мегабит в секунду (Mbps). Малые перепады уровня и токовый режим выхода передатчика обеспечивают малый уровень шума и очень малую потребляемую мощность ( 3.5 мА * 350 мВ = 1.2 мВт ) во всём диапазоне скоростей передачи.

LVDS выход, спроектированный фирмой National Semiconductor, содержит источник тока (с номиналом до 3.5 мА) нагруженный на дифференциальную пару линии передачи. На рисунке приведенном ниже показана схема передачи одного канала LVDS. Передатчик управляет дифференциальной линией. В линию выдается токовая посылка с током около 3,5 мА. Нагрузкой линии служат параллельно включенные дифференциальный LVDS-приемник и 100 Ом резистор. Сам приемник имеет высокое входное сопротивление, и основное формирование сигнала происходит на нагрузочном резисторе. При токе линии 3,5 мА на нем формируется падение напряжения 350 мВ, которое и детектируется приемником. При переключении направления тока в линии меняется полярность напряжения на нагрузочном резисторе, формируя состояния логического нуля и логической единицы.

Синхросигналы и управляющая информация передаются в поле дополнительных четырех бит (7 тактов ґ 4 пары = 28 бит на такт).

В ранней версии стандарта для шины регламентировалась максимальная тактовая пиксельная частота 40 МГц. Позднее частота была увеличена сначала до 65 МГц, а затем доведена и до 85 МГц.

Уровни рабочих сигналов 345 мВ, выходной ток передатчика от 2,47 до 4,54 мА, нагрузка 100 Ом. Дифференциальная схема интерфейса между источником сигнала и приемником позволяет решить задачу надежной передачи сигналов с полосой свыше 455 Мбит/с без искажения на расстояние нескольких метров

Ниже приведены осциллограммы канала LVDS (взяты с сайта National Semiconductor).

LVDS стал де-факто стандартом для подключения ЖК панелей мониторов и ноутбуков (данные поступают на TCON - Timing Controller, расположенный в самой ЖК панели). Существует несколько интерфейсов основанных на LVDS: используемый в ноутбуках, Flat Panel Display Link (FPD-Link), LDI (LVDS Display Interface) и другие менее распространенные. Все они с нашей точки зрения имеют несущественные отличия в принципе передачи битов пикселей.

В качестве примера рассмотрим монитор LG.PHILIPS с ЖК панелью LM150X06. Ниже для него приводится общая фотография, на ней интерфейс LVDS соединяет процессорную плату монитора и кросс плату с тактовым контроллером TCON на ЖК панели. Так же приводятся таблица с обозначением контактов в используемом разъеме Hirose (на фотографии выделен в отдельный фрагмент) и временная диаграмма передачи данных (при 6 битовом кодировании цвета).

В современных моделях ЖК панелях с большими разрешениями количество каналов, используемых в LVDS, увеличено (30 проводников и более), что позволяет передавать за такт информацию о двух пикселях (четный и нечетный) одновременно.

Здесь биты текущего пикселя выделены зеленым цветом. G0-G5 – 6 бит зеленого цвета, B0-B7 – 6 бит синего цвета, R0-R7 – 6 бит красного цвета. Синхронизирующие сигналы и управляющая информация передаются в поле дополнительных 3-х бит: DE – data enable, VS – vertical synchronization, HS – horizontal synchronization. CLK +/- - отдельный канал LVDS для передачи тактовой частоты.

Во время наших исследований ПЭМИН («опасный» сигнал) от дисплейного интерфейса LVDS не был найден, его уровни излучения в рассматриваемых моделях были существенно ниже других опасных сигналов. Это и понятно, достаточно короткие линии, чаще всего экранированный кабель.

Интерфейс RSDS (WisperBus^TM)

Фирмой National Semiconductor были разработаны и опробованы два интерфейса внутренней дисплейной шины для связи дисплейного контроллера со строчными драйверами ЖКЭ: RSDS (Reduced Swing Differention Signaling) и WisperBusTM.

Для шины RSDS используется топология «звезда». В TFT мониторах, как правило, с интерфейсом RSDS используются столбцовые драйверы.

Здесь G0-G5 – 6 бит зеленого цвета, B0-B7 – 6 бит синего цвета, R0-R7 – 6 бит красного цвета пикселя. Так же возможны схемы с передачи не с 6 битным, а уже с 8 и с 10 битным кодированием цвета. При этом на каждый цвет будет добавляться по одному каналу передачи (при 8 битном) и два (при 10 битном).

На приведённой рентгенограмме видно, что все гибкие шлейфы с драйверами столбцов подсоединены к шине RSDS параллельно.

Топология шины WisperBusTM — «точка-точка». Прием информации производится одновременно всеми драйверами столбцов. Для мультиканальной топологии шины типа «звезда» прием данных производится каждым драйвером по очереди, в течение своего короткого временного интервала. Для приема данных в каждом драйвере используются две отдельные шины данных и общая дифференциальная шина битовой синхронизации данных.

Структура и электрофизика новой шины позволили решить следующие задачи:

• уменьшить уровень электромагнитного излучения, связанного с передачей высокочастотных сигналов данных по интерфейсной шине ЖКЭ;
• уменьшить мощность потребления, связанную с передачей данных по шине;
• уменьшить число проводников во внутреннем дисплейном интерфейсе;
• снизить стоимость печатной платы за счет уменьшения числа слоев платы и площади, необходимой при трассировке шины;
• снизить стоимость шины за счет уменьшения числа передатчиков и приемников.

При использовании дифференциального интерфейса LVDS выходной ток каждого передатчика шины составляет от 2,5 до 4,5 мА. Интерфейс ЖКЭ содержит до 18 высокоскоростных сигналов данных. Мощность, затрачиваемая на поддержку шины, будет в этом случае достаточно высокой для портативных устройств с ограниченным бюджетом по мощности.

Немаловажным является вопрос, связанный с числом приемников и передатчиков, а также с числом проводников, обслуживающих прием и передачу сигналов шины. При использовании дифференциального интерфейса требуется 36 проводников (в экране). Использование дифференциальной шины требует установки согласующих резисторов со стороны приемника, что также увеличивает сложность и стоимость реализации. На согласующих резисторах рассеивается большая часть мощности, затраченной на передачу сигналов.

Передача двоичных цифровых сигналов по шине WisperBusTM производится не уровнями напряжения, как в обычной дифференциальной схеме, а уровнями токов, и к тому же по единственному проводу. Протекание тока для обоих токовых состояний происходит всегда в одном и том же направлении — от приемника к передатчику. В соответствии со входными двоичными сигналами передатчик подключает один или другой источник тока, как показано на рис. 12.

Таким образом, получаем два токовых номинала 50 мкА и 150 мкА, которые соответствуют двоичным состояниям «0» и «1». Такая схема эквивалентна смещению тока на ±50 мкА относительно постоянной токовой составляющей 100 мкА. Амплитуда рабочих токов, используемая для передачи данных по шине WisperBusTM (100 мкА), на порядок меньше амплитуды токов, используемых в интерфейсе RSDS (2000 мкА). Амплитуда напряжения в точке суммирования приемника составляет около 1 В, но абсолютное значение этого напряжения не играет особой роли в реализации данной шины и определяется порогами транзистора в приемнике.

В проведённых нами исследованиях интерфейс WisperBusTM не присутствовал, но статистика СИ TFT мониторов показывает, что ряд моделей имеют значительно более низкие уровни ПЭМИН, возможно и за счёт применения интерфейса WisperBusTM.

Наши исследования показали, что основным источником излучения опасного сигнала в ЖК панелях является линия передачи данных от TCON до драйверов столбцов, т.е. интерфейс RSDS. Так же на практике было установлено, что в некоторых случаях уровни сигналов от RSDS получаются больше, чем от подходящего к дисплею интерфейса RGB и интерфейса LVDS (по частоте сигналы от RSDS, LVDS и RBG чаще всего не совпадают).

Соответственно, с точки зрения действующих НМД? это разные устройства. При расчете R2 их необходимо рассчитывать раздельно. А в случае с ноутбуками опасными сигналами от видеоподсистемы являются только сигналы от интерфейса RSDS.

Таким образом, у сигналов на входе микросхем управления столбцами ЖК-матрицы (Column Driver) код с разрядностью 6 или 8 последовательно передается, пиксель за пикселем, с кроссшины в память драйверов столбцов с заданной тактовой частотой. Эти сигналы и вызывают появление информативных ПЭМИ. Причем, при снятии информации по каналу ПЭМИН потенциальному противнику, по большому счету, все равно какого цвета будет очередной пиксель. При перехвате информации ему достаточно решить бинарную задачу - светлый или тёмный пиксель. Для восстановления алфавитно-цифрового и большей части графических изображений – более, чем достаточно. То есть, передача по внутренней шине 18-и или 24-х разрядного кода, с точки зрения осуществления перехвата, эквивалентна передаче одноразрядного последовательного кода.

Поэтому, для проверки ЖК-монитора можно применить точно такой же тест «пиксель через пиксель», обеспечивающий максимальную энергетику информативного сигнала, как и для ЭЛТ-монитора. Казалось бы, при такой организации внутреннего интерфейса ЖК-монитора спектр информативного сигнала должен быть достаточно простым и соответствовать по форме спектру ЭЛТ-монитора. Однако этого не происходит. Все дело в том, что сигналы внутреннего интерфейса имеют высокую тактовую частоту, а фронты импульсов очень малой длительности. Физические двухпроводные линии на кросс-плате достаточно протяжённые (20÷40 см), и их симметрирование не идеально. При этом создаются такие излучения, которые не вписываются в нормы по допустимому уровню электромагнитных излучений.

Получить подтверждение всему вышеизложенному, в том числе данным производителей, можно прямыми измерениями в линиях интерфейса.

На кросс плате исследуемой ЖК панели LM150X06 имеется тестовая контактная площадка (рис. 16).

На выделении, справа (Рисунок 17), четко видно выводы с линии RSDS. Левее – ВЧ пробник (модель IRF 2388) осциллографа. Три линии синего:

· B2P-B2N B1P-B1N B0P-B0N

· три линии зеленого:

· G2P-G2N G1P-G1N G0P-G0N

· три линии красного:

· R2P-R2N R1P-R1N R0P-R0N

· линия передачи тактовых импульсов: CKP-CKN

К перечисленным выше линиям все драйверы столбцов подключены параллельно.

SSP - Synchronous Serial Port

по данной линии передаются импульсы сброса/запуска для микросхемы драйвера столбца. Для каждого драйвера столбца идет своя отдельная линия.

При включенном тесте «точка-через-точку» (точки белая, точка черна и т.д.) на всех линиях передачи битов цвета будет примерно одинаковый сигнал т.к. белый кодируется шестью битами единиц на каждый из трех цветов RGB. При передачи белого пикселя на всех линиях будет присутствовать сигнал, а при передачи черного пикселя сигнал будет практически отсутствовать т.к. черный цвет кодируется шестью битами нулей на каждый цвет.

Ниже представлены снятые с контактной площадке на кросс плате осциллограммы с постепенным уменьшением времени развертки (рисунки 18-22).

На первых двух четко видно начало и конец передачи пикселей каждой строки при включенном на дисплее тесте точка-через-точку. При последующем уменьшении времени развертки видно передачу технической информации (треугольник), обозначающее начало строки. На последней осциллограмме зафиксирована передача самих бит пикселей, насколько это позволяют увидеть эти данные осциллограф и пробник. Экстремумы синусоиды на самом деле являются двумя подряд идущими импульсами (либо двумя положительными, либо двумя отрицательными), но на данном оборудовании, к сожалению, мы не смогли их различить, по-видимому вследствие слишком большой емкости пробника.