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LVDS 디스플레이 해상도에 적합한 픽셀 클록 주파수 및 쓰루풋 계산
편집부 기자  |  people@iomedia.co.kr
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승인 2019.02.01  14:04:56
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LVDS(low voltage differential signaling, OpenLDI라고도 함) 박막 트랜지스터(TFT) LCD 디스플레이는 원하는 해상도를 달성하기 위해 지정된 해상도와 필요로 하는 최소의 클록 주파수를 갖는다. 일반적으로 이 정보는 디스플레이 데이터 시트에 나와 있기 때문에 따로 계산할 필요가 없다.
자료제공 | TI코리아(www.ti.com)

하지만 디스플레이 데이터 시트를 확인할 수 없더라도 자신의 시스템에 원하는 해상도가 있다면, 필요로 하는 클록 주파수를 계산하여 자신의 애플리케이션에 적합한 시리얼라이저/디시리얼라이저(SerDes) 제품을 결정할 수 있다.
 
픽셀 클록 주파수
픽셀 클록 주파수는 공식 1과 같이 계산할 수 있다:
Pixel Clock = HActive×VActive× Frame Rate×(1 + %Blanking) (공식 1)
 
이 공식의 각각의 파라미터를 살펴보자.
 
●HActive×VActive: 디스플레이 해상도이다. 예를 들어, 1920×1080 해상도의 디스플레이라고 한다면, Hactive = 1920이고 Vactive = 1080이다.
 
●%Blanking:  공백 간격 또는 영상이 표시되지 않는 시간 비율이다. 그림 1에서 보듯이, 수평적으로는 HPW(horizontal pulse width), HBP(horizontal back porch), HFP(horizontal front porch)로 표현되고, 수직적으로는 VPW(vertical pulse width), VBP(vertical back porch), VFP(vertical front porch)로 표현된다.
 
이들 공백 파라미터 값은 디스플레이의 데이터 시트에 표기된다. 총 공백 간격은 3%부터 39%까지 될 수 있다. 만약 자신의 시스템이 축소된 공백을 사용한다면 %Blanking을 10%로 어림잡아 계산할 수 있다. 본인의 시스템에서 사용되는 공백 간격이 확실치 않다면 20%나 혹은 그 이상의 보수적인 수치로 계산할 수 있다.
 
●프레임 레이트(리프레시 레이트): 연속적 이미지(프레임)가 표시되는 빈도를 말하며, 헤르츠나 초당 프레임(fps) 단위로 측정된다. 60Hz가 가장 일반적인 프레임 레이트이지만 값은 24Hz부터 70Hz까지 사용된다.

쓰루풋(throughput)
쓰루풋은 어떤 디바이스가 원하는 디스플레이 해상도에 적합한지 판단할 수 있는 또 다른 기준이다. 쓰루풋은 비디오 데이터를 얼마만큼 처리할 수 있는지를 나타내는 것으로서, 공식 2에서 보듯이 필요한 픽셀 클록 주파수와 시스템의 색 심도(color depth)에서 도출할 수 있다:
 
Throughput = Pixel Clock×Color Depth  (공식 2)
 
이 공식에는 새로운 파라미터가 등장한다:
●색 심도: 1세대 SerDes 제품인 SN65LVDS93A는 색 심도가 단일 픽셀 입력, 단일 픽셀 출력(SISO) 애플리케이션은 24bit RGB 또는 18bit RGB이고, 듀얼 픽셀 입력, 듀얼 픽셀 출력(DIDO) 애플리케이션은 48bit RGB 또는 36bit RGB이다.
 
색 심도에 따라서 얼마나 많은 LVDS 데이터 레인이 필요한지가 결정되는데, SerDes가 각 LVDS 데이터 레인에서 픽셀 클록 주파수의 7배 속도로 데이터를 직렬화하기 때문이다. 만약에 색 심도가 24bit RGB이면, 4개 LVDS 데이터 레인이 필요할 것이고(제어를 위해서 추가적인 4bit가 사용되므로 총 비트 수는 28bit), 그러면 SN65LVDS93A와 같은 SerDes 제품을 사용할 수 있다.  

색 심도가 18bit RGB이면, 3개 LVDS 데이터 레인이 필요할 것이고(제어를 위해 추가적인 3bit가 사용되므로 총 비트 수는 21bit), 그러면 SN74LVDS84A나 SN65LVDS93A와 같은 SerDes 제품을 사용할 수 있다. 
색 심도가 48bit RGB이면 8개 LVDS 데이터 레인이 필요할 것이고(제어를 위해 추가적인 8bit가 사용되므로 총 비트 수는 56bit), DS90C387이나 DS90C189-Q1과 같은 제품을 사용할 수 있다. 이들 제품은 최대 8개 LVDS 데이터 레인을 출력할 수 있다. 

DIDO 애플리케이션의 쓰루풋을 계산할 때에는 홀수 픽셀과 짝수 픽셀의 쓰루풋을 개별적으로 계산한 다음에 합쳐야 한다. 예를 들어 48bit DIDO 애플리케이션이면 필요한 총 쓰루풋은 2×픽셀 클록×24이다.
 
픽셀 클록 주파수와 쓰루풋을 계산하는 것을 살펴보았으므로, 이제 실제 사례로 계산을 해보자.
 
사례 1 | SISO 애플리케이션
첫 번째 예는 SISO 애플리케이션이다. 표 1은 픽셀 클록 주파수와 쓰루풋을 계산하기 위해 필요한 파라미터들을 보여준다.
공식 1을 계산하면 다음과 같다:
Pixel Clock = 1280×800×60×(1 + 0.36) = 8.356×107Hz
그러므로 1280×800 해상도 디스플레이를 지원하기 위해서 필요한 최소 픽셀 클록 주파수는 83.56MHz이다.
 
공식 2는 다음과 같다:
Throughput = 83.56×24 = 2005.44Mbps
그러므로 최소한의 필요한 총 쓰루풋은 약 2005Mbps이다.
 
색 심도가 24bit RGB이므로 4개의 LVDS 데이터 레인이 필요하다. SN65LVDS93A는 픽셀 클록 주파수 범위가 10MHz부터 135MHz이기 때문에 이 애플리케이션에 적합하다. 마찬가지로 이 디바이스의 각 LVDS 데이터 레인의 최대 쓰루풋은 135×7 = 945Mbps이다. 이 디바이스는 4개 LVDS 데이터 레인을 제공하므로 최대 쓰루풋은 945×4 = 3780Mbps이다. 이것은 필요로 하는 최소 쓰루풋보다 높다.
 
사례 2 | DIDO 애플리케이션
다음은 DIDO 애플리케이션이다. 표 2는 픽셀 클록 주파수와 쓰루풋을 계산하기 위해서 필요한 파라미터들을 보여준다.
 
공식 1을 계산하면 다음과 같다:
Pixel Clock = 2048×1536×60×(1 + 0.1) = 2.08×108Hz
그러므로 2048×1536 해상도 디스플레이를 지원하기 위해서 필요한 최소 픽셀 클록 주파수는 208MHz이다. 그런데 이 애플리케이션은 48bit DIDO 애플리케이션이므로, 실제로는 2개의 클록이 사용되어 주파수를 나누어야 한다. 그러므로 각 클록이 최소한 104MHz의 주파수가 되어야 한다.
 
공식 2로 계산하면 각 채널(한 채널 = 4개 데이터 레인)에 필요한 최소 쓰루풋은 다음과 같다: 
Throughput = 108×24 = 2496Mbps.
그러므로 필요한 총 쓰루풋은 2×2496 = 4992Mbps이다.
 
색 심도가 48bit RGB이므로, 8개의 LVDS 데이터 레인이 필요하다. 그러므로 이 애플리케이션에는 DS90C387이나 DS90C187이 적합하다. 이들 제품은 DIDO 애플리케이션의 각 채널로 픽셀 클록 주파수 범위가 32.5MHz~112MHz(DS90C387) 및 25MHz~105MHz(DS90C187)이기 때문이다. 

그러므로 디스플레이 데이터 시트를 확인할 수 없더라도 원하는 해상도로 필요한 픽셀 클록 주파수와 쓰루풋을 계산할 수 있다. 만약 SerDes가 이 매개 변수를 충족시키지 않으면 디스플레이의 데이터가 올바르게 표시되지 않거나 전혀 표시되지 않을 수 있다.
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