К вопросу оценки ПЭМИН цифровых сигналов. TFT мониторы. Часть 3.

Автор: Кондратьев А.В.

При исследованиях ЖК матриц практически на всех образцах нами были найдены сигналы в низкочастотной области, реагирующие на тест, запущенный на дисплее. Первые гармоники были найдены на частотах порядка десятков кГц. Сигналы были различимы на фоне помех, как правило, до 1-2 МГц. Была четко различима «информативная» составляющая, например, при запущенном на мониторе тесте с полосами (чередование черных полос и полос с заполнением «точка-через-точку»). Проанализировав документацию и получив осциллограммы с шины RSDS, мы пришли к выводу, что это сигналы от всего «строчного пакета), т.е. от всех пикселей строки, выводимых одновременно. Что и подтверждается приведенными выше осциллограммами. На осциллограмме рис. 19 можно наблюдать сигналы от одной строки. Время сигналов от строки 2.5 х 10^-6 х 6 делений = 1.5 х 10^-5 с → частота F= (1.5 х 10^-5 )-1 = 67 кГц.

Как уже указывалось ранее, так же, как для интерфейса LVDS, тактовые частоты сигналов ПЭМИН следует ожидать в районе 45, 65 или 85 МГц. Обнаруживается, почти исключительно, только «Е» компонента. Размещение антенны 0 напротив нижней части экрана монитора (или под ним). Ориентация диполей – параллельно фронтальной поверхности монитора, вертикально (перпендикулярно размещению линий проводников интерфейса на плате). Тем не менее, горизонтальную ориентацию диполей проверять неукоснительно!

Если бы тактовые частоты внутреннего интерфейса монитора были постоянны, то и спектр ПЭМИ этих составляющих был бы «линейчатым» и они фиксировались бы на вполне определённых частотах. Значения их (по напряжённости поля) были бы весьма высоки. Производители ЖК матриц и схем их управления вынуждены «укладываться» в довольно жёсткие международные нормы по ПЭМИ с точки зрения электромагнитной совместимости и вреда для здоровья людей.

Приборы (индикаторы), которыми измеряют напряжённости поля ПЭМИ для контроля стандартов ISO, DIN и др. имеют фиксированную полосу пропускания 120 кГц.

Используя особенность методики оценки (применение довольно узкой полосы в средствах измерения) в соответствии со стандартами ISO, производители TFT матриц, в целях «заметания мусора под ковер»? модулируют тактовую частоту интерфейса.

Такой технический прием, как модуляция тактового сигнала SSM был внедрен в электронику для достижения нескольких целей, основные – это снижения пиковых значений спектра электромагнитного излучения и снижение интерференции высокочастотных сигналов от других устройств (помехоустойчивость). SSM расшифровывается как Spread Spectrum Modulation - спектральная модуляция тактовых импульсов, или по-другому SSC - Spread Spectrum Clock - тактовые сигналы с «размытым» спектром. SSM в ЖК мониторах применяется как в RSDS так и в LVDS интерфейсах.

Если основная рабочая частота модулируется, расширяя полосу, спектр электромагнитного излучения (собственно ПЭМИН) принципиально изменяется. Вместо острых, сосредоточенных по частое, пиков (обычная форма проявления электромагнитного излучения EMI и ПЭМИ в частности) появляются, так называемые "гауссовы колокола" (форма сигнала, сверху ограниченная кривой, описываемой гауссовым распределением), в результате чего результирующая амплитуда сигнала становится значительно меньше (1/3-1/4 от размера оригинального пика EMI на «нулевой» гармонике и пропорционально номеру гармоники на последующих).

Однако, несмотря на это, энергетика ПЭМИН, по сути, остается постоянной. Поскольку ширина спектра становится больше, а закон сохранения энергии должен выполняться, то амплитуда этого сигнала будет меньше. По сути дела SSM является угловой модуляцией тактовой частоты (как правило, по закону некой функции), что соответственно ведет к «размытию» спектров всех сигналов шины данных, привязанных к данной тактовой частоте.Некоторые производители вместо аналоговой модуляции использует методику цифровой модуляции, иногда в большей мере снижающую EMI. Например, фирма Fujitsu предлагает дискретные генераторы тактового сигнала с «размытым» спектром ( spread - spectrum clock generators - SSC G ), благодаря которым возможно уменьшить уровень электромагнитного излучения примерно на 20 ДБ, при коэффициенте модуляции основной частоты 3%.

Внутренние интерфейсы ЖК-мониторов меняют тактовую частоту обработки информации по закону, показанному на рисунке 24. Эта функция носит название «Hersey kiss» (дословно «поцелуй Херши», не путать с наименованием известной марки шоколада и шоколадных конфет, возникших в 1907 году!). В результате такой модуляции, получается псевдосплошной спектр (рисунки 26-31), неоднородный по краям (с «гауссовыми колокольчиками», что хорошо видно при более узкой полосе пропускания приемника.

Далее приведены формы спектра широкополосных сигналов интерфейса RSDS, снятых системой «Сигурд» на базе приёмника ESPI3 с антенной АИ5-0. Размещение антенны приведено на рисунке 25. Остальные настройки системы свободно читаются на скринах графического интерфейса пользователя системы «Сигурд-Интерфейс».

Далее приведены спектрограммы сигналов ПЭМИН снятые на различных частотах (гармониках тактовой частоты) в тех же условиях.

Примечание: Тактовая частота (и, естественно, частота «нулевой» гармоники) 22,93 МГц (а не около 45 МГц) обусловлена исследованием на образце TFT монитора ранней модели, ещё с не стандартизованными тактовыми частотами внутренних интерфейсов.

При рассмотрении спектров необходимо обратить внимание не только на расширение спектра, но и на пропорционально (примерно, естественно!) падение амплитуды. Всё в точном соответствии с теорией! Именно эти признаки спектров сигналов и являются самыми основными и характерными при поиске именно этих сигналов ПЭМИН.

Учитывая, что в сегодняшних моделях, чаще всего, применяется именно дискретная, цифровая частотная модуляция тактовой частоты интерфейса, была предпринята попытка выявить её на спектре ПЭМИН. Для этого предпринята была попытка построения спектра при значительно большем времени анализа и с весьма узкой полосой. Результат приведён на рисунке 31. Три последовательных скрина с экрана ««Сигурд»-Интерфейс» показывают, что при разрешении порядка 1 кГц чётко выявляется огромное количество компонент ПЭМИН, составляющих общий, псевдосплошной (при анализе с худшим частотным разрешением) спектр. Компоненты отстоят друг от друга на, приблизительно, 40 кГц (40354 Гц по прибору), что соответствует частоте формирования строк изображения. Таким образом (подтверждается анализом документации на монитор и статей в сети интернет по теме) в пределах времени формирования (передачи данных драйверам столбцов) одной строки тактовая частота постоянна, а для следующей строки она меняется скачкообразно.

Присмотревшись к скринам, можно заметить «гауссовскую» огибающую амплитуд частотных составляющих. Практика результатов исследований строго соответствует теории.Предположим, сигналы выявлены и стоит вопрос их измерения для дальнейшего расчёта параметров защищённости технического средства. Вообще, приходится констатировать что в автоматическом режиме отыскать эти сигналы и корректно их измерить может только «Сигурд» версии не ниже 5.0, причём уже с отдельным блоком цифровой обработки.

Но вручную это сделать тоже несложно. Суть, смысл измерения состоит в том, чтобы «размазанную» изготовителями «железа» энергию ПЭМИН собрать. Собрать так же, как это сделает широкополосный приёмник при перехвате. Выполнить это можно так:

Сразу отметим, что установленные методикой фиксированные полосы пропускания приёмника (для простоты будем так именовать любое селективное средства измерения) для измерений таких сигналов неприменимы вообще. Да, произношу и буду произносить «ересь» - это «требование» есть несусветная глупость!

Предположим, что ширина спектра некого сигнала ПЭМИН значительно шире, чем полоса приёмника, установленная НМД. Можно поступить двумя способами:

- игнорировать предписание методики, памятуя, что основной задачей является корректное измерение, а не буквальное следование документу, и установить полосу пропускания приёмника равную или больше, чем ширина спектра сигнала;

- выполнить измерения установленной полосой, но с учётом реальной ширины спектра сигнала.

В первом варианте всё достаточно просто, однако у этого способа есть и несколько «минусов». Не так уж редок случай, когда в пределах достаточно широкополосного спектра присутствует более мощная, но узкополосная помеха (рисунок 31«Б»). В этом случае измерение сигнала будет выполнено с ошибкой, что недопустимо. При отсутствии сосредоточенных по спектру помеха возможна ошибка только при весьма малых уровнях сигналов (низких отношений сигнал/шум) и, одновременно, заметным превышением ширины полосы пропускания приёмника и полосы, занимаемой сигналом.

При этом энергия помех, «прихватываемых» приёмником в полосах частот, обозначенный на рисунке «серой заливкой», суммируется с энергией сигнала, вызывая появление ошибки измерения. Ошибка тем больше, чем хуже отношение сигнал/шум.

Измерения полосою приемника более узкой, чем ширина спектра сигнала (а для сигналов RSDS/LVDS это происходит в большей части диапазона!) может быть лишено погрешностей, показанных ранее. Но оно может быть выполнено только «вручную», под управлением оператора и при его непосредственном участии в процессе измерения или ввода корректирующего коэффициента в результат измерения. Рассмотрим такой вариант, проиллюстрированный рисунком 35.

В приведённом варианте может иметь место два подварианта (рисунок 35 «А» и «Б»). Как правило, значительно чаще встречаются сигналы с «плоской» амплитудно-частотной характеристикой (см. спектрограммы, приведённые ранее). Измерения таких сигналов выполнять проще, достаточно измерить амплитуду сигнала в любой части его спектра и, далее, рассчитать полное значение энергии сигнала по нижеприведённой формуле.

Учитывая, что сигналы в каждом из индивидуальных измерений (от «1» до «n») не коррелируют между собой, то их суммирование должно производиться как энергий:

Если АЧХ «плоская, то есть все значение Еi равны друг другу, то формула упрощается:

Фактически величина «n» - это число, показывающее сколько раз полоса пропускания приёмника «укладывается» в полосу сигнала. Разумеется, значения сигнала в вышеприведённых формулах должны иметь размерность мкВ.

Если же АЧХ неравномерна (рисуноки 34 «б» и 35), то придётся выполнить несколько измерений, чтобы иметь возможность рассчитать истинное значение сигнала. Если в пределах ширины спектра сигнала присутствует относительно узкополосная помеха (рисунок 34 «б»), то этот участок спектра не измеряется, а его значение (с учётом полосы, занимаемой помехой) принимается равным соседним участкам спектра. Особенно просто это в случае «плоской» АЧХ.

Надо отметить, что функциональные возможности, заложенные в систему «Сигурд», оказались крайне полезны для исследовании структуры спектров внутренних интерфейсов мониторов и не только для них. В свою очередь, выполненные исследовательские работы принесли заметную пользу в деле модификации и совершенствовании системы «Сигурд».

Ну, а, в конце концов, измеренная и суммированная в полосе 1/τ энергия сигнала в виде одного единственного значения (одного, как бы узкополосного сигнала) подставляется в «Сигурд-Дельта» (или вручную) со значениями Fтак, τ, значением помех (шумов) и всё считается тривиально.

Кроме этого, всё чаще и чаще специалистам приходится встречаться с внешним интерфейсом DVI, то есть цифровым интерфейсом подключения монитора. У этого интерфейса есть ряд особенностей, которые необходимо учитывать.

В протоколе TMDS, на котором основан DVI, на каждый цветовой канал отводится по восемь битов, что позволяет получить 256 уровней яркости каждого базового цвета. Если перемножить 256 уровней у трёх цветов, то мы получим 16,7 миллиона оттенков.

Графический чип создаёт информацию о цвете для каждого пикселя в 24-битном потоке (8 битов на цвет). Поток параллельных данных поступает на передатчик протокола TMDS, который преобразует его в три последовательных потока, передающихся по трём физическим симметричным парам одновременно. Когда сигнал поступает на приёмник (в мониторе), то его последовательный код вновь преобразуется в параллельный. Преобразование в последовательный сигнал для передачи по кабелю необходимо, поскольку последовательная передача менее подвержена помехам, чем параллельная, особенно на больших расстояниях. Таким образом, данный цифровой поток, являясь «трёхразрядным», в силу полной синхронности фронтов в каждом цветовом канале (формируется в одном кристалле, от одного тактового генератора), рассматривается как последовательный одноразрядный.

TMDS-передатчик (Transition Minimized Differential Signaling) отсылает последовательный сигнал по четырём разным каналам кабеля: один для тактового сигнала, а три - для цветовой информации. Восемь битов информации для каждого цвета передаются в последовательном 10-битном сигнале: восемь битов для цветовых данных, а также два служебных. Данные передаются в 10 раз быстрее тактового генератора из-за использования ФАПЧ-чипа (ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты), работающего как умножитель частоты. Таким образом, скорость 1,65 Гбайт/с достигается при номинальной частоте 165 МГц.

Протокол TMDS построен на минимизации числа переходов от «0» к «1» (и наоборот), что позволяет надёжнее передавать информацию по медному кабелю. Минимизация числа переходов делает тракт менее чувствительным к внешним помехам и снижает уровень ПЭМИН.

Такое построение (кодирование) информации в линии передачи (кабеле к монитору) усложняет задачу создания тест-режима с постоянной тактовой частотой переходов от «0» к «1» в кабеле. Для теста, априори, исходя из структуры интерфейса, необходимо либо кодировать цвет в каждом пикселе последовательностью «10101010», либо применять иные методы. В противном случае нельзя будет применять установленный метод расчёта результатов.

При использовании типовой программы «Сигурд-Тест» возможен один такой вариант, не требующий изменения этой тест-программы. Учитывая, что в стандартном тесте чередуются белые и чёрные пиксели, а белый пиксель это код 255;255;255 (FF;FF;FF), то в цифровом потоке передаётся три байта единиц без переходов тока. У TDMS интерфейса такой случай рассматривается особо.

Если к проводу долгое время подводится ток (относительно долго, поскольку скорости передачи очень высоки), то перед его спадом должно пройти определённое время. В таких случаях могут возникнуть проблемы передачи, к примеру, если длительное время будут передаваться одни единицы (состояние "1" = есть ток), а затем поток данных прервётся одним нулём (состояние "0" = нет тока). В зависимости от качества медного кабеля, этот нуль можно потерять. В результате один из пикселей будет отображён неверно. Специально вводимый для такого случая бит DC-Balancing указывает на обычную инверсию значений восьми битов, чтобы предотвратить длительную передачу одинаковых данных по кабелю.

Таким образом, мы получаем для такой информации (сплошные единицы) передачу «пакетов» нулей и единиц с одним переходом от «0» к «1» или наоборот на границе пакета (то есть инверсию каждого второго пакета). Следовательно, получается постоянная тактовая частота сигнала в кабеле интерфейса, близкая к значению 130÷165 МГц (то есть к максимальной частоте передачи пикселей-пакетов). Следует отметить, что за счёт некоторых особенностей протокола частоты режима «пиксель через пиксель» и просто «белый экран» отличаются приблизительно на 4-6%, оставаясь постоянными.

Расчёт результатов СИ от DVI интерфейса при таком тест-режиме уже не вызывает никаких трудностей (подробное рассмотрение расчёта и значений всех параметров расчётного соотношения выходит за рамки данного издания). Уровень ПЭМИН от образца к образцу довольно сильно разнится, что связано, по всей видимости, с качеством и симметрией пар в интерфейсном кабеле.

Разрешение монитора во время проведения СИ рекомендуется устанавливать не выше 1600*1280 (при 60Гц кадровой частоты), чтобы не включался второй канал интерфейса. Процедура СИ в режиме параллельной работы двух каналов дополнительно усложняет интерпретацию результатов СИ.