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低電圧差動信号伝送（LVDS）、別名TIA/EIA-644は、差動シリアル信号伝送規格の電気的特性を規定する技術規格です。LVDSは低消費電力で動作し、安価なツイストペア銅ケーブルを使用して非常に高速な伝送が可能です。LVDSは物理層の仕様のみであり、多くのデータ通信規格やアプリケーションでは、この規格に基づいてOSIモデルで定義されているデータリンク層をその上に構築しています。
LVDSは1994年に導入され、液晶テレビ、車載エンターテインメントシステム、産業用カメラやマシンビジョン、ノートパソコンやタブレット端末、通信システムなどの製品で広く普及しました。主な用途としては、高速ビデオ、グラフィックス、ビデオカメラのデータ転送、汎用コンピュータバスなどが挙げられます。
初期の頃、ノートパソコンや液晶ディスプレイのメーカーは、自社のプロトコルを指す際にFPD-Linkの代わりにLVDSという用語をよく使用していたため、映像ディスプレイ技術の用語ではLVDSという用語が誤ってフラットパネルディスプレイリンクと同義語として使われるようになった。
LVDSは差動信号伝送方式であり、一対のワイヤの電圧差として情報を伝送します。受信側では、2本のワイヤの電圧が比較されます。一般的な実装では、送信側はワイヤに3.5mAの定電流を注入し、電流の方向によってデジタル論理レベルが決定されます。電流は受信側で約100～120Ωの終端抵抗（反射を低減するためにケーブルの特性インピーダンスに整合）を通過し、反対方向のワイヤを通って戻ります。オームの法則から、この抵抗の両端の電圧差は約350mVとなります。受信側はこの電圧の極性を検出して論理レベルを決定します。
2本のワイヤ間の電界および磁界の結合が強固である限り、LVDSは電磁ノイズの発生を低減します。このノイズ低減は、2本のワイヤに流れる等しく逆向きの電流によって、互いに打ち消し合う等しく逆向きの電磁界が生成されるためです。さらに、伝送ワイヤ間の結合が強固であるため、電磁ノイズ干渉に対する感受性も低減されます。これは、ノイズが各ワイヤに均等に影響を与え、コモンモードノイズとして現れるためです。LVDS受信機は差動電圧を検出するため、コモンモードノイズの影響を受けません。コモンモードノイズは両方のペアに均等に影響を与えるため、両者の間に相対的な電圧差は生じません。
LVDSトランスミッタが定電流を消費するという事実は、電源のデカップリングに対する負荷を大幅に軽減し、送信回路の電源線とグランド線における干渉を低減します。これにより、ハイレベルとローレベルで消費される電流が異なる終端型シングルエンド伝送線路や、スイッチング時に電流が急激に発生する非終端型伝送線路で一般的に見られるグランドバウンスなどの現象が軽減または解消されます。
約1.2Vという低いコモンモード電圧（2本のワイヤの電圧の平均値）により、 LVDSは2.5V以下の電源電圧を持つ幅広い集積回路で使用できます 。さらに、より低いコモンモード電圧を使用するLVDSのバリエーションもあります。1つは、標準的なコモンモード電圧が0.9Vであるsub-LVDS（2004年にノキアが導入）です。もう1つは、 JEDEC JESD8-13（2001年10月）で規定されているScalable Low Voltage Signaling for 400mV （SLVS-400）で、電源電圧は800mVまで低く、コモンモード電圧は約400mVです。
約 350 mV という低い差動電圧 により、LVDS は他の信号伝送技術に比べて消費電力が非常に少なくなります。これは、定電流源 (通常 3.5 mA) と H ブリッジを形成する 4 つの MOSFET スイッチで構成される送信機の設計によって部分的に実現されています。[ 1 ] 2.5 V の電源電圧では、3.5 mA を駆動するための電力は 8.75 mW になりますが、これはRS-422信号の負荷抵抗で消費される 90 mW と比較すると非常に少ないです。
論理レベル: [ 2 ]
LVDSは、現在使用されている低消費電力差動信号伝送システムの中で唯一のものではなく、フェアチャイルド社の電流転送ロジック（CTL）シリアルI/Oなども含まれる。
1994年、ナショナルセミコンダクター社はLVDSを発表し、これは後に高速データ転送の事実上の標準となった。[ 3 ]： 8
LVDSは1990年代半ばに普及しました。それ以前は、コンピュータのモニター解像度がグラフィックやビデオに必要な高速データレートを必要とするほど高くありませんでした。しかし、1992年にApple Computerは、バックプレーン上の既存のNuBusに過負荷をかけずに複数のデジタルビデオストリームを転送する方法を必要としていました。AppleとNational Semiconductor（NSC）は、LVDSを使用した最初の集積回路であるQuickRingを開発しました。QuickRingは、MacintoshコンピュータのNuBusをバイパスするためのビデオデータ用の高速補助バスでした。マルチメディアとスーパーコンピュータのアプリケーションは、どちらも数メートルもの長さのリンク（たとえば、ディスクドライブからワークステーションまで）を介して大量のデータを転送する必要があったため、拡大し続けました。
LVDSの最初の商業的に成功したアプリケーションは、ナショナルセミコンダクターのフラットパネルディスプレイリンクを使用してグラフィックス処理ユニットからフラットパネルディスプレイにビデオデータを送信するノートブックコンピュータでした。最初のFPD-Linkチップセットは、21ビット幅のビデオインターフェースとクロックをわずか4つの差動ペア（8本のワイヤ）に削減し、ディスプレイとノートブックの間のヒンジを簡単に通過させ、LVDSの低ノイズ特性と高速データレートを活用できるようにしました。FPD-Linkは1990年代後半にこのノートブックアプリケーションの事実上のオープン標準となり、2010年代初頭にEmbedded DisplayPort（eDP）に取って代わられるまで、ノートブックおよびタブレットコンピュータで支配的なディスプレイインターフェースでした。[ 4 ]
画面解像度と色深度の向上に伴い、LVDSの用途は民生用テレビのフラットパネルディスプレイへと拡大しました。この用途に対応するため、FPD-Linkチップセットは、メインビデオプロセッサからディスプレイパネルのタイミングコントローラへビデオデータを転送するというテレビ内部の要件を満たすべく、データレートと並列LVDSチャネル数を増やし続けました。FPD-Link（一般にLVDSと呼ばれる）はかつてこのテレビ内部相互接続の事実上の標準でしたが、その後、MIPI DSIやeDPといったより近代的で効率的なインターフェースに取って代わられました。
次のターゲットアプリケーションは、デスクトップコンピュータとディスプレイ、またはDVDプレーヤーとテレビの間を外部ケーブル接続でビデオストリームを転送することでした。NSCは、FPD-Linkのより高性能な後継規格として、LVDSディスプレイインターフェース（LDI）とOpenLDI規格を導入しました。これらの規格では、最大ピクセルクロックが112MHzで、60Hzのリフレッシュレートで1400×1050（SXGA+） の表示解像度に十分です。デュアルリンクを使用すると、最大表示解像度を60Hzで2048×1536（QXGA ）まで上げることができます。FPD-Linkは最大約5mのケーブル長で動作し、LDIではこれを約10mまで拡張します。しかし、電流モードロジック（CML）信号上でTMDSを使用するデジタルビジュアルインターフェース（DVI）が標準化競争に勝ち、デスクトップコンピュータをモニターに外部接続するための標準となり、HDMIは最終的に、DVDプレーヤーなどのデジタルビデオソースをコンシューマー向けフラットパネルディスプレイに接続するための標準となりました。
LVDSのもう一つの成功事例はCamera Linkです。これは、コンピュータビジョン用途向けに設計されたシリアル通信プロトコルで、LVDSを使用するNSC社のChannel Linkチップセットをベースとしています。Camera Linkは、カメラ、ケーブル、フレームグラバーなどの科学・産業用製品のビデオインターフェースを標準化しています。この規格は、業界を代表するグローバルなマシンビジョン業界団体である自動画像処理協会（AIA）が維持・管理しています。
コンピュータバスで使用されているLVDSのその他の例としては、HyperTransportとFireWireがあり、どちらもFuturebus以降の開発に端を発しており、SCIの開発にもつながりました。さらに、LVDSはSCSI規格（Ultra-2 SCSI以降）の物理層信号伝送方式として採用されており、より高速なデータ転送速度とより長いケーブル長を実現しています。Serial ATA（SATA）、RapidIO、SpaceWireもLVDSを使用して高速データ転送を実現しています。
IntelとAMDは2010年12月にプレスリリースを発表し、2013年までに自社製品ラインでLVDS LCDパネルインターフェースのサポートを終了すると発表した。両社はEmbedded DisplayPortとInternal DisplayPortを推奨ソリューションとして推進している。[ 5 ]しかし、LVDS LCDパネルインターフェースは、ビデオ処理ユニットからテレビやノートパソコン内のLCDパネルタイミングコントローラにストリーミングビデオを転送するための最も低コストな方法であることが証明されており、2018年2月現在、LCDテレビやノートパソコンのメーカーはLVDSインターフェースを使用した新製品を引き続き発表している。
LVDSは当初3.3V規格として導入されました。スケーラブル低電圧信号伝送（SLVS）は、コモンモード電圧が200mVと低く、pp振幅も小さくなっていますが、それ以外はLVDSと同じです。[ 3 ]： 9
LVDSは、並列データ伝送とシリアルデータ伝送の両方に対応しています。並列伝送では、複数のデータ差動ペアが、データの同期のためのクロック信号を含む複数の信号を同時に伝送します。シリアル通信では、複数のシングルエンド信号が、すべてのシングルエンドチャネルを合わせたデータレートと同じデータレートを持つ単一の差動ペアにシリアル化されます。例えば、7ビット幅の並列バスを単一のペアにシリアル化すると、1つのシングルエンドチャネルのデータレートの7倍の速度で動作します。シリアルデータと並列データの変換を行うデバイスは、シリアライザとデシリアライザと呼ばれ、これら2つのデバイスが1つの集積回路に内蔵されている場合は、SerDesと略されます。
例えば、FPD-Linkは実際にはLVDSをシリアル通信とパラレル通信の組み合わせで使用しています。18ビットRGBビデオ用に設計されたオリジナルのFPD-Linkは、3つのパラレルデータペアと1つのクロックペアを備えているため、これはパラレル通信方式です。しかし、3つのペアそれぞれが、クロックサイクルごとに7ビットのシリアルデータを転送します。つまり、FPD-Linkのパラレルペアはシリアルデータを伝送しますが、パラレルクロックを使用してデータを復元および同期します。
シリアルデータ通信では、クロックをシリアルデータストリーム内に埋め込むことも可能です。これにより、データの同期のために並列クロックを用意する必要がなくなります。クロックをデータストリームに埋め込む方法は複数あります。1つは、クロック信号を模倣するために、データストリームにスタートビットとストップビットとして2ビットを追加挿入し、一定間隔でビット遷移を保証する方法です。もう1つの方法は、8b/10bエンコーディングです。
LVDSは物理層規格であるため、ビット符号化方式は規定していません。LVDSは、8b/10b符号化データを含む、LVDSリンクを介したデータの送受信にユーザーが指定したあらゆる符号化方式に対応します。8b /10b符号化方式はクロック信号情報を埋め込み、DCバランスという利点も備えています。DCバランスは、AC結合伝送経路（容量結合経路や変圧器結合経路など）で必要となります。スタートビット/ストップビットを埋め込んだクロック用のDCバランス符号化方式もあり、通常はデータスクランブル技術が含まれます。LVDSの重要な点は、ワイヤを介してビットを伝送するための物理層シグナリングです。これは、ほぼすべてのデータ符号化およびクロック埋め込み技術と互換性があります。
単一の差動シリアルデータペアでは速度が不十分な場合、シリアルデータチャネルを並列にグループ化し、同期のために並列クロックチャネルを追加する手法があります。これはFPD-Linkで使用されている手法です。複数のLVDSペアと並列クロックを使用して同期する並列LVDSの他の例としては、Channel LinkとHyperTransportがあります。
複数のLVDS（クロック内蔵）データチャネルをグループ化することでデータスループットを向上させる手法もあります。ただし、これは並列LVDSではありません。並列クロックは存在せず、各チャネルが独自のクロック情報を持っているためです。この手法の一例としてPCI Expressがあり、2、4、または8つの8b/10bエンコードされたシリアルチャネルが、アプリケーションデータを送信元から送信先へ伝送します。この場合、送信先では複数のシリアルデータチャネルを同期させるためのデータ同期方式を用いる必要があります。
当初のLVDS規格では、ポイントツーポイント構成で1つの送信機から1つの受信機へデジタル信号を伝送することのみを想定していました。しかし、最初のLVDS製品を使用したエンジニアはすぐに、マルチポイント構成で1つの送信機から複数の受信機を駆動したいと考えるようになりました。その結果、NSCは複数のLVDS受信機を駆動するように設計された最初のLVDSのバリエーションとして、バスLVDS（BLVDS ）を開発しました。BLVDSは、差動伝送線の両端に終端抵抗を使用して信号の完全性を維持します。バスの中央に1つ以上の送信機があり、両方向の受信機に信号を伝送する可能性があるため、二重終端が必要です。標準のLVDS送信機との違いは、複数の終端抵抗を駆動するために電流出力を増加させたことです。さらに、送信機は、他の送信機が同時に同じバスを駆動する可能性にも対応できる必要があります。
ポイントツーポイントLVDSは通常3.5mAで動作します。マルチポイントLVDSまたはバスLVDS（B-LVDS）は最大12mAで動作できます。[ 3 ]： 9
マルチポイントLVDS（MLVDSまたはM-LVDS [ 6 ] [ 7 ]）はTIA規格（TIA-899）です。AdvancedTCA規格では、システム内の各コンピューティングモジュールボードへのバックプレーンを介したクロック分配にMLVDSが規定されています。
MLVDSには2種類のレシーバがあります。タイプ1はLVDSと互換性があり、± 50mVのしきい値を使用します。タイプ2レシーバはM-LVDSデバイスとの有線OR信号伝送を可能にします。M-LVDSの場合：
現在のLVDS規格は、スケーラブル・コヒーレント・インターフェース（SCI）で策定された以前の規格に由来する 。SCI-LVDSはSCI規格群のサブセットであり、 IEEE 1596.3 1995規格で規定されている。SCI委員会は、正エミッタ結合論理（PECL）に代わる高速低消費電力インターフェースでマルチプロセッシングシステムを相互接続するためにLVDSを設計した。
ANSI / TIA / EIA -644 -A (2001 年発行) 規格は LVDS を定義しています。この規格は当初、 ツイストペア銅線で最大 655 Mbit/s のデータレートを推奨していましたが、 現在では高品質の伝送媒体で 1 ～ 3 Gbit/s のデータレートが一般的です。[ 8 ] 現在、LVDS などの広帯域デジタルビデオ信号伝送技術は車両でも使用されており、差動信号として伝送される信号は EMC の理由から役立ちます。ただし、高品質のシールド付きツイストペアケーブルと複雑なコネクタシステムを使用してケーブルを接続する必要があります。代替案として同軸ケーブルの使用があります。研究によると、伝送媒体が簡素化されているにもかかわらず、高周波帯域で放射と耐性の両方を支配できることが示されています。将来の高速ビデオ接続は、より小型、軽量、低コストで実現できます。
シリアルビデオ伝送技術は、カメラ、ディスプレイ、および制御装置を接続するために自動車で広く使用されています。非圧縮ビデオデータは、特定のアプリケーションにおいていくつかの利点があります。シリアル通信プロトコルにより、3～4 Gbit/s のデータ転送速度が可能になり、フル HD 解像度までのディスプレイの制御が可能になりました。追加のハードウェアとソフトウェアに対する要求が低いため、シリアライザとデシリアライザのコンポーネントを制御ユニットに統合することは、簡単かつ安価です。一方、ビデオ伝送には、対応するネットワークコントローラへの接続のためのバスソリューションと、必要に応じてデータ圧縮のためのリソースが必要です。多くのアプリケーションでは、ビデオアーキテクチャ全体でフル機能のネットワークは必要なく、一部のアプリケーションでは、画質の低下と追加の遅延のためにデータ圧縮は実現不可能であるため、バス指向のビデオ伝送技術は、現状では部分的にしか魅力的ではありません。