特集 情報処理 DVI 光シリアルリンクの開発 The development of a DVI optical serial link 秋 本 尚 行，野 原 学 Takayuki Akimoto, Manabu Nohara 岩 井 智 昭，曽 我 裕 介 Tomoaki Iwai, Yuusuke Soga 大 久 保 英 幸，野 口 良 司 Hideyuki Ohkubo, Ryoji Noguchi 石 戸 谷 耕 一，篠 倉 毅 一 郎 Koichi 要 旨 Ishitoya, Kiichiro Shinokura メディアレシーバ( M R ) とプラズマディスプレイパネル( P D P ) との間を流れ る映像や音声，制御信号を，2 芯のプラスティック光ファイバー( P O F ) ケーブル一本に よって 3 0 m までの距離を伝送するシステム“D V I 光シリアルリンク”を開発した。本 稿では，そのシステムと技術要素を紹介する。 Summary Pioneer plasma television sets consist of a Media Receiver (MR) and a Plasma Display Panel (PDP) which are connected by metal cables. Our plasma television sets transmit visual data, audio data, and control signals. The DVI optical serial link, which has one Plastic Optical Fiber (POF) with two cores of length up to 30 meters, was developed to replace the metal cables. This report describes the outline of the system along with a technical description. キ ー ワ ー ド ： プラズマディスプレイ，P D P ，プラスティック光ファイバー， 光伝送，D V I ，アイセーフティ 1. まえがき 置くケースが多く見受けられる。このような場 大型で薄型のプラズマディスプレイは，その 合，双方の接続には付属のシステムケーブルで ほとんどが大きなリビングの間取りに見合うよ は長さが足りず，オプションのロングケーブル うな位置に置かれている。特に北米や欧州で を利用することになる。しかしながら，メタル は，プラズマディスプレイパネル( 以下 P D P と のシステムケーブルは，D V I ( D i g i t a l V i s u a l 呼ぶ) を暖炉の上などに配置し，メディアレ Interface)の電気的特性上 (1) ，数メートルまで シーバ( 以下 M R と呼ぶ) を P D P と離れた場所に の長さしか伝送できない。また，昨年末より導 - 41 - PIONEER R&D Vol.15 No.1 入され，すでにオプション販売されている光 ( M R 側) で多重化され，ファイバーを介して高速 ファイバーケーブルを使用した 3 0 m ロングケー 光シリアル信号( 3 . 1 2 5 G b p s ) で受信側モジュー ブルシステムを利用する場合は，D V I インター ル( P D P 側) に伝送される。受信側モジュール フェースに相当する部分の映像信号をガラス光 ( P D P 側) では，送られてきた高速光シリアル信 ファイバー 4 本，DDC(Display Data Channel) 号から元のディジタル映像信号とアナログ音声 制御信号をメタルケーブル 1 本で接続し，さら 信号に復号化され，映像信号は DVI ケーブルを， に音声と制御信号をメタルの M D R ケーブルで接 音声信号は M D R ケーブルを通して P D P へ伝送さ 続する形態となり，配線ケーブルが多く，また れる。 メタルケーブルが太くなるため，P D P と M R 間の 配線の設置が非常に大変である。 次に制御用信号の流れについて述べる。制御 用信号には，D V I ケーブルで送･ 受信される D D C 上述の背景から，PDP と MR 間を伝送される映 信号と，M D R ケーブルで送･ 受信されるコント 像・音声・制御信号を，よりスマートで長い距 ロール信号がある。この制御信号は，MR から PDP 離の伝送を可能とする 2 芯のプラスティック光 へ送信される( 下り) 信号と P D P から M R へ送信 フ ァ イ バ ー ( 以下 P O F と 呼 ぶ) を 用 い た 一 本 の される( 上り ) 信号とに分けられる。 ケーブルによる伝送システム“D V I 光シリアル リンク”を開発した。 MR から P D P へ送信される( 下り) 信号は，送信 側 モ ジ ュ ー ル( M R 側 ) で 前 述 さ れ た 映 像 信 号 や 本稿では，そのシステムの概要( システム・ 音声信号と多重化されて高速光シリアル信号 特長・技術要素) や内部構成，性能，仕様を述 ( 3 . 1 2 5 G b p s ) で伝送，受信側モジュール( P D P べる。 側) にて復号化された後に PDP へ伝送される。ま た，P D P から M R へ送信される( 上り) 信号は，受 2. 概 要 信側モジュール( P D P 側) で多重化され，ファイ 2.1 バーを介して低速光信号(28.4Mbps)で送信側モ システム 図 1 に，M R ，P D P と光シリアルリンクの外観 ジュール( M R 側) に伝送される。送信側モジュー を示す。D V I 光シリアルリンクは，M R とつなが ル( M R 側) では，送られてきた低速光信号から元 る送信側モジュールと，P D P とつながる受信側 の信号に復号化されて M R へ伝送される。 モジュールとで構成され，送･ 受信モジュール 2.2 間は 2 芯の POF ケーブルで接続される。POF ケー D V I 光シリアルリンクでは，信号を電気から ブルは，GI(Graded Index)型 POF(高速用)およ 光に変換して伝送している。これは，光伝送は び SI(Step Index)型 POF(低速用)の 2 本 1 組で 電気伝送に対してノイズや信号劣化の影響面が 構成されており，ファイバー両端に取り付けら 極めて小さいため，より遠い距離に信号の伝送 れた 2 心のコネクタを，送信モジュールおよび が可能である点を利用している。また，これに 受信モジュールに接続し，モジュール間を光伝 より伝送速度も高速にすることが可能となる。 送する。 これらの利点を生かすことで，D V I 光シリアル 図 2 に，D V I 光シリアルリンクのシステム接 続を示す。同図の信号の流れに基づいてシステ 特長 リンクでは 3 0 m の長距離を 3 . 1 2 5 G b p s という速 さで信号を伝送している。 ムの概要を述べる。 また，D V I 光シリアルリンクでは，この光伝 まず，映像信号と音声信号の流れを説明す 送の媒体にプラスティック光ファイバー( P O F ) る。M R から D V I ケーブルを通して入力される を採用している。このファイバーは，従来のガ ディジタル映像信号と M D R ケーブルから入力さ ラスファイバーに比べて曲げても折れにくく， れるアナログ音声信号は，送信側モジュール また価格面においても，一般的なガラスファイ PIONEER R&D Vol.15 No.1 - 42 - バーに比べて安価である。このファイバーを用 て，受信側で映像に同期した P i x e l _ C L K を再生 いることで，一般家庭内でも配線する際の引き できるよう，高速光シリアル信号の伝送パケッ 回しが容易に可能になり，低コストで実現でき トを設計した。 る特長を有している。特に，ギガビットクラス 2.3.2 の超高速伝送を可能にする P O F の民生用への製 POF ケーブルを流れる光が漏れて人間の目に危 品化は，世界に先駆けた開発である。 2.3 険を及ぼさないよう，アイセーフティの安全機 技術要素 能を開発，搭載している。この安全機能は，P O F 本章では D V I 光シリアルリンクの技術要素に ついて述べる。 2.3.1 アイセーフティの安全機能 ケーブル破損や損傷などによる光漏れを検知し て光伝送の発光を即座に停止するよう設計した。 伝送パケット( フォーマット) と 3. 内部構成 ピクセルクロック(Pixel_CLK)の再生 D V I ケーブルから入力される信号には，映像 D V I 光シリアルリンクの内部構成ブロックを 信号と D D C 信号の他に映像信号と同期した 図 3 に示す。 図 3 上部は送信側モジュール ( M R P i x e l _ C L K が含まれているが，光シリアルリン 側)のブロックを，図 3 下部は，受信側モジュー クではこの P i x e l _ C L K を伝送できない。従っ ル( P D P 側) のブロックを示している。 図 1 M R ，P D P と D V I 光シリアルリンク AC アダプター 送信(Tx) モジュール DVI ケーブル MDR ケーブル メディアレシーバー (MR) PDF ケーブル DVI ケーブル (30m) プラズマディスプレイパネル (PDP) ※ POF 径 φ 3.0 × 6.0 AC アダプター 図 2 MDR ケーブル 受信(Rx) モジュール D V I 光シリアルリンクによるシステム接続 - 43 - PIONEER R&D Vol.15 No.1 3.1 送信側内部構成 3.2 受信側内部構成 送信側モジュールは， 受信側モジュールは， ・M R と電気信号を送･ 受信する D V I C o n n e c - ・ P D P と電気信号をやり取りする D V I C o n - tor 部と MDR Connector 部 nector 部と MDR Connector 部 ・POF Cable と光信号を送･受信する Optical ・ POF Cable と光信号をやり取りする Opti- Connector(Tx-Module)部 cal Connector(Rx-Module)部 ・光伝送する信号のパラレル・シリアル変換 ・光伝送する信号のパラレル・シリアル変換 機能と O p t i c a l C o n n e c t o r 部の制御機能 機能と O p t i c a l C o n n e c t o r 部の制御機能 を有する F P G A 部 を有する F P G A 部 ・周辺部( P L L ，X ’t a l など) ・周辺部( P L L ，X ’t a l など) の各ブロックから構成されている。次に各ブ の各ブロックで構成されている。これらの各ブ ロック間の主な信号の流れについて述べる。 ロック間での主な信号の流れについて述べる。 DVI Connector 部から FPGA への信号は，RGB FPGA から DVI Connector 部への信号は，RGB の DATA が TMDS から CML 形式に，CLK が LVDS 形 の DATA が CML から TMDS 形式に，CLK が LVDS か 式に変更されて入力される。また，M D R ら Con- T M D S 形式に変更され，出力される。また， nector 部と FPGA との間では，MR から入力され M D R C o n n e c t o r 部と F P G A との間では，P D P へ るオーディオ信号と，下り( M R → P D P ) と上り 出力されるオーディオ信号と，下り( M R → ( P D P → M R ) で制御信号( ユーザデータ) が伝送さ P D P ) ･ 上り( P D P → M R ) の各制御信号が，伝送さ れる。そして，F P G A 部と O p t i c a l C o n n e c t o r れる。そして，F P G A 部と O p t i c a l C o n n e c t o r 部との間では，送信する高速信号と受信した低 部との間では，受信した高速信号と送信する低 速信号がそれぞれ伝送される。 速信号がそれぞれ伝送される。 次に F P G A 内部ブロックについて述べる。 F P G A 内部ブロックは， 次に F P G A 内部ブロックについて述べる。 F P G A 内部ブロックは， ・メディアレシーバから D V I の映像信号が入 力される T M D S _ R X ブロック HI_SPEED_LINK_RXブロック ・A / D コ ン バ ー タ か ら シ リ ア ル 入 力 さ れ る A u d i o _ T X ブロック データが多重される M U X ブロック ・映像信号のパラレルデータをシリアル出力 する T M D S _ T X ブロック ・多重された信号を 3 . 1 2 5 G b p s の高速リンク に出力する H I _ S P E E D _ L I N K _ T X ブロック ・ バ イフェーズの低速リンクを受信し，ユー ザデータをデコードする LOW_SPEED_LINK_RX ブロック ・ ユ ー ザ デ ー タ を エ ラ ー 訂 正 す る Error_Concelment ブロック ・オーディオデータを D / A コンバータに出力 する A u d i o _ R X ブロック ・ダミーパケット( スタンバイ) 通信と映像伝 ・アイセイフティーの安全機能を実現する S a f t y _ F a n c t i o n ブロック 送を検出する S t a n b y ブロック ・リセット信号を遅延させる Reset_Delay ブ システムクロックとリセットを生成する SYSTEM_CLK_and_RESET ブロック ロック ・ユーザデータの低速リンクを送信する の各ブロックで構成し，送信側の主な機能を実 現している。 PIONEER R&D Vol.15 No.1 ・映像信号とユーザデータにデータを振り分 ける D E M U X ブロック ・映像データ，オーディオデータ，ユーザ ・ ・高速リンクの 3.125Gbps のデータを受信する LOW_SPEED_LINK_TX ブロック ・システムクロックとリセットを生成する - 44 - Tranmit side FPGA SYS 3 TMDSx3 CLK 3.125Gbps SYS CLK TMDS_RX Pixel CLK TMDS ⇒ LVDS PLL X3,X5 MUX USER DAT Optical Connecter(Tx_Module) 㩷 DVI Connecter HI_SPEED_ LINK_TX TMDSx3 3 TMDS ⇒ CML Safty LED_ROSS Audio DAT DDC 2 21 USR DATA Down Link 10 MDR Connecter I/F Up Link SYS CLK 11 Other LOW_SPEED_LINK_RX 28.4Mbps Audio 2 SYS CLK A/D Audio DAT Audio_Tx SYS CLK SYSTEM _CLK_ and_ X’tal 156.25 MHz Receive Side FPGA REC CLK 3 REC CLK Pixel CLK 3.125Gbps Xtak CLK TMDS_TX PLL Stanby Reset Delay DVI Connecter Pixel CLK LVDS ⇒ TMDS TMDSx3 㩷 Optical Connecter(Rx_Module) CML ⇒ TMDS HI_SPEED_ 㩷 LINK_RX TMDSx3 DDC 21 2 USR DATA DEMUX Audio DAT Down Link 10 Error_Concealment I/F MDR Connecter Up Link X’talCLK 11 Other LOW_SPEED_LINK_TX 28.4Mbps Audio 2 REC CLK D/A Audio_Rx 図 3 Audio DAT SYS CLK SYSTEM _CLK_ and_ X’tal 156.25 MHz 送受信モジュールのブロック - 45 - PIONEER R&D Vol.15 No.1 4.1 SYSTEM_CLK_and_RESET ブロック 表 1 に，DVI 光シリアルリンクの Pixel error の各ブロックで構成し，受信側の主な機能を実 現している。 Pixel error rate と Clock jitter rate と Clock jitter 測定結果を示す。 P i x e l e r r o r r a t e はピクセルクロックの伝 4. 性 能 送エラーのことで，1 0 のマイナス 9 乗( 1 0 - 9 ) 以 D V I 光シリアルリンクは，D V I 信号の伝送部に 下と規定されている。D V I 光シリアルリンクで おいては，DVI 規格(1)に準拠するよう設計した。同 は，この値が 5.54 × 10 のマイナス 13 乗(10 -13 ) 規格のうち，D V I 光シリアルリンクの性能を示す 以下となっており，この規格を満たしている。 ピクセルエラーレート(Pixel error rate)，ク C l o c k j i t t e r は，D V I 出力部においてリカ ロックジッタ( C l o c k j i t t e r ) ，イントラ・ス バークロックリでファレンスクロックのジッタ キュー(Intra-skew)，インター・スキュー(Inter- を評価しており，3 5 3 s k e w ) ，そしてアイパターンマスクテスト( E y e る。D V I 光シリアルリンクでは，この値が 2 5 0 Pattern Mask Test)の各項目に関して述べる。 p s となっており，この規格を満たしている。 表 1 p s 以下と規定されてい D V I 光シリアルリンクの P i x e l e r r o r r a t e と C l o c k j i t t e r 測定結果 ࡄࡔ࠲ 2KZGNGTTQTTCVG %NQEMLKVVGTޓ &8+ⷙᩰ OCZ RUOCZ +PVTCUMGYޓ RUOCZ +PVGTUMGYޓ RUOCZ &8+శࠪࠕ࡞ࡦࠢ એਅ RU 4RU )RU $RU 4)RU 4$RU $)RU *1,規格では 0.3 UI maxとされている T pixel (1clock, Pixel Time) = 10 × T bit(1UI, Bit Time) クロックは 85MHz なので、1 周期約 11.76 ns：T pixel よって、0.3 UI = 0.3 × 11.76 ns ÷ 10 = 353 ns となる *2,規格では 0.4 UI maxとされている 0.4 UI = 0.4 × 11.76 ns ÷ 10 = 470 ns となる *3,規格では 0.6 T maxとされている 0.6 T = 0.6 × 11.76 ns = 7060 ns となる *1,2,3,測定はTP3(送出部)による 図 4 DVI 光シリアルリンクの Eye Pattern Mask Test 測定結果(R data with TP3) PIONEER R&D Vol.15 No.1 - 46 - 4.2 5 . 仕様 Intra-skew と Inter-skew 表 2 に，D V I 光シリアルリンクの主な仕様で Intra-skew と Inter-skew は，DVI 出力部に おける R G B 差動データのスキューを表してい ある電気的仕様( 特性) と光学的仕様を記す。 特に光学的仕様に関しては，ファイバーの破 る。Intra-skew は，差動の D+ と D- のスキュー を意味し，規定では 4 7 0 p s 以下となっている。 損などによるアイセーフティを考慮して D V I 光シリアルリンクでは，R : 1 4 9 p s ，G : 1 7 . 9 I E C 6 0 8 2 5 - 1 のクラス 1 という安全基準を満た p s ，B : 1 1 . 2 p s となっており，この規格を満た すものとなっている。 している。また，I n t e r - s k e w は，差動ライン 間のスキューを意味し，7 0 6 0 p s 以下となるよ 6. まとめ う規定されている。D V I 光シリアルリンクで 2 芯のプラスティック光ファイバーを用い は，R-G:64.4ps，R-B:30.3ps，B-G:9.7 ps と て，一本のケーブルで，P D P と M R との間を送･ なっており，この規格を満たしている。 受信する映像・音声・制御信号を，従来に比べ 4.3 よりスマートで長い距離を伝送できる“D V I 光 Eye Pattern Mask Test 図 4 に Eye Pattern Mask Test 測定結果を示 シリアルリンク”を開発した。 す。Eye Pattern Mask Test は DVI 出力部にお 本システムを用いることで，PDP と MR の配線長 いて時間方向に波形をノーマライズして評価す による設置制限は解消された。また，ケーブルに る規定となっている。図 4 から分かるように， 2 芯のプラスティック光ファイバーを採用したこ D V I 光シリアルリンクでは波形がこのマスクに とで，一般家庭で簡単に配線が可能になる。 今後，D V I とは別の新しいデジタルインタ 掛かっておらず，規格を満たしている。 4.4 フェースが登場した際にも，当システムの基本 特長 上述したように，D V I 光シリアルリンクは 技術は有効に活用できると考える。 D V I 信号を電気ではなく光で伝送するという手 段を構築したので，D V I 規格を十分満たす性能 7. 謝 辞 のシステムとなっている。 当システムを開発し，製品化するに当たり， 表 2 D V I 光シリアルリンクの主な仕様 㔚Ḯ㧦#%ࠕ࠳ࡊ࠲ᣇᑼ #%888#\*ޔ 9 ㅍାޔฃାฦޘ9 ᤋାภ &8+ⷙᩰߦḰߔࠆ6/&5 6TCPUKVKQP/KPKOK\GF &KHHGTGPVKCN5KIPCNKPIߩࠪࡦࠣ࡞ࡦࠢ᭽ 㖸ჿାภ /CZ8TOU -*\ 㖸ჿജ㔚 F$㨪F$ F$6[RKECN㧖 ᓧ /KPF$㧖 50Ყ ାภḮജࠗࡦࡇ࠳ࡦࠬǡ⩄⽶ޔMǡޔ᷹ቯജ ࠗࡦࡇ࠳ࡦࠬMǡޔ.2(M*\ శቇ᭽ 㜞ㅦ࠴ࡖࡦࡀ࡞ ജశ㊂ ㅢᏱᤨ+'%ࠢࠬ㧟4ޔోᯏ⢻േᤨหࠢࠬ േㅦᐲ )DRU ૐㅦ࠴ࡖࡦࡀ࡞ ജశ㊂ +'%ࠢࠬ㧝 േㅦᐲ /DRU 㔚Ḯቯᩰ ᶖ⾌㔚ജ - 47 - PIONEER R&D Vol.15 No.1 P B C 製品技術統括部第五技術部鳥海氏，阿多課 曽 我 裕 介 ( そが ゆうすけ) 所属：研究開発本部 情報通信開発セン 長および第五技術部の関係各位，P B C 商品企画 ター 放送システム開発部 部商品企画 G 武末氏，相沢課長および商品企画 入 社 年 月 ：1 9 9 3 年 4 月 部の関係各位，D P C 調達部の甲斐氏および調達 主 な 経 歴 ：M D ， C D - R ， D V D - R ， 液 晶 プ ロ ジ ェ 部の関係各位，P B C 製品品質保証部の野中氏お クター，B S デジタル放送などの開発を経 て，現在，P D P 関連の光通信機器の研究開 よび品質保証部の関係各位から協力をいただい た。この場を借りて，感謝します。 発業務に従事。 大 久 保 英 幸 ( おおくぼ ひでゆき) 所属：研究開発本部 情報通信開発セン 参 考 文 献 ター 放送システム開発部 入 社 年 月 ：1 9 9 7 年 4 月 (1) DDWG Electrical Test Working Group, “D V I Test and Measurement 主 な 経 歴 ：B S Guide” デジタル放送受信機の開発， I E E E 1 3 9 4 関連などの開発を経て，現在， P D P 関連の光通信機器の研究開発業務に従 事 。 筆 者 興味：画像圧縮，画像処理に興味を持つ。 秋 本 野 口 尚 行 ( あきもと た か ゆ き ) 所属：研究開発本部 情報通信開発セン 所属：研究開発本部 情報通信開発セン ター 放送システム開発部 ター 放送システム開発部 入 社 年 月 ：2 0 0 1 年 4 月 入 社 年 月 ：1 9 9 1 年 4 月 主 な 経 歴 ：P D P 関 連 の 開 発 主 な 経 歴 ：B S C S チ ュ ー ナ ， 無 線 L A N ， 第 三 世 代携帯電話，B l u e t o o t h ，光無線伝送など 石 戸 谷 入 社 年 月 ：1 9 8 2 年 4 月 まなぶ) 主 な 経 歴 ：L D プ レ ー ヤ ー ， D V D レ コ ー ダ な ど ， 所属：研究開発本部 情報通信開発セン 光ディスク関連，北米 D T V ，B S デジタルな ター 放送システム開発部 どの放送関連の開発を経て，現在，P D P 関 入 社 年 月 ：1 9 9 0 年 4 月 連の光通信機器の研究開発業務に従事。 主な経歴：初代カーナビ A V I C 開発，アクティ ブノイズコントロール，I n - B a n d D A B ，第 篠 倉 三世代携帯電話，光無線伝送などの開発を 経て，現在，P D P 関連の光通信機器の研究 きいちろう) 所属：研究開発本部 情報通信開発セン ター 放送システム開発部 主な経歴：高密後ディスク用 S H G 青色レー 智 昭 ( いわい と も あ き ) 所属：研究開発本部 情報通信開発セン ザ ー 開 発 （ シ ー テ ッ ク 展 示 ）， デ ィ ス ク マ スタリング装置開発，マイクロ波中継用 ター 放送システム開発部 レーザー開発，光無線伝送などの開発など 入 社 年 月 ：1 9 9 2 年 4 月 主 な 経 歴 ：H D リ ア プ ロ ジ ェ ク シ ョ ン T V ， L C L V の開発設計，B S デジタルなどの放送関連 の開発を経て，現在，P D P 関連の光通信機 器の研究開発業務に従事。 PIONEER R&D Vol.15 No.1 毅 一 郎 ( しのくら 入 社 年 月 ：1 9 8 8 年 1 0 月 開発業務に従事。 岩 井 こういち) ター 放送システム開発部 器の研究開発業務に従事。 学 ( のはら 耕 一 ( いしとや 所属：研究開発本部 情報通信開発セン の開発を経て，現在，P D P 関連の光通信機 野 原 良 司 ( のぐち り ょ う じ ) - 48 - を経て，現在，P D P 関連の光通信機器の研 究開発業務に従事。
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