周 芳

（遼寧師范大學海華學院，遼寧 沈陽110000）

隨著信息技術的發(fā)展，對信號帶寬提出更高的要求，并且促進多信道應用的推廣，總之數(shù)據(jù)量越來越大，傳輸速率越來越快。傳統(tǒng)的點對點式的物理層接口已經明顯無法勝任如今的數(shù)據(jù)要求，不僅速度跟不上節(jié)奏，而且功耗、噪聲等性能表現(xiàn)不佳。隨著LVDS技術的普及，上述問題得到一定程度的緩解，并且在雷達中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

1 LVDS技術原理及設計

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是以低擺幅為主要特征的差分信號技術，能夠以數(shù)百Mbps的傳輸速率穩(wěn)定工作在 平衡電纜上，并且可以保持良好的低壓幅以及低電流輸出，并且保證噪聲和功耗控制在一定范圍內。

近幾十年的發(fā)展，使得邏輯電路接口不斷調整，以適應越來越高的傳輸速率要求，使低壓供電成為可能。供電電壓的降低有諸多好處，除了可以大幅度削減功率消耗以外，還可以促進芯片的散熱，使集成度的提高成為可能。LVDS就是實現(xiàn)低供電電壓和小電壓擺幅最為明顯的例子，低壓差分信號的物理接口采用的是1.2V偏置偏置供應400mV擺幅的信號，最大程度消除噪聲。LVDS可以在任意供電電壓下工作，驅動對供電電壓的依賴程度較低，能夠更加方便地實現(xiàn)性能穩(wěn)定性，隨供電系統(tǒng)變化小。

通常LVDS的定義中規(guī)定了其電特征，對SCI協(xié)議里包交換的編碼進行了詳盡的定義。定義和特定的物理媒質無直接關聯(lián)，也指代說明了只要接口可以正常運行，就應當使媒質控制在噪聲邊緣以及歪斜容忍度之內將信號傳遞至接收器。LVDS的優(yōu)點眾多，其中最主要的是良好的終端適配性能、功耗極低、可靠性高、成本控制良好和傳輸速率大。正是這些優(yōu)點使得LVDS技術在通訊、計算機等多個行業(yè)得到廣泛的應用。

LVDS接口連接圖由驅動器、互連單元和接收器三部分構成，這采用的是單工方式，但是部分情況下也能采用半雙工、多點配置的方式，限制條件是噪聲小、距離足夠短。點與點之間的連接由上述三部分組成，其中驅動器和接收器實現(xiàn)TTL和LVDS兩種不同信號之間的轉換。LVDS接收器阻抗相當高，所以輸出電流大多流經100歐姆的電阻。驅動器發(fā)生翻轉的時候，會改變電流在電阻中的流動方向，通常根據(jù)邏輯狀態(tài)“1”和“0”進行區(qū)分。LVDS技術的采用，使PCB板的功效最大程度發(fā)揮，從某種意義上講削減了成本。

LVDS技術可以實現(xiàn)高速驅動，一般而言，實現(xiàn)點對點的連接，數(shù)據(jù)傳輸速率超過800Mbps，如果采用的是多點互連的FR4背板，將十塊卡當成負載接入的總線，可以實現(xiàn)400Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度。由于LVDS產生的是差分信號，在傳輸過程中有更多優(yōu)勢。例如具有更強的噪聲抵抗能力，然而單線數(shù)據(jù)傳輸噪聲抵抗能力很弱。兩條差分信號線上的電流流動方向相反，產生的噪聲將會保持共模的方式，并耦合至兩條線上。LVDS技術中的接收端更多考慮的是兩個信號差值，從而確保噪聲微小。兩條反向的信號線將會產生相互抵消的電磁場，相比以往的單線信號傳輸具有更小的電磁輻射，噪聲控制更加科學合理。不依賴供電電壓的特性使LCDS在2~4V的廣闊范圍內表現(xiàn)良好。LVDS不受電磁輻射的干擾，提供優(yōu)質上乘的信號質量。但是LVDS技術對空間跨度的要求較高，傳輸距離一般大于20m時才能取得良好效果。

2 LVDS典型結構及主要應用范圍

當前我國采用的LVDS產品大多來自美國與德國的半導體公司，這兩個產地的LVDS產品相比更加成熟，可以較好地實現(xiàn)點至點結構、點至多點結構、多點與多點結構和矩陣開關這樣四種結構，性能穩(wěn)定，各方面優(yōu)勢明顯。

2.1 點到點結構與點到多點結構的應用

點到點以及點到多點結構的產品由LVDS驅動、接收器以及解串器等組成。在進行多通道、動態(tài)響應頻繁的數(shù)據(jù)傳輸過程中表現(xiàn)出優(yōu)良特性，其中解串器是有效的解決方案。在雷達系統(tǒng)中，各個分系統(tǒng)按照不同的傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸，不同系統(tǒng)均憑借背板完成傳輸，LVDS技術的引入對簡化電纜及相關接插件有促進作用，并且可以大大降低PCB背板的復雜程度。點對點與點對多點的結構可以廣泛適用于雷達系統(tǒng)，表現(xiàn)出優(yōu)良的使用特性。

單點到多點的結構通常用于數(shù)據(jù)分配業(yè)務，以發(fā)送廣播的形式向多個接收器發(fā)送信號，采用廣播式的總線結構，保證數(shù)據(jù)高傳輸速率、穩(wěn)定性和安全性。

2.2 多點到多點結構的應用

多點到多點結構主要采用BusLVDS技術，能較全面地滿足使用需求。其中BusLVDS是在接收器與驅動器方面做出應用拓展，使該技術更符合多點到多點應用的要求。經過拓展的LVDS技術要求總線兩端直接與電阻相連，這種結構特點可以使其更好地運用于重負載的背板上，等效阻抗控制在100Ω以下，加在驅動器上的負載大約40歐姆。當遇到要求更高的通信系統(tǒng)需求時，可以采用結構更復雜、構造更大的高速背板，同樣采用LVDS技術簡化問題、解決問題。應用多點對多點的總線結構需要注意的是盡量簡化線路，采用最少的接線，盡量實現(xiàn)雙向與半雙工的通訊功能，提高傳輸效率以及設備利率效率。然而必須確保在同一時間僅允許一個發(fā)送器正常工作，否則將產生沖突造成嚴重后果。

3 LVDS技術的設計

LVDS的高速傳輸能力、低噪聲低電磁干擾、低功耗以及成本低的特點決定了該技術的廣闊應用前景，目前國內外相關研究人員針對不同應用場景根據(jù)LVDS理論開發(fā)出不同的LVDS產品，充分挖掘了LVDS技術的潛在優(yōu)勢和技術優(yōu)點，越來越完善的系統(tǒng)設計也規(guī)避了LVDS的技術短板。筆者將結合實際生產運用中常見的某型號雷達系統(tǒng)進行LVDS技術的應用分析以及相關的設計原則和設計方法。

由于該系統(tǒng)總共包含數(shù)十條接收通道與數(shù)字中頻接收器，各類數(shù)據(jù)線總計500路。如果采用以往的TTL/CMOS信號用雙絞線完成并行的數(shù)據(jù)傳輸，相關導線將數(shù)以千計，將直接導致系統(tǒng)結構混亂，背板過于復雜，因此而產生的噪聲與低劣的EMI性能將使設計整體大打折扣，對設計人員提出更高的挑戰(zhàn)，冗余的導線無疑增加功率損耗，系統(tǒng)工作效率低下。筆者為了優(yōu)化系統(tǒng)設計，嘗試性地運用LVDS串行/解串器技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可以將數(shù)量龐大的導線壓縮至數(shù)十對差分線，能夠很好地適應若干型號雷達的運用。在進行系統(tǒng)設計時，首先確定產品，分析其采用LVDS技術的可行性，然后應當將LVDS技術的實現(xiàn)轉化為對PCB板的設計上，抓住設計的中心環(huán)節(jié)。進行PCB布線設計時需要遵循的原則是保證良好的阻抗匹配。一旦差分阻抗出現(xiàn)不匹配的情形，將會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，不僅削弱信號影響信號質量，而且會產生共模噪聲，共模噪聲不能與差分線路磁場產生抵消作用將會產生電磁輻射，影響產品的使用體驗和耐久性。設計時要確保信號通過IC之后的差分阻抗走向的正確性，并盡量使尾端長度小于12毫米。

要進行PCB板差分布線的設計首先進行差分線材料的選擇，其中側耦合的微帶線是良好的材料，也是筆者設計時采用的差分線材料，然后接下來是重要的布線工作。布線時根據(jù)微波傳輸線理論，布線應確保一旦離開IC使差分線對一起走線，因為布線離磁場的距離越小，共模噪聲的抵消效果更好，可以有效緩解反射產生的電磁輻射。進行差分布線時盡量不采用自動布線功能，正確的做法是匹配出一對差分線的長度，嚴格控制不同差分線之間的距離，盡量減少線上過孔。布線中不能出現(xiàn)直角轉彎的現(xiàn)象，實際需要時可以用弧線或者45度斜線取代直角。

為了更好地實現(xiàn)LVDS技術應當最少采用四層PCB板，分別對LVDS信號、地面、電源和TTL信號進行分層布局，結構清晰。TTL信號和LVDS信號必須在不同PCB板上進行隔離，并且應該與電源和地面分隔開。發(fā)送器和接收器與插件的距離要盡可能縮小，采用較短的連線，連線長度應當控制在1英尺作用，可以有效控制PCB上的噪聲，切斷其傳遞到差分線的途徑，還能減少電路板和電纜之間交叉EMI干擾。不論是分散式散裝電容還是表貼電容都要和電源與地線引腳保持一定距離。電源與地線的PCB板上多使用寬布線，這樣阻抗較低，其中地線的PCB回路還應盡量設計的短且寬。系統(tǒng)的終端負載采用98~102歐姆，并且和接收器縮小距離以匹配差分阻抗。在實際應用中多選用雙絞線平衡電纜，為安全性和穩(wěn)定性考慮在電纜外層加以屏蔽。最后要強調，LVDS技術的系統(tǒng)設計應當遵循以幾點原則：優(yōu)先進行電源和地的布線分布，其中傳輸線的結構應進行科學的選取，在實現(xiàn)剩余電路設計之后，要保持觀察，及時對整體布局進行修改調整。

4 LVDS技術運用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨秆芯?/h2>

筆者將根據(jù)實踐經驗給出三種常用的基于LVDS技術的多信道高速數(shù)據(jù)傳輸方案，采用不同的鏈路層協(xié)議以及同步方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。

4.1 前面板數(shù)據(jù)口協(xié)議的LVDS數(shù)據(jù)傳輸

前面板數(shù)據(jù)口簡稱FPDP，F(xiàn)PDP協(xié)議可以為兩個及以上的板卡實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，這是一種條件較為寬松的分層協(xié)議，如果數(shù)據(jù)傳輸只關注傳輸速度可以用FPDP協(xié)議進行極大的簡化。FPDF協(xié)議經簡化后將分成數(shù)據(jù)信號、控制信號和時鐘信號三大類。傳輸數(shù)據(jù)之前首先確認就緒信號，然后發(fā)送和STROBE一致的數(shù)據(jù)，并給予有效信號，一旦接收器確認該有效信號，便可以根據(jù)SYNV信號逐幀進行數(shù)據(jù)的同步和高速傳輸工作。

4.2 根據(jù)幀結構的LVDS數(shù)據(jù)傳輸

因為通常的數(shù)據(jù)傳輸控制是依靠傳輸信令實現(xiàn)，將會產生額外的開銷。使用幀結構的LVDS傳輸可以一定程度減小開銷，以幀結構代替?zhèn)鬏斝帕顚?shù)據(jù)傳輸進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步接受。采用LVDS技術的高速數(shù)據(jù)傳輸以幀同步字，在各個幀數(shù)據(jù)之前添加區(qū)別于數(shù)據(jù)內容的同步字，這樣接收器對接受的數(shù)據(jù)按照同步字進行校驗，如果是同步字，然后才繼續(xù)接下來的數(shù)據(jù)接收。除此之外，在各個幀數(shù)據(jù)之首添加地址字，能夠實現(xiàn)兩個以上設備間的鏈轉發(fā)，多信道數(shù)據(jù)傳輸效率將有所提升。

4.3 通過接收器高速時鐘同步的LVDS數(shù)據(jù)傳輸

幀結構的使用對數(shù)據(jù)傳輸效率造成不利影響，不含幀結構的傳輸將更直接更高效。如果只在發(fā)送端的數(shù)據(jù)有效時才給出發(fā)送時鐘，則能夠在數(shù)據(jù)傳輸通道增加的情況下減少發(fā)送和接收端間的控制信號，這種離散的時鐘發(fā)射可以提高LVDS數(shù)據(jù)傳輸效率。

4.4 三種方案的比較

上述三種LVDS數(shù)據(jù)傳輸方案各自擁有自身的優(yōu)點，但也表現(xiàn)出其他方面的性能短板，因此可以將三種傳輸方案分別用于不同的應用場景。FPDP方案的傳輸時鐘速率高而且不需要同步字，但是需要控制信號，因此適用于點對點的情形與多板菊花鏈；幀結構方案雖然需要同步字，但是不需要控制信號；高速時鐘采樣方案對同步字和控制信號均無要求，但是傳輸時鐘速率相比前二者略低。

5 LVDS技術在多信道數(shù)據(jù)傳輸中的應用

筆者根據(jù)機載SAR對LVDS的數(shù)據(jù)傳輸進行研究。由于機載環(huán)境較差，并且發(fā)送和接收設備采用3m電纜進行連接，綜合考慮各項因素選用高速時鐘同步傳輸方案，并且采用基于FPGA的方案，提高集成度。機載SAR處理系統(tǒng)將線性調頻信號轉變?yōu)?0Mbps的I之路與Q之路，數(shù)據(jù)率總計100Mbps。接收端接入SAR處理機，對信號實現(xiàn)成像處理，獲取SAR圖像。

該系統(tǒng)的LVDS傳輸接口實現(xiàn)LVDS發(fā)送端和LCDS接收端的連接，LVDS發(fā)送端首先進行數(shù)據(jù)的發(fā)生，通過并/串轉換通過LVDS發(fā)送端實現(xiàn)LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送端和接收端之間用LVDS平衡電纜相連，當接收器接受數(shù)據(jù)之后，進行接受數(shù)據(jù)的同步，然后通過串/并轉換后完成接收的緩存。由于采用高速時鐘同步傳輸方案，沒有任何控制信號和幀結構，接收端很難明確數(shù)據(jù)到達時刻。這時就需要對發(fā)送時鐘采樣，分析判斷發(fā)送時鐘是否存在上升沿，通過上升沿同步信號進行數(shù)據(jù)同步，判斷過程借助VHDL代碼實現(xiàn)。

發(fā)送端和接收端都進行了并/串轉換，發(fā)送端將低速并行數(shù)據(jù)轉換為高速串行數(shù)據(jù)，接收端則進行相反的操作。FPGA設計有利于針對不同需求進行轉換，靈活性更高。為了在Spartan IIE里采用LVDS接口，首先應當創(chuàng)建管腳配置文件，并且指明各個管腳應用的LCDS規(guī)范。在發(fā)送端和接收端采用不同的緩存，前者需要設置LVDS正、負端的緩存，把最初的信號首先反相然后遞送至負端緩存，實現(xiàn)發(fā)送過程。發(fā)送端僅僅需要給LVDS正端配置輸入緩存即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

完成數(shù)據(jù)傳輸線路的具體應用之后，筆者總結出三個注意事項：首先，在發(fā)送端的各個差分線上串聯(lián)165歐姆的電阻，在其間并上14歐姆的電阻，這樣就必須在接收端的差分線之間并上100歐姆的電阻；然后，差分線之間也應存在耦合關系，走線保證電感最?。蛔詈?，設計PCB板時各信號務必分布在不同的信號層上。

6 小結

LVDS技術運用于多信道高速數(shù)據(jù)傳輸比以往RE-422等標準表現(xiàn)更佳，而且可以大大簡化系統(tǒng)設計，減少導線的使用量，并確保系統(tǒng)擁有良好的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率。采用不同的LVDS數(shù)據(jù)傳輸方案將會獲得不同的傳輸效果，具體應用時根據(jù)實際情況進行選取。

［1］孟令軍,張國兵,王宏濤，等.基于FPGA的LVDS高速差分接口應用[J].化工自動化及儀表,2010,37(5):94-96.

［2］李斌,張會新,劉文怡，等.基于LVDS的高速圖像數(shù)據(jù)存儲器的設計與實現(xiàn)[J].電視技術,2014,38(3):48-52.