低压差分信号技术综述

王胜男+罗长洲+蔡东红+李泽超

摘 要： 低压差分信号（LVDS）技术是一种小振幅差分信号技术，它降低了供电电压和逻辑电压摆幅，可有效提高数据传输速率，为高速数字系统带来了新的生机。论述了LVDS技术的基本原理，应用领域，总结了当前LVDS技术的应用方法，并对LVDS技术的应用前景做出相应的概述。

关键词： LVDS； 串行接口； 高速数字系统； 解串/串化器

中图分类号： TN919.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0142?03

Overview of low?voltage differential signaling technology

WANG Sheng?nan1， LUO Chang?zhou1， CAI Dong?hong2， LI Ze?chao1

（1. Beijing Institute of Control & Electronics Technology， Beijing 100038， China； 2. Department of Physics， Kashi Normal University， Kashi 844000， China）

Abstract： Low?voltage differential signaling （LVDS） technology is a small?amplitude differential signaling technology， which reduces the power supply voltage and logic voltage swings， effectively improve data transmission rate， and brings a new life for the high?speed digital system. The basic principle and application fields of LVDS technology are elaborated in this paper. The available application methods of LVDS technology are summarized. The application prospect of LVDS technology is described briefly.

Keywords： LVDS； serial interface； high?speed digital system； deserializer/serializer

0 引 言

在数据采集处理系统以及相关应用领域中，由于智能处理器的处理速度不断提高，系统间的数据交互量不断增加，尤其在航天航空、工业自动化、通信等领域，对数据的远距离传输和高速实时储存等方面有更高的要求。如果数据总线接口的传输速率过慢，就会导致整个系统的工作性能降低。因此，总线接口的发展在数字信号处理中起着至关重要的作用。

纵观总线接口技术的发展历程，串行接口技术比并行接口技术发展更加迅速，甚至一些并行接口技术已逐渐被串行接口取代。主宰硬盘驱动器接口技术的并行标准——ATA接口，在更新到ATA?7版本后，由于其接口速度仅有一百多兆而被新型的串行接口技术SATA取代。在2003年的CEBIT大会上，惠普和希捷提出了SAS界面的硬盘样品，其最初的目标就是为了取代并行SCSI接口，使其能够为用户提供高性能、高可靠性、易于管理的接口，满足企业级的数据中心需求。

串行接口发展快速的原因，除了电子技术不断更新改革，更重要的是它相对于并行接口的优势：适合长线传输，在复杂电控系统中设计相对简单。低压差分信号（LVDS）传输技术凭借自身高速率、低功耗等特点，在串行接口中脱颖而出，受到了设计者的青睐。尤其是对于显示技术，LVDS接口的出现为其带来了新的生命力。

1 LVDS技术介绍

近年来，5 V供电的使用简化了不同技术和厂商逻辑电路之间的接口。但是，高电压影响了数据传输的速率。低压差分信号（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）传输技术是一种小振幅差分信号技术，它是由美国国家半导体公司于1994年提出的，又被称为RS 644总线接口。该接口可实现点对点或一点对多点的连接，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆。它降低了供电电压和逻辑电压摆幅，有效地提高了数据传输的速度。LVDS接口的工作原理如图1所示，驱动器是由一个恒流源（通常为3.5 mA）驱动一对差分信号线。接收端设有一个约100 Ω的终端电阻，使得几乎全部的驱动电流都流经该电阻，并在接收端产生约 350 mV的电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产生一个有效的“0”或“1”逻辑状态[1]。该LVDS串行接口技术具有高速率、低噪声、低功耗、终端适配容易等特点，适用于对传输速率和长度要求较高的系统中。

图1 LVDS接口工作原理

目前，LVDS串行接口技术共在三个标准中定义，第一个是ANSI/EIA/EIA?644（1995年11月通过），它主要定义了LVDS的电特性，并建议655 Mb/s的最大速率和1.923 Gb/s的无失真媒质上的理论极限速率；第二个是IEEE P1596.3（1996年3月通过），主要面向SCI（Scalable Coherent Interface），定义了LVDS的电特性，还定义了SCI协议中包交换时的编码；第三个是ANSI/TIA/EIA?644?A?2001标准（2001年1月通过），该标准是基于ANSI/EIA/EIA?644标准提出的，但在此标准中，只定义了LVDS接口技术的使用范围以及其电气特性，并没有对其传输速率给出建议。

2 LVDS技术应用

2.1 LVDS应用领域

现如今，航空航天、工业自动化、通信等领域对系统的实时性、数据的高速实时存储提出了更高的要求，在某些特殊的条件下，还需要实现数据的远距离传输。在这种形势下，LVDS串行接口技术通过降低供电电压和逻辑电压摆幅，有效地提高数据传输的速率，为数字系统带来了新的生机，突破了数据传输速率低的瓶颈。

LVDS串行接口技术被广泛应用于高速数字系统中。该技术主要应用于两个方面：图像视频数字传输相关领域和大容量高速数据传输相关领域。由于图像视频系统需要保持高实时性的特点，对数据的高速实时存储有着较高的要求。LVDS串行接口技术能够实现高速、可靠的数据传输，保证了系统的高实时性。目前，LVDS接口电路已成为平板显示系统信号传输的首选，被广泛应用于数字视频高速传输系统。另外，很多LVDS串行芯片专门有一组视频数字信号的数据总线，例如MAXIM公司生产的MAX9217/MAX9218串化/解串芯片就专门有一组18位的RGB视频数据并行总线，为视频数据的传输提供了便利。其他一些系统中虽然不需要视频成像，但也使用了LVDS技术。例如导航系统为了获得较高的导航精度，对数据的更新速率有很高的要求。LVDS串行技术可实现几百兆的传输速率，应用起来简单易行。在这样的情况下，该串行接口技术深受设计者的喜爱。

2.2 LVDS应用方法

LVDS传输实现方式主要有三种：专用LVDS接口芯片实现；LVDS解串/串化器实现；利用FPGA实现。

2.2.1 专用LVDS接口芯片实现

此方法中，LVDS差分发送器将TTL信号转换为LVDS信号，通过互联器传输到LVDS差分接收器，差分接收器再将LVDS信号转换为TTL信号发送出去。市面上有许多LVDS接口芯片，例如：TI公司生产的SN65LVCP22/SN65LVCP23，SN65LVDS31/SN65LVS32；NI公司的DS90LV017A/DS90LV018A；MAXIM公司的MAX9123，MAX9122等芯片，均是专用的LVDS 接口芯片。不同的芯片具有不同的电平兼容性，SN65LVCP22/SN65LVCP23采用3.3 V电源供电，可以直接输入LVDS、LVPECL与CML信号。MAX9213/MAX9122采用3.3 V供电电源，可以直接与LVTTL，LVCMOS信号连接。设计者可以根据系统的需要选择不同的LVDS接口芯片。该方法大多应用于图像视频系统中，芯片直接将TTL等信号转换为LVDS信号，实现高速传输。该方法简单易行，但灵活性较差。

2.2.2 LVDS解串/串化器实现

使用LVDS串化/解串器实现LVDS信号传输的方法，是近年来比较流行的实现方法。此方法通常把LVDS串化/解串器芯片与FPGA芯片配合使用。FPGA可直接将需要发送的并行数据发送给LVDS串化器，串化器将数据转换为LVDS差分串行数据后，在FPGA的控制下将串行数据发送给对应的LVDS解串器。解串器接收到串行数据后，将其转换为并行的数据发送给电控系统微控制器。MAIXM公司生产的MAX9217/MAX9218芯片组就是一对LVDS解串器/串化器芯片组。MAX9217串行器具有27位并行输入，其中18位为视频RGB数据，其余9位为控制信号。MAX9217将并行数据转换为串行数据并将其发送给解串器。MAX9218接收串行数据，将其转换为相应的并行数据。该芯片组最高串行传输速率可达700 Mb/s。该方法实现起来较为简单灵活，但需要根据芯片的工作特性进行数据传送。

2.2.3 利用FPGA资源实现

随着LVDS技术的广泛应用，许多FPGA芯片也进行了改革，将LVDS列为支持的接口电气标准中，为设计者提供了很大的方便。因此，可以使用FPGA实现LVDS信号传输。根据具体需求，利用FPGA用户可制定性的特点，可以非常灵活的将LVDS接口功能集成到FPGA中，无需再使用LVDS芯片或串化/解串芯片。该方法提高了系统的集成度，减少了电路板的面积。其最大的特点就是设计灵活，设计者可以根据系统的具体要求灵活使用FPGA资源，但该方法只能依托于FPGA，若系统方案中没有涉及到FPGA，便不能采用该方法。 在文献[2]描述的高速并行数据传输系统中，通过利用FPGA资源设计完成了LVDS接口，从而降低了系统互联的复杂度及系统实现的经济成本。

3 结 语

串行接口的发展速度远超过并行接口，主要在于串行接口设计简单，适用于传输速率要求较高或远距离传输的系统中。

LVDS接口最大的优势就是传输速率快，它采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，并且具有抗干扰性强，低功耗等特点，在串行接口中更是占有举足轻重的地位。在未来的发展中，LVDS接口将会追求更高的传输速度，更低压差的差分信号以及更快的过渡时间。用降低信号的摆幅、缩短电压过渡时间的方法得到更高速的数据传输。与此同时，在体积、质量、功耗、抗干扰能力等方面也会有很大的提升。

参考文献

[1] 付中梁，刘岩，黄从.一种航天器LVDS接口电路实时测试方法[J].航天器工程，2012，21（5）：130?134.

[2] 冯晓东，杨可.一种基于LVDS接口的高速并行数据传输系统设计与实现[J].数字技术与应用，2013（6）：64?65.

[3] 张小军，廖风强，王录涛，等.多通道高速串行LVDS信号解串器设计[J].电子测量技术，2013，36（4）：63?67.

[4] 王栋，靳鸿，吴志玲，等.基于FPGA的远距离实时传输接口设计[J].电子设计工程，2013，21（3）：73?75.

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[7] 陈莹，高双成.基于FPGA的LVDS接口应用[J].电子科技，2012，25（1）：8?12.

[8] 冯妮，张会新.遥测数字视频信号高速采集存储系统的设计与应用[J].计算机测量与控制，2013，21（1）：279?281.

[9] 张涛，舒林峰，郑冬军，等.一种用于平板显示系统的LVDS接口驱动电路的设计[J].现代显示，2008（86）：53?56.

[10] CHEN Ming?deng， SILVA?MARTINEZ Jose， NIX Michael， et al. Low?voltage low?power LVDS drivers [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 2005， 40（2）： 472?479.

[11] GABARA T， FISHER W， WERNER W， et al. LVDS I/O buffers with a controlled reference circuit [C]// Proceedings of 1997 Tenth Annual IEEE International ASIC Conference and Exhibit. Portland， OR： IEEE， 1997： 311?315.

[12] 侯宏录，高伟平.500 fps图像采集及实时显示关键技术研究[J].光学仪器，2013，35（2）：52?57.

[13] 李宏，吴衡.机载LVDS数字视频信号采集记录技术研究[J].光电与控制，2011，18（5）：72?75.

[14] 宣栋，刘心惟.基于FPGA的LVDS高速数据通信卡设计[J].电子技术，2012，25（2）：54?56，85.

[15] 任伟，张彦军，白先民.基于LVDS的高速数据传输装置的设计[J].科学技术与工程，2012，12（29）：7759?7763.

2 LVDS技术应用

2.1 LVDS应用领域

现如今，航空航天、工业自动化、通信等领域对系统的实时性、数据的高速实时存储提出了更高的要求，在某些特殊的条件下，还需要实现数据的远距离传输。在这种形势下，LVDS串行接口技术通过降低供电电压和逻辑电压摆幅，有效地提高数据传输的速率，为数字系统带来了新的生机，突破了数据传输速率低的瓶颈。

LVDS串行接口技术被广泛应用于高速数字系统中。该技术主要应用于两个方面：图像视频数字传输相关领域和大容量高速数据传输相关领域。由于图像视频系统需要保持高实时性的特点，对数据的高速实时存储有着较高的要求。LVDS串行接口技术能够实现高速、可靠的数据传输，保证了系统的高实时性。目前，LVDS接口电路已成为平板显示系统信号传输的首选，被广泛应用于数字视频高速传输系统。另外，很多LVDS串行芯片专门有一组视频数字信号的数据总线，例如MAXIM公司生产的MAX9217/MAX9218串化/解串芯片就专门有一组18位的RGB视频数据并行总线，为视频数据的传输提供了便利。其他一些系统中虽然不需要视频成像，但也使用了LVDS技术。例如导航系统为了获得较高的导航精度，对数据的更新速率有很高的要求。LVDS串行技术可实现几百兆的传输速率，应用起来简单易行。在这样的情况下，该串行接口技术深受设计者的喜爱。

2.2 LVDS应用方法

LVDS传输实现方式主要有三种：专用LVDS接口芯片实现；LVDS解串/串化器实现；利用FPGA实现。

2.2.1 专用LVDS接口芯片实现

此方法中，LVDS差分发送器将TTL信号转换为LVDS信号，通过互联器传输到LVDS差分接收器，差分接收器再将LVDS信号转换为TTL信号发送出去。市面上有许多LVDS接口芯片，例如：TI公司生产的SN65LVCP22/SN65LVCP23，SN65LVDS31/SN65LVS32；NI公司的DS90LV017A/DS90LV018A；MAXIM公司的MAX9123，MAX9122等芯片，均是专用的LVDS 接口芯片。不同的芯片具有不同的电平兼容性，SN65LVCP22/SN65LVCP23采用3.3 V电源供电，可以直接输入LVDS、LVPECL与CML信号。MAX9213/MAX9122采用3.3 V供电电源，可以直接与LVTTL，LVCMOS信号连接。设计者可以根据系统的需要选择不同的LVDS接口芯片。该方法大多应用于图像视频系统中，芯片直接将TTL等信号转换为LVDS信号，实现高速传输。该方法简单易行，但灵活性较差。

2.2.2 LVDS解串/串化器实现

使用LVDS串化/解串器实现LVDS信号传输的方法，是近年来比较流行的实现方法。此方法通常把LVDS串化/解串器芯片与FPGA芯片配合使用。FPGA可直接将需要发送的并行数据发送给LVDS串化器，串化器将数据转换为LVDS差分串行数据后，在FPGA的控制下将串行数据发送给对应的LVDS解串器。解串器接收到串行数据后，将其转换为并行的数据发送给电控系统微控制器。MAIXM公司生产的MAX9217/MAX9218芯片组就是一对LVDS解串器/串化器芯片组。MAX9217串行器具有27位并行输入，其中18位为视频RGB数据，其余9位为控制信号。MAX9217将并行数据转换为串行数据并将其发送给解串器。MAX9218接收串行数据，将其转换为相应的并行数据。该芯片组最高串行传输速率可达700 Mb/s。该方法实现起来较为简单灵活，但需要根据芯片的工作特性进行数据传送。

2.2.3 利用FPGA资源实现

随着LVDS技术的广泛应用，许多FPGA芯片也进行了改革，将LVDS列为支持的接口电气标准中，为设计者提供了很大的方便。因此，可以使用FPGA实现LVDS信号传输。根据具体需求，利用FPGA用户可制定性的特点，可以非常灵活的将LVDS接口功能集成到FPGA中，无需再使用LVDS芯片或串化/解串芯片。该方法提高了系统的集成度，减少了电路板的面积。其最大的特点就是设计灵活，设计者可以根据系统的具体要求灵活使用FPGA资源，但该方法只能依托于FPGA，若系统方案中没有涉及到FPGA，便不能采用该方法。 在文献[2]描述的高速并行数据传输系统中，通过利用FPGA资源设计完成了LVDS接口，从而降低了系统互联的复杂度及系统实现的经济成本。

3 结 语

串行接口的发展速度远超过并行接口，主要在于串行接口设计简单，适用于传输速率要求较高或远距离传输的系统中。

LVDS接口最大的优势就是传输速率快，它采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，并且具有抗干扰性强，低功耗等特点，在串行接口中更是占有举足轻重的地位。在未来的发展中，LVDS接口将会追求更高的传输速度，更低压差的差分信号以及更快的过渡时间。用降低信号的摆幅、缩短电压过渡时间的方法得到更高速的数据传输。与此同时，在体积、质量、功耗、抗干扰能力等方面也会有很大的提升。

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2 LVDS技术应用

2.1 LVDS应用领域

现如今，航空航天、工业自动化、通信等领域对系统的实时性、数据的高速实时存储提出了更高的要求，在某些特殊的条件下，还需要实现数据的远距离传输。在这种形势下，LVDS串行接口技术通过降低供电电压和逻辑电压摆幅，有效地提高数据传输的速率，为数字系统带来了新的生机，突破了数据传输速率低的瓶颈。

LVDS串行接口技术被广泛应用于高速数字系统中。该技术主要应用于两个方面：图像视频数字传输相关领域和大容量高速数据传输相关领域。由于图像视频系统需要保持高实时性的特点，对数据的高速实时存储有着较高的要求。LVDS串行接口技术能够实现高速、可靠的数据传输，保证了系统的高实时性。目前，LVDS接口电路已成为平板显示系统信号传输的首选，被广泛应用于数字视频高速传输系统。另外，很多LVDS串行芯片专门有一组视频数字信号的数据总线，例如MAXIM公司生产的MAX9217/MAX9218串化/解串芯片就专门有一组18位的RGB视频数据并行总线，为视频数据的传输提供了便利。其他一些系统中虽然不需要视频成像，但也使用了LVDS技术。例如导航系统为了获得较高的导航精度，对数据的更新速率有很高的要求。LVDS串行技术可实现几百兆的传输速率，应用起来简单易行。在这样的情况下，该串行接口技术深受设计者的喜爱。

2.2 LVDS应用方法

LVDS传输实现方式主要有三种：专用LVDS接口芯片实现；LVDS解串/串化器实现；利用FPGA实现。

2.2.1 专用LVDS接口芯片实现

此方法中，LVDS差分发送器将TTL信号转换为LVDS信号，通过互联器传输到LVDS差分接收器，差分接收器再将LVDS信号转换为TTL信号发送出去。市面上有许多LVDS接口芯片，例如：TI公司生产的SN65LVCP22/SN65LVCP23，SN65LVDS31/SN65LVS32；NI公司的DS90LV017A/DS90LV018A；MAXIM公司的MAX9123，MAX9122等芯片，均是专用的LVDS 接口芯片。不同的芯片具有不同的电平兼容性，SN65LVCP22/SN65LVCP23采用3.3 V电源供电，可以直接输入LVDS、LVPECL与CML信号。MAX9213/MAX9122采用3.3 V供电电源，可以直接与LVTTL，LVCMOS信号连接。设计者可以根据系统的需要选择不同的LVDS接口芯片。该方法大多应用于图像视频系统中，芯片直接将TTL等信号转换为LVDS信号，实现高速传输。该方法简单易行，但灵活性较差。

2.2.2 LVDS解串/串化器实现

使用LVDS串化/解串器实现LVDS信号传输的方法，是近年来比较流行的实现方法。此方法通常把LVDS串化/解串器芯片与FPGA芯片配合使用。FPGA可直接将需要发送的并行数据发送给LVDS串化器，串化器将数据转换为LVDS差分串行数据后，在FPGA的控制下将串行数据发送给对应的LVDS解串器。解串器接收到串行数据后，将其转换为并行的数据发送给电控系统微控制器。MAIXM公司生产的MAX9217/MAX9218芯片组就是一对LVDS解串器/串化器芯片组。MAX9217串行器具有27位并行输入，其中18位为视频RGB数据，其余9位为控制信号。MAX9217将并行数据转换为串行数据并将其发送给解串器。MAX9218接收串行数据，将其转换为相应的并行数据。该芯片组最高串行传输速率可达700 Mb/s。该方法实现起来较为简单灵活，但需要根据芯片的工作特性进行数据传送。

2.2.3 利用FPGA资源实现

随着LVDS技术的广泛应用，许多FPGA芯片也进行了改革，将LVDS列为支持的接口电气标准中，为设计者提供了很大的方便。因此，可以使用FPGA实现LVDS信号传输。根据具体需求，利用FPGA用户可制定性的特点，可以非常灵活的将LVDS接口功能集成到FPGA中，无需再使用LVDS芯片或串化/解串芯片。该方法提高了系统的集成度，减少了电路板的面积。其最大的特点就是设计灵活，设计者可以根据系统的具体要求灵活使用FPGA资源，但该方法只能依托于FPGA，若系统方案中没有涉及到FPGA，便不能采用该方法。 在文献[2]描述的高速并行数据传输系统中，通过利用FPGA资源设计完成了LVDS接口，从而降低了系统互联的复杂度及系统实现的经济成本。

3 结 语

串行接口的发展速度远超过并行接口，主要在于串行接口设计简单，适用于传输速率要求较高或远距离传输的系统中。

LVDS接口最大的优势就是传输速率快，它采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，并且具有抗干扰性强，低功耗等特点，在串行接口中更是占有举足轻重的地位。在未来的发展中，LVDS接口将会追求更高的传输速度，更低压差的差分信号以及更快的过渡时间。用降低信号的摆幅、缩短电压过渡时间的方法得到更高速的数据传输。与此同时，在体积、质量、功耗、抗干扰能力等方面也会有很大的提升。

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