LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用分析

2015-04-23周芳

科技视界 2015年10期

周芳

（辽宁师范大学海华学院，辽宁沈阳110000）

随着信息技术的发展，对信号带宽提出更高的要求，并且促进多信道应用的推广，总之数据量越来越大，传输速率越来越快。传统的点对点式的物理层接口已经明显无法胜任如今的数据要求，不仅速度跟不上节奏，而且功耗、噪声等性能表现不佳。随着LVDS技术的普及，上述问题得到一定程度的缓解，并且在雷达中展现出广阔的应用前景。

1 LVDS技术原理及设计

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是以低摆幅为主要特征的差分信号技术，能够以数百Mbps的传输速率稳定工作在平衡电缆上，并且可以保持良好的低压幅以及低电流输出，并且保证噪声和功耗控制在一定范围内。

近几十年的发展，使得逻辑电路接口不断调整，以适应越来越高的传输速率要求，使低压供电成为可能。供电电压的降低有诸多好处，除了可以大幅度削减功率消耗以外，还可以促进芯片的散热，使集成度的提高成为可能。LVDS就是实现低供电电压和小电压摆幅最为明显的例子，低压差分信号的物理接口采用的是1.2V偏置偏置供应400mV摆幅的信号，最大程度消除噪声。LVDS可以在任意供电电压下工作，驱动对供电电压的依赖程度较低，能够更加方便地实现性能稳定性，随供电系统变化小。

通常LVDS的定义中规定了其电特征，对SCI协议里包交换的编码进行了详尽的定义。定义和特定的物理媒质无直接关联，也指代说明了只要接口可以正常运行，就应当使媒质控制在噪声边缘以及歪斜容忍度之内将信号传递至接收器。LVDS的优点众多，其中最主要的是良好的终端适配性能、功耗极低、可靠性高、成本控制良好和传输速率大。正是这些优点使得LVDS技术在通讯、计算机等多个行业得到广泛的应用。

LVDS接口连接图由驱动器、互连单元和接收器三部分构成，这采用的是单工方式，但是部分情况下也能采用半双工、多点配置的方式，限制条件是噪声小、距离足够短。点与点之间的连接由上述三部分组成，其中驱动器和接收器实现TTL和LVDS两种不同信号之间的转换。LVDS接收器阻抗相当高，所以输出电流大多流经100欧姆的电阻。驱动器发生翻转的时候，会改变电流在电阻中的流动方向，通常根据逻辑状态“1”和“0”进行区分。LVDS技术的采用，使PCB板的功效最大程度发挥，从某种意义上讲削减了成本。

LVDS技术可以实现高速驱动，一般而言，实现点对点的连接，数据传输速率超过800Mbps，如果采用的是多点互连的FR4背板，将十块卡当成负载接入的总线，可以实现400Mbps的数据传输速度。由于LVDS产生的是差分信号，在传输过程中有更多优势。例如具有更强的噪声抵抗能力，然而单线数据传输噪声抵抗能力很弱。两条差分信号线上的电流流动方向相反，产生的噪声将会保持共模的方式，并耦合至两条线上。LVDS技术中的接收端更多考虑的是两个信号差值，从而确保噪声微小。两条反向的信号线将会产生相互抵消的电磁场，相比以往的单线信号传输具有更小的电磁辐射，噪声控制更加科学合理。不依赖供电电压的特性使LCDS在2~4V的广阔范围内表现良好。LVDS不受电磁辐射的干扰，提供优质上乘的信号质量。但是LVDS技术对空间跨度的要求较高，传输距离一般大于20m时才能取得良好效果。

2 LVDS典型结构及主要应用范围

当前我国采用的LVDS产品大多来自美国与德国的半导体公司，这两个产地的LVDS产品相比更加成熟，可以较好地实现点至点结构、点至多点结构、多点与多点结构和矩阵开关这样四种结构，性能稳定，各方面优势明显。

2.1 点到点结构与点到多点结构的应用

点到点以及点到多点结构的产品由LVDS驱动、接收器以及解串器等组成。在进行多通道、动态响应频繁的数据传输过程中表现出优良特性，其中解串器是有效的解决方案。在雷达系统中，各个分系统按照不同的传输方式进行数据传输，不同系统均凭借背板完成传输，LVDS技术的引入对简化电缆及相关接插件有促进作用，并且可以大大降低PCB背板的复杂程度。点对点与点对多点的结构可以广泛适用于雷达系统，表现出优良的使用特性。

单点到多点的结构通常用于数据分配业务，以发送广播的形式向多个接收器发送信号，采用广播式的总线结构，保证数据高传输速率、稳定性和安全性。

2.2 多点到多点结构的应用

多点到多点结构主要采用BusLVDS技术，能较全面地满足使用需求。其中BusLVDS是在接收器与驱动器方面做出应用拓展，使该技术更符合多点到多点应用的要求。经过拓展的LVDS技术要求总线两端直接与电阻相连，这种结构特点可以使其更好地运用于重负载的背板上，等效阻抗控制在100Ω以下，加在驱动器上的负载大约40欧姆。当遇到要求更高的通信系统需求时，可以采用结构更复杂、构造更大的高速背板，同样采用LVDS技术简化问题、解决问题。应用多点对多点的总线结构需要注意的是尽量简化线路，采用最少的接线，尽量实现双向与半双工的通讯功能，提高传输效率以及设备利率效率。然而必须确保在同一时间仅允许一个发送器正常工作，否则将产生冲突造成严重后果。

3 LVDS技术的设计

LVDS的高速传输能力、低噪声低电磁干扰、低功耗以及成本低的特点决定了该技术的广阔应用前景，目前国内外相关研究人员针对不同应用场景根据LVDS理论开发出不同的LVDS产品，充分挖掘了LVDS技术的潜在优势和技术优点，越来越完善的系统设计也规避了LVDS的技术短板。笔者将结合实际生产运用中常见的某型号雷达系统进行LVDS技术的应用分析以及相关的设计原则和设计方法。

由于该系统总共包含数十条接收通道与数字中频接收器，各类数据线总计500路。如果采用以往的TTL/CMOS信号用双绞线完成并行的数据传输，相关导线将数以千计，将直接导致系统结构混乱，背板过于复杂，因此而产生的噪声与低劣的EMI性能将使设计整体大打折扣，对设计人员提出更高的挑战，冗余的导线无疑增加功率损耗，系统工作效率低下。笔者为了优化系统设计，尝试性地运用LVDS串行/解串器技术实现数据传输，可以将数量庞大的导线压缩至数十对差分线，能够很好地适应若干型号雷达的运用。在进行系统设计时，首先确定产品，分析其采用LVDS技术的可行性，然后应当将LVDS技术的实现转化为对PCB板的设计上，抓住设计的中心环节。进行PCB布线设计时需要遵循的原则是保证良好的阻抗匹配。一旦差分阻抗出现不匹配的情形，将会出现反射现象，不仅削弱信号影响信号质量，而且会产生共模噪声，共模噪声不能与差分线路磁场产生抵消作用将会产生电磁辐射，影响产品的使用体验和耐久性。设计时要确保信号通过IC之后的差分阻抗走向的正确性，并尽量使尾端长度小于12毫米。

要进行PCB板差分布线的设计首先进行差分线材料的选择，其中侧耦合的微带线是良好的材料，也是笔者设计时采用的差分线材料，然后接下来是重要的布线工作。布线时根据微波传输线理论，布线应确保一旦离开IC使差分线对一起走线，因为布线离磁场的距离越小，共模噪声的抵消效果更好，可以有效缓解反射产生的电磁辐射。进行差分布线时尽量不采用自动布线功能，正确的做法是匹配出一对差分线的长度，严格控制不同差分线之间的距离，尽量减少线上过孔。布线中不能出现直角转弯的现象，实际需要时可以用弧线或者45度斜线取代直角。

为了更好地实现LVDS技术应当最少采用四层PCB板，分别对LVDS信号、地面、电源和TTL信号进行分层布局，结构清晰。TTL信号和LVDS信号必须在不同PCB板上进行隔离，并且应该与电源和地面分隔开。发送器和接收器与插件的距离要尽可能缩小，采用较短的连线，连线长度应当控制在1英尺作用，可以有效控制PCB上的噪声，切断其传递到差分线的途径，还能减少电路板和电缆之间交叉EMI干扰。不论是分散式散装电容还是表贴电容都要和电源与地线引脚保持一定距离。电源与地线的PCB板上多使用宽布线，这样阻抗较低，其中地线的PCB回路还应尽量设计的短且宽。系统的终端负载采用98~102欧姆，并且和接收器缩小距离以匹配差分阻抗。在实际应用中多选用双绞线平衡电缆，为安全性和稳定性考虑在电缆外层加以屏蔽。最后要强调，LVDS技术的系统设计应当遵循以几点原则：优先进行电源和地的布线分布，其中传输线的结构应进行科学的选取，在实现剩余电路设计之后，要保持观察，及时对整体布局进行修改调整。

4 LVDS技术运用于数据传输的方案研究

笔者将根据实践经验给出三种常用的基于LVDS技术的多信道高速数据传输方案，采用不同的链路层协议以及同步方式实现数据的传输和接收。

4.1 前面板数据口协议的LVDS数据传输

前面板数据口简称FPDP，FPDP协议可以为两个及以上的板卡实现高速数据传输，这是一种条件较为宽松的分层协议，如果数据传输只关注传输速度可以用FPDP协议进行极大的简化。FPDF协议经简化后将分成数据信号、控制信号和时钟信号三大类。传输数据之前首先确认就绪信号，然后发送和STROBE一致的数据，并给予有效信号，一旦接收器确认该有效信号，便可以根据SYNV信号逐帧进行数据的同步和高速传输工作。

4.2 根据帧结构的LVDS数据传输

因为通常的数据传输控制是依靠传输信令实现，将会产生额外的开销。使用帧结构的LVDS传输可以一定程度减小开销，以帧结构代替传输信令对数据传输进行控制，实现数据的同步接受。采用LVDS技术的高速数据传输以帧同步字，在各个帧数据之前添加区别于数据内容的同步字，这样接收器对接受的数据按照同步字进行校验，如果是同步字，然后才继续接下来的数据接收。除此之外，在各个帧数据之首添加地址字，能够实现两个以上设备间的链转发，多信道数据传输效率将有所提升。

4.3 通过接收器高速时钟同步的LVDS数据传输

帧结构的使用对数据传输效率造成不利影响，不含帧结构的传输将更直接更高效。如果只在发送端的数据有效时才给出发送时钟，则能够在数据传输通道增加的情况下减少发送和接收端间的控制信号，这种离散的时钟发射可以提高LVDS数据传输效率。

4.4 三种方案的比较

上述三种LVDS数据传输方案各自拥有自身的优点，但也表现出其他方面的性能短板，因此可以将三种传输方案分别用于不同的应用场景。FPDP方案的传输时钟速率高而且不需要同步字，但是需要控制信号，因此适用于点对点的情形与多板菊花链；帧结构方案虽然需要同步字，但是不需要控制信号；高速时钟采样方案对同步字和控制信号均无要求，但是传输时钟速率相比前二者略低。

5 LVDS技术在多信道数据传输中的应用

笔者根据机载SAR对LVDS的数据传输进行研究。由于机载环境较差，并且发送和接收设备采用3m电缆进行连接，综合考虑各项因素选用高速时钟同步传输方案，并且采用基于FPGA的方案，提高集成度。机载SAR处理系统将线性调频信号转变为50Mbps的I之路与Q之路，数据率总计100Mbps。接收端接入SAR处理机，对信号实现成像处理，获取SAR图像。

该系统的LVDS传输接口实现LVDS发送端和LCDS接收端的连接，LVDS发送端首先进行数据的发生，通过并/串转换通过LVDS发送端实现LVDS数据发送，发送端和接收端之间用LVDS平衡电缆相连，当接收器接受数据之后，进行接受数据的同步，然后通过串/并转换后完成接收的缓存。由于采用高速时钟同步传输方案，没有任何控制信号和帧结构，接收端很难明确数据到达时刻。这时就需要对发送时钟采样，分析判断发送时钟是否存在上升沿，通过上升沿同步信号进行数据同步，判断过程借助VHDL代码实现。

发送端和接收端都进行了并/串转换，发送端将低速并行数据转换为高速串行数据，接收端则进行相反的操作。FPGA设计有利于针对不同需求进行转换，灵活性更高。为了在Spartan IIE里采用LVDS接口，首先应当创建管脚配置文件，并且指明各个管脚应用的LCDS规范。在发送端和接收端采用不同的缓存，前者需要设置LVDS正、负端的缓存，把最初的信号首先反相然后递送至负端缓存，实现发送过程。发送端仅仅需要给LVDS正端配置输入缓存即可实现数据接收。

完成数据传输线路的具体应用之后，笔者总结出三个注意事项：首先，在发送端的各个差分线上串联165欧姆的电阻，在其间并上14欧姆的电阻，这样就必须在接收端的差分线之间并上100欧姆的电阻；然后，差分线之间也应存在耦合关系，走线保证电感最小；最后，设计PCB板时各信号务必分布在不同的信号层上。