LVDS技術及其在多信道高速數(shù)據(jù)傳輸中的應用

在被稱為信息時代的今天，為適應信息化的高速發(fā)展，高速處理器、多媒體、虛擬現(xiàn)實以及網(wǎng)絡技術對信號的帶寬要求越來越大，多信道應用日益普及，所需傳送的數(shù)據(jù)量越來越大，速度越來越快。目前存在的點對點物理層接口如RS-422、RS-485、SCSI以及其它數(shù)據(jù)傳輸標準，由于其在速度、噪聲/EMI、功耗、成本等方面所固有的限制越來越難以勝任此任務。在轉達領域，隨著技術的發(fā)展，新體制雷達的出現(xiàn)和普及，如DBF體制雷達、相控陣雷達等，所需處理的信號帶寬和信號通道數(shù)大幅度增加，同樣面臨著大數(shù)據(jù)量的傳輸問題。因此采用新的技術解決I/O接口總是成為必然趨勢，LVDS這種高速低功耗接口標準為解決這一瓶頸問題提供了可能。目前LVDS技術在通信領域的應用日益普及，本文結合雷達中的數(shù)據(jù)傳輸特點介紹LVDS技術，分析LVDS技術在雷達中的應用前景。

　　1  LVDS技術介紹

　　LVDS（LOWVOLTAGEDIFFERENTIALSIGNALING）是一種小振幅差分信號技術，使用非常低的幅度信號（約350mV）通過一對差分PCB走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。它允許單個信道傳輸速率達到每秒數(shù)百兆比特，其特有的低振幅及恒流源模式驅動只產生極低的噪聲，消耗非常小的功率。同時，LVDS也是對高速/低功耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋�多任務接口標準，在ANSI/TIA/EIA-644-1995標準中被標準化。

　　1.1LVDS工作原理

　　圖1為LVDS的原理簡圖，其驅動器由一個恒流源（通常為3.5mA）驅動一對差分信號線組成。在接收端有一個高的直流輸入阻抗（幾乎不會消耗電流），所以幾乎全部的驅動電流將流經(jīng)100Ω的終端電阻在接收器輸入端產生約350mV的電壓。當驅動狀態(tài)反轉時，流經(jīng)電阻的電流方向改變，于是在接收端產生一個有效的"0"或"1"邏輯狀態(tài)。

　　1.2LVDS技術的特點

　　LVDS技術之所以能夠解決目前物理層接口的瓶頸，正是由于其在速度、噪聲/EMI、功耗、成本等方面的優(yōu)點。

　　1.2.1高速傳輸能力

　　LVDS技術的恒流源模式低擺幅輸出意味著LVDS能高速驅動，例如：對于點到點的連接，傳輸速率可達800Mbps；對于多點互連FR4背板，十塊卡作為負載插入總線，傳輸速率可達400Mbps。

　　1.2.2低噪聲/低電磁干擾

　　LVDS信號是低擺幅的差分信號。眾所周知，差分數(shù)據(jù)傳輸方式比單線數(shù)據(jù)傳輸對共模輸入噪聲有更強的抵抗能力，在兩條差分信號線上電流以方向及電壓振幅相反，噪聲以共模方式同時耦合到兩條線上。而接收端只關心兩信號的差值，于是噪聲被抵消。由于兩條信號線周圍的電磁場也相互抵消，故比單線信號傳輸電磁輻射小得多。而且，恒流源驅動模式不易產生振鈴和切換尖鋒信號，進一步降低了噪聲。

　　1.2.3低功耗

　�。�1）LVDS器件是用CMOS工藝實現(xiàn)的，這就提供了低的靜態(tài)功耗；

　�。�2）負載（100Ω終端電阻）的功耗僅為1.2mW；

　�。�3）恒流源模式驅動設計降低系統(tǒng)功耗，并極大地降低了Icc的頻率成分對功耗的影響。與其相比，TTL/CMOS收發(fā)器的動態(tài)功耗相對頻率呈指數(shù)上升。

　　1.2.4節(jié)省成本

　�。�1）經(jīng)濟的COMS工藝實現(xiàn)技術；

　�。�2）低成本實現(xiàn)高性能，對電纜、連接器和PCB材料無荷刻要求；

　　（3）低能耗；

　�。�4）TTL/CMOS信號能被串行或混合到單個LVDS通道，減少板面、層數(shù)、接插件和電纜。

　　另外，由于是低擺幅差分信號技術，其驅動和接收不依賴于供電電壓，如5V；因此，LVDS能比較容易應用于低電壓系統(tǒng)中，如3.3V甚至2.5V，保持同樣的信號電平和性能。LVDS也易于匹配終端。無論其傳輸介質是電纜還是PCB走線，都必須與終端匹配，以減少不希望的電磁輻射，提供最佳的信號質量。通常一個盡可能靠近接收輸入端的100Ω終端電阻跨在差分線上即可提供良好的匹配。目前LVDS技術在傳輸距離上其局限性，一般應用在20m以上。

　　2  LVDS的典型結構和常用產品

　　目前LVDS產品主要有美國國家半導體公司全系列的LVDS產品和德州儀器半導體司的LVDS產品系列。美國國家半導體公司這方面更具優(yōu)勢，其產品主要有四種典型結構，是目前數(shù)據(jù)傳輸和交換常用的四種方式。

　　2.1典型結構

　　（1）點到點結構�；�本的發(fā)展和接收結構，用于兩點間固定方向信號傳輸；

　�。�2）點到多點結構。廣播式總線結構連接多個接收端到一個發(fā)送端，常用于數(shù)據(jù)分配；

　�。�3）多點到多點結構。多點互連總線使點到點之間互連降到最少，同時提供雙向，半雙工通訊能力，在同一時間，只能有一個發(fā)送器工作；

　�。�4）矩陣開關結構。通常應用于需要非常高的信號交換通路的系統(tǒng)中，實現(xiàn)全雙工通信。
　　2.2常用產品

　　對應點到點或點到多點結構，有LVDS線路驅動/接收器和LVDS串行/解串器（Channellink）系列產品。對于多通道、寬帶、大動態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸，LVDS串行/解串器將是很好的解決方案。雷達系統(tǒng)中，分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，分系統(tǒng)內通過背板的數(shù)據(jù)傳輸應用LVDS串行/解串器將大大減少電纜、接插件以及PCB背板的復雜度。這種產品在雷達系統(tǒng)中有很好的應用前景。

　　（2）對應點對多點或多點到多點結構的應用，BusLVDS技術能最好地適應這些應用。BusLVDSjLVDS線路驅動/接收器系列的擴展，為多點應用場合而設計，這時總線兩端都終接電阻。Bus LVDS驅動器提供約10mA的輸出電流，因而能被用于重負載的背板上，那里的等效阻抗低于100Ω,這里驅動器會有30～50Ω范圍的負載。在一些大的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，要構造大的高速背板，LVDS技術是最理想的解決方案。

　　3  LVDS的應用

　　了解LVDS技術的特性后，下面的問題就是如何在設計中應用好LVDS產品充分發(fā)揮其技術優(yōu)點，優(yōu)化系統(tǒng)設計。這里結合華東電子所某型號雷達系統(tǒng)中LVDS技術的應用來闡述用LVDS做設計的一些原則和技巧。

　　由于在系統(tǒng)中有幾十路接收通道和數(shù)字中頻接收機，數(shù)據(jù)線近500路。如應用傳統(tǒng)的TTL/CMOS信號用雙絞線并行傳輸，則需近千根導線，勢必造成系統(tǒng)和背板都很復雜，其噪聲/EMI性能的保證令設計者頭痛，功耗也將很大。于是筆者在系統(tǒng)設計中應用了LVDS串行/解串器技術（Channellink產品），將數(shù)據(jù)線壓縮到幾十對差分線，完成了數(shù)據(jù)傳輸，并在多種型號雷達中成功應用。在選定了產品后，用好LVDS技術關鍵就在于PCB板的設計。PCB布線總的原則是：阻抗匹配是非常重要的，差分阻抗的不匹配會產生反射，會減弱信號并增加共模噪聲，線路上的共模噪聲將得不到差分線路磁場抵消的好處而產生電磁輻射。所以要盡量在信號離開IC后控制差分阻抗的走向，盡力保持尾端<12mm。

　　3.1PCB板差分布線的設計

　　側耦合的微帶線、側耦合的帶狀線、寬邊的帶狀線都可作為很好的差分線。根據(jù)實際情況，應用中選擇了側耦合的微帶線，示意如圖2。

　　布線中注意了以下幾點：

　�。�1）應用微波傳輸線理論設計差分阻抗Zdiff或利用以下方程設計：

　　其中Z0為微帶線的特性阻抗；

　�。�2）所布的差分線對一離開IC就盡早盡可能靠近在一起走線，布線越近磁場的抵消就越好，有助于消除反射并保證噪聲以共模方式耦合。也即圖2中的S越小越好。

　�。�3）對于差分布線不要依賴于自動布線功能，要匹配一對差分線的長度，確保各組差分線間的間隔；并使線上過孔最少；

　　（4）避免90°轉彎（以防造成阻抗不連續(xù)），用弧線或45°斜線代替。

　　3.2PCB板的設計

　�。�1）至少用4層PCB板，將LVDS信號、地、電源、TTL信號分層布局。在實現(xiàn)設計中采用了8層板以盡量滿足要求；

　�。�2）將陡的CMOS/TTL信號與LVDS信號隔離，最好能布在不同層上，并用電源和地層隔開；

　�。�3）保持發(fā)送器和接收器盡可能靠近接插件，連線長度愈短愈好（<1.5英寸），以保證板上噪聲不會被帶到差分線上，而且避免電路板及電纜線間的交*EMI干擾；

　�。�4）旁路每個LVDS器件，分布式散裝電容或表貼電容放在盡量靠近電源和地線引腳處；

　　（5）電源和地線應用寬的布線（低阻抗），并保持地線PCB回路短而寬；

　　（6）終端負載用100Ω（誤差<2%）表貼電阻靠近接收器輸入端來匹配傳輸線的差分阻抗，終端電阻到接收器輸入端的距離應小于7mm；

　�。�7）將所有空閑引腳開路（懸空）。

　　3.3電纜和接插件的選擇

　　應用中選擇了雙絞線平衡電纜，并在外層加屏蔽；接插件選擇標準連接器，在連接器上差分信號通常連接在一行中靠近的兩個連接腳上，示意如圖3所示。

　　總之，應用LVDS技術在系統(tǒng)設計之前，應優(yōu)先考慮以下幾點：

　�。�1）必須優(yōu)先考慮電源和地在系統(tǒng)中的分布；

　�。�2）考慮傳輸線的結構及其布局布線；

　　（3）完成其余電路部分設計，隨時觀察和修整布局。

　　LVDS數(shù)據(jù)傳輸標準比傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485等標準有很大的優(yōu)越性。在雷達系統(tǒng)中應用LVDS技術來完成數(shù)據(jù)傳輸，將會降低系統(tǒng)設計的復雜，使系統(tǒng)有很高的可靠性、高數(shù)據(jù)率、低噪聲/低電磁輻射和低成本。