1 LVDS技術簡介
LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一種低擺幅的差分信號技術，它使得信號能在差分PCB線對或平衡電纜上以幾百Mb／s的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅動輸出實現了低噪聲和低功耗。LVDS在兩個標準中被定義：IEEE P159613(1996年3月通過)，主要面向SCI(Scalable Coherent Inteface)，定義了LVDS的電特性，還定義了SCI協議中包交換時的編碼；ANSI／TIA／EIA-644(1995年11月通過)，主要定義了LVDS的電特性，并建議了655 Mb／s最大速率和11 923 Gb／s的無失真通道上的理論極限速率。在兩個標準中都指定了與物理通道無關的特性，這保證了LVDS能成為多用途的接口標準。
圖1給出了典型的LVDS互連方法。這里使用的是DS90C031 LVDS驅動器芯片和DS90C032LVDS接收器芯片，其中DATA INPOUT和DATA OUTPOUT是TTL電平。驅動器和接收器主要完成TTL信號和LVDS信號之間的轉換。LVDS驅動器由一個驅動差分線對的電流源組成，通常電流為3mA。LVD8接收器具有很高的輸入阻抗，因此驅動器輸出的電流大部分都流過100Ω的匹配電阻，并在接收器的輸入端產生大約300 mA的電壓。當驅動器翻轉時，它改變流經電阻的電流方向，接收器產生有效的邏輯“1”和邏輯“0”狀態。
應用LVDS具有許多優勢：
(1)高速率。由于LVDS邏輯狀態間的電壓變化僅為300 mV，因而能非常快地改變狀態。例如當信號電平在333 ps內變化300 mV時，壓擺率僅0．9 V／ns，低于將信號失真和串擾減到最小時的標準壓擺率1 V／ns。如果使用上升和下降時間不大于比特寬度2／3的老標準，那么具有333 ps躍變的信號能在1 Gb／s下工作，仍保有很大的余地。
(2)低功耗。隨著工作頻率的增加，LVDS的電源電流仍保持平坦，而CMOS和GTL技術的電源電流則會隨頻率增加而呈指數上升，這得益于使用恒流線路驅動器。電流源把輸出電流限制到約3．5 mA，同時也限制跳變期間產生的任何尖峰電流。由于沒有尖峰電流，就有可能獲得1．5 Gb／s的高數據率而不明顯增加功耗。恒流驅動輸出還能容忍傳輸線的短路或接地，而不會產生熱問題。LVDS降低了終端電阻壓降，因此還降低了電路的總功耗。
(3)噪聲性能好。LVDS產生的電磁干擾低，這是因為低電壓擺幅、低邊沿速率、奇模式差分信號，以及恒流驅動器的Icc尖峰只產生很低的輻射。傳輸通路上的高頻信號跳變產生輻射電磁場，場強正比于信號攜帶的能量，通過減小電壓擺幅和電流能量，LVDS把該場強減到最小；差分驅動器引入了奇模式傳輸，在傳輸線上流過大小相等、極性相反的電流，電流在該線對內返回，面積很小的電流回路產生最低的電磁干擾；當差分傳輸線緊耦合時，串入的信號是作為共模電壓出現在接收器輸入的共模噪聲中，差分接收器只響應正負輸入之差，因此當噪聲同時出現在2個輸入中時，差分信號的幅度并不受影響。共模噪聲抑制也同樣適用于其他噪聲源，比如電源波動，襯底噪聲和接地回跳等。
(4)具有故障安全(fail-safe)特性確保可靠性。LVDS驅動器和接收器還能實現熱插拔，因為恒流驅動解決了損壞問題。另一特點是接收器的故障保護功能，它能防止在輸入引腳懸空時產生輸出振蕩。除上述各種優點外，LVDS只需要簡單的端接電阻。這些電阻可以集成到芯片之中，與每條傳輸線配備多個電阻和電容元件相比，大大降低了所需的費用。另外，LVDS能容忍傳輸線通路微小的阻抗失配，只要差分信號在緊耦合的傳輸通路中通過平衡不連續處，信號仍能保持其完整性。非阻抗受控連接器、電路板過孔和芯片封裝對差分信號的影響要比對單端信號的影響小得多。表1給出了RS 422與LVDS之間的簡單比較，LVDS的優勢是顯而易見的。
2 LVDS在某成像光電跟蹤產品中的應用
2．1 系統應用簡介
某成像光電跟蹤產品信息處理平臺采用FPGA+DSP的設計框架，結構框圖如圖2所示。
該信息處理平臺在FPGA和DSP外圍增加調理電路、A／D裝換器、PROM、SBSRAM、DPRAM、FLASH、電源及電源濾波電路等。FPGA+DSP架構最大的特點是結構靈活，適于模塊化設計，能有效地提高算法效率，因而非常適用于成像系統的信息處理。從圖2可以看出，該系統通過FPGA，利用LVDS標準電路設計完成圖像數據的輸出。在該系統中，LVDS有三路差分輸出，其中兩路傳送數據(DA，DB)，一路傳送時鐘(C)。傳送格式的要求如下：DA(DAX)為發送16位數據線，傳送系統給圖像采集設備的所有數據。包括每幀開頭發送一個幀計數，幀正程發送圖像數據(實時圖像數據、濾波圖像數據及二值像數據，按DSP要求傳送)。圖像數據為12位或14位，按需要傳送。16位數據的分配如下：最高位為奇偶校驗位，“1”表示奇數，“0”表示偶數；次高位為正逆掃信號，“1”表示正掃，“0”表示逆掃；在每幀的開頭，圖像數據輸出之前，添加2個驗證字——FDB18540，作為接收方判斷每幀數據傳送的起始點；幀正程開始后，傳圖像數據14位，如傳的是12位圖像數，則其14，13位填0，后12位為圖像數據。
DB(DBX)：發送同步信號，每字同步，與首數據最高位同時發出，寬度為半個時鐘C(CX)：時鐘信號，始終保持。在LVDS設計實現過程中參考XAPP233的設計方法，16位數據通過并轉串移位寄存器進行移位處理，將偶數位鎖存于傳送時鐘的上升沿，奇數位鎖存于傳送時鐘的下降沿。其輸入／輸出采用DDR技術，保證雙沿觸發。移位寄存器時鐘示意圖如圖3所示。最終輸出數據的時鐘鎖存的位置如圖4所示。LVDS電路功能框圖如圖5所示。
2．2 系統中LVDS設計的要點
該系統中LVDS應用于FPGA+DSP的高速數字處理平臺，在設計及調試過程中，曾出現由于終端電阻匹配不當帶來的噪聲較大的問題、由于通道選擇不當帶來的信號畸變問題、以及印制板布線不當帶來的信號串擾及噪聲等問題，通過這些實際問題的解決總結了以下幾點。
2．2．1 終端電阻
不管使用的LVDS傳輸通道是PCB線對還是電纜，LVDS要求使用一個與通道相匹配的終端電阻(100±20)Ω，以防止信號在通道終端發生反射，同時減少電磁干擾。該電阻終止了環流信號，應該將它盡可能靠近接收器輸入端放置。該系統使用了兩個阻值各為50 Ω的電阻串聯，并在中間連接點通過一個電容接地，很好地濾去了共模噪聲。
2．2．2 通道(電纜和連接器)選擇
使用受控阻抗通道，差分阻抗約為100 Ω，不會引入較大的阻抗不連續性；當電纜長度小于0．15 m時，大部分電纜都能有效工作，當電纜長度在0．15～10 m之間時，CAT3(Categor 3)雙絞線對電纜效果好(本系統采用該設計)，當電纜長度于10 m，并且要求高速率傳輸時，建議使用CAT5雙絞線對。
2．2．3 印制板設計
盡量使用多層板設計(該系統最終采用8層PCB板)，保證LVDS信號、地、電源、TTL信號分處于不同的PCB層，或者至少處于不同的分區；使TTL信號和LVDS信號相互隔離，最好將TTL和LVDS信號放在電源／地層隔離的不同層上；使LVDS驅動器和接收器與LVDS端間連接盡可能短。電源層和地層應盡可能使用粗線。
2．2．4 板上導線
微波傳輸線(microst rip)和帶狀線(stipline)都有具備良好的性能；前者一般具備更高的差分阻抗，不需要額外的過孔，后者則在信號間提供了更好的屏蔽。
2．2．5 差分線對
差分線對使用與傳輸媒質的差分阻抗和終端電阻相匹配的受控阻抗線，并且使差分線對離開集成芯片后立刻盡可能地相互靠近(距離小于10 mm)，這樣能減少反射并能確保耦合到的噪聲為共模噪聲。使差分線對的長度相互匹配以減少信號扭曲，防止引起信號間的相位差。而且2條差分線之間應盡可能保持平行，以避免差分阻抗的不連續性。不要僅依賴自動布線功能，而應仔細修改以實現差分阻抗匹配并實現差分線的隔離。盡量減少過孔和使用90°折線來改變線跡走向，避免其他引起線路不連續性的因素。
2．2．6 抗噪聲設計
如果電纜感應到的噪聲超過LVDS接收器內部線路設計的容限，接收器就會不確定地開關或振蕩。在本系統中通過外加電阻來提高噪聲容限，如圖6所示。圖6中R1，R3是可選的外接電阻，用來提高噪聲容限，R1，R3取12 kΩ，R2取100Ω。
3 結語
該系統經過內場的高低溫、振動、電磁兼容等試驗，同時經過外場繞飛、系留及靶試。內外場試驗表明，某成像光電跟蹤產品利用LVDS穩定可靠地進行了圖像數據的傳輸及測試，解決了高速率、大容量、長距離的圖像數據傳輸問題，并具備良好的電磁兼容性。另外，該項技術不僅在某成像光電跟蹤產品中得到可靠驗證，目前還被推廣應用到其他數據傳輸系統中。