低壓差分信號技術綜述

王勝男+羅長洲+蔡東紅+李澤超

摘 要： 低壓差分信號（LVDS）技術是一種小振幅差分信號技術，它降低了供電電壓和邏輯電壓擺幅，可有效提高數據傳輸速率，為高速數字系統帶來了新的生機。論述了LVDS技術的基本原理，應用領域，總結了當前LVDS技術的應用方法，并對LVDS技術的應用前景做出相應的概述。

關鍵詞： LVDS； 串行接口； 高速數字系統； 解串/串化器

中圖分類號： TN919.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在數據采集處理系統以及相關應用領域中，由于智能處理器的處理速度不斷提高，系統間的數據交互量不斷增加，尤其在航天航空、工業自動化、通信等領域，對數據的遠距離傳輸和高速實時儲存等方面有更高的要求。如果數據總線接口的傳輸速率過慢，就會導致整個系統的工作性能降低。因此，總線接口的發展在數字信號處理中起著至關重要的作用。

縱觀總線接口技術的發展歷程，串行接口技術比并行接口技術發展更加迅速，甚至一些并行接口技術已逐漸被串行接口取代。主宰硬盤驅動器接口技術的并行標準——ATA接口，在更新到ATA?7版本后，由于其接口速度僅有一百多兆而被新型的串行接口技術SATA取代。在2003年的CEBIT大會上，惠普和希捷提出了SAS界面的硬盤樣品，其最初的目標就是為了取代并行SCSI接口，使其能夠為用戶提供高性能、高可靠性、易于管理的接口，滿足企業級的數據中心需求。

串行接口發展快速的原因，除了電子技術不斷更新改革，更重要的是它相對于并行接口的優勢：適合長線傳輸，在復雜電控系統中設計相對簡單。低壓差分信號（LVDS）傳輸技術憑借自身高速率、低功耗等特點，在串行接口中脫穎而出，受到了設計者的青睞。尤其是對于顯示技術，LVDS接口的出現為其帶來了新的生命力。

1 LVDS技術介紹

近年來，5 V供電的使用簡化了不同技術和廠商邏輯電路之間的接口。但是，高電壓影響了數據傳輸的速率。低壓差分信號（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）傳輸技術是一種小振幅差分信號技術，它是由美國國家半導體公司于1994年提出的，又被稱為RS 644總線接口。該接口可實現點對點或一點對多點的連接，其傳輸介質可以是銅質的PCB連線，也可以是平衡電纜。它降低了供電電壓和邏輯電壓擺幅，有效地提高了數據傳輸的速度。LVDS接口的工作原理如圖1所示，驅動器是由一個恒流源（通常為3.5 mA）驅動一對差分信號線。接收端設有一個約100 Ω的終端電阻，使得幾乎全部的驅動電流都流經該電阻，并在接收端產生約 350 mV的電壓。當驅動狀態反轉時，流經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[1]。該LVDS串行接口技術具有高速率、低噪聲、低功耗、終端適配容易等特點，適用于對傳輸速率和長度要求較高的系統中。

圖1 LVDS接口工作原理

目前，LVDS串行接口技術共在三個標準中定義，第一個是ANSI/EIA/EIA?644（1995年11月通過），它主要定義了LVDS的電特性，并建議655 Mb/s的最大速率和1.923 Gb/s的無失真媒質上的理論極限速率；第二個是IEEE P1596.3（1996年3月通過），主要面向SCI（Scalable Coherent Interface），定義了LVDS的電特性，還定義了SCI協議中包交換時的編碼；第三個是ANSI/TIA/EIA?644?A?2001標準（2001年1月通過），該標準是基于ANSI/EIA/EIA?644標準提出的，但在此標準中，只定義了LVDS接口技術的使用范圍以及其電氣特性，并沒有對其傳輸速率給出建議。

2 LVDS技術應用

2.1 LVDS應用領域

現如今，航空航天、工業自動化、通信等領域對系統的實時性、數據的高速實時存儲提出了更高的要求，在某些特殊的條件下，還需要實現數據的遠距離傳輸。在這種形勢下，LVDS串行接口技術通過降低供電電壓和邏輯電壓擺幅，有效地提高數據傳輸的速率，為數字系統帶來了新的生機，突破了數據傳輸速率低的瓶頸。

LVDS串行接口技術被廣泛應用于高速數字系統中。該技術主要應用于兩個方面：圖像視頻數字傳輸相關領域和大容量高速數據傳輸相關領域。由于圖像視頻系統需要保持高實時性的特點，對數據的高速實時存儲有著較高的要求。LVDS串行接口技術能夠實現高速、可靠的數據傳輸，保證了系統的高實時性。目前，LVDS接口電路已成為平板顯示系統信號傳輸的首選，被廣泛應用于數字視頻高速傳輸系統。另外，很多LVDS串行芯片專門有一組視頻數字信號的數據總線，例如MAXIM公司生產的MAX9217/MAX9218串化/解串芯片就專門有一組18位的RGB視頻數據并行總線，為視頻數據的傳輸提供了便利。其他一些系統中雖然不需要視頻成像，但也使用了LVDS技術。例如導航系統為了獲得較高的導航精度，對數據的更新速率有很高的要求。LVDS串行技術可實現幾百兆的傳輸速率，應用起來簡單易行。在這樣的情況下，該串行接口技術深受設計者的喜愛。

2.2 LVDS應用方法

LVDS傳輸實現方式主要有三種：專用LVDS接口芯片實現；LVDS解串/串化器實現；利用FPGA實現。

2.2.1 專用LVDS接口芯片實現

此方法中，LVDS差分發送器將TTL信號轉換為LVDS信號，通過互聯器傳輸到LVDS差分接收器，差分接收器再將LVDS信號轉換為TTL信號發送出去。市面上有許多LVDS接口芯片，例如：TI公司生產的SN65LVCP22/SN65LVCP23，SN65LVDS31/SN65LVS32；NI公司的DS90LV017A/DS90LV018A；MAXIM公司的MAX9123，MAX9122等芯片，均是專用的LVDS 接口芯片。不同的芯片具有不同的電平兼容性，SN65LVCP22/SN65LVCP23采用3.3 V電源供電，可以直接輸入LVDS、LVPECL與CML信號。MAX9213/MAX9122采用3.3 V供電電源，可以直接與LVTTL，LVCMOS信號連接。設計者可以根據系統的需要選擇不同的LVDS接口芯片。該方法大多應用于圖像視頻系統中，芯片直接將TTL等信號轉換為LVDS信號，實現高速傳輸。該方法簡單易行，但靈活性較差。

2.2.2 LVDS解串/串化器實現

使用LVDS串化/解串器實現LVDS信號傳輸的方法，是近年來比較流行的實現方法。此方法通常把LVDS串化/解串器芯片與FPGA芯片配合使用。FPGA可直接將需要發送的并行數據發送給LVDS串化器，串化器將數據轉換為LVDS差分串行數據后，在FPGA的控制下將串行數據發送給對應的LVDS解串器。解串器接收到串行數據后，將其轉換為并行的數據發送給電控系統微控制器。MAIXM公司生產的MAX9217/MAX9218芯片組就是一對LVDS解串器/串化器芯片組。MAX9217串行器具有27位并行輸入，其中18位為視頻RGB數據，其余9位為控制信號。MAX9217將并行數據轉換為串行數據并將其發送給解串器。MAX9218接收串行數據，將其轉換為相應的并行數據。該芯片組最高串行傳輸速率可達700 Mb/s。該方法實現起來較為簡單靈活，但需要根據芯片的工作特性進行數據傳送。

2.2.3 利用FPGA資源實現

隨著LVDS技術的廣泛應用，許多FPGA芯片也進行了改革，將LVDS列為支持的接口電氣標準中，為設計者提供了很大的方便。因此，可以使用FPGA實現LVDS信號傳輸。根據具體需求，利用FPGA用戶可制定性的特點，可以非常靈活的將LVDS接口功能集成到FPGA中，無需再使用LVDS芯片或串化/解串芯片。該方法提高了系統的集成度，減少了電路板的面積。其最大的特點就是設計靈活，設計者可以根據系統的具體要求靈活使用FPGA資源，但該方法只能依托于FPGA，若系統方案中沒有涉及到FPGA，便不能采用該方法。 在文獻[2]描述的高速并行數據傳輸系統中，通過利用FPGA資源設計完成了LVDS接口，從而降低了系統互聯的復雜度及系統實現的經濟成本。

3 結 語

串行接口的發展速度遠超過并行接口，主要在于串行接口設計簡單，適用于傳輸速率要求較高或遠距離傳輸的系統中。

LVDS接口最大的優勢就是傳輸速率快，它采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數據，并且具有抗干擾性強，低功耗等特點，在串行接口中更是占有舉足輕重的地位。在未來的發展中，LVDS接口將會追求更高的傳輸速度，更低壓差的差分信號以及更快的過渡時間。用降低信號的擺幅、縮短電壓過渡時間的方法得到更高速的數據傳輸。與此同時，在體積、質量、功耗、抗干擾能力等方面也會有很大的提升。

參考文獻

[1] 付中梁，劉巖，黃從.一種航天器LVDS接口電路實時測試方法[J].航天器工程，2012，21（5）：130?134.

[2] 馮曉東，楊可.一種基于LVDS接口的高速并行數據傳輸系統設計與實現[J].數字技術與應用，2013（6）：64?65.

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[8] 馮妮，張會新.遙測數字視頻信號高速采集存儲系統的設計與應用[J].計算機測量與控制，2013，21（1）：279?281.

[9] 張濤，舒林峰，鄭冬軍，等.一種用于平板顯示系統的LVDS接口驅動電路的設計[J].現代顯示，2008（86）：53?56.

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[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] 侯宏錄，高偉平.500 fps圖像采集及實時顯示關鍵技術研究[J].光學儀器，2013，35（2）：52?57.

[13] 李宏，吳衡.機載LVDS數字視頻信號采集記錄技術研究[J].光電與控制，2011，18（5）：72?75.

[14] 宣棟，劉心惟.基于FPGA的LVDS高速數據通信卡設計[J].電子技術，2012，25（2）：54?56，85.

[15] 任偉，張彥軍，白先民.基于LVDS的高速數據傳輸裝置的設計[J].科學技術與工程，2012，12（29）：7759?7763.

2 LVDS技術應用

2.1 LVDS應用領域

現如今，航空航天、工業自動化、通信等領域對系統的實時性、數據的高速實時存儲提出了更高的要求，在某些特殊的條件下，還需要實現數據的遠距離傳輸。在這種形勢下，LVDS串行接口技術通過降低供電電壓和邏輯電壓擺幅，有效地提高數據傳輸的速率，為數字系統帶來了新的生機，突破了數據傳輸速率低的瓶頸。

LVDS串行接口技術被廣泛應用于高速數字系統中。該技術主要應用于兩個方面：圖像視頻數字傳輸相關領域和大容量高速數據傳輸相關領域。由于圖像視頻系統需要保持高實時性的特點，對數據的高速實時存儲有著較高的要求。LVDS串行接口技術能夠實現高速、可靠的數據傳輸，保證了系統的高實時性。目前，LVDS接口電路已成為平板顯示系統信號傳輸的首選，被廣泛應用于數字視頻高速傳輸系統。另外，很多LVDS串行芯片專門有一組視頻數字信號的數據總線，例如MAXIM公司生產的MAX9217/MAX9218串化/解串芯片就專門有一組18位的RGB視頻數據并行總線，為視頻數據的傳輸提供了便利。其他一些系統中雖然不需要視頻成像，但也使用了LVDS技術。例如導航系統為了獲得較高的導航精度，對數據的更新速率有很高的要求。LVDS串行技術可實現幾百兆的傳輸速率，應用起來簡單易行。在這樣的情況下，該串行接口技術深受設計者的喜愛。

2.2 LVDS應用方法

LVDS傳輸實現方式主要有三種：專用LVDS接口芯片實現；LVDS解串/串化器實現；利用FPGA實現。

2.2.1 專用LVDS接口芯片實現

此方法中，LVDS差分發送器將TTL信號轉換為LVDS信號，通過互聯器傳輸到LVDS差分接收器，差分接收器再將LVDS信號轉換為TTL信號發送出去。市面上有許多LVDS接口芯片，例如：TI公司生產的SN65LVCP22/SN65LVCP23，SN65LVDS31/SN65LVS32；NI公司的DS90LV017A/DS90LV018A；MAXIM公司的MAX9123，MAX9122等芯片，均是專用的LVDS 接口芯片。不同的芯片具有不同的電平兼容性，SN65LVCP22/SN65LVCP23采用3.3 V電源供電，可以直接輸入LVDS、LVPECL與CML信號。MAX9213/MAX9122采用3.3 V供電電源，可以直接與LVTTL，LVCMOS信號連接。設計者可以根據系統的需要選擇不同的LVDS接口芯片。該方法大多應用于圖像視頻系統中，芯片直接將TTL等信號轉換為LVDS信號，實現高速傳輸。該方法簡單易行，但靈活性較差。

2.2.2 LVDS解串/串化器實現

使用LVDS串化/解串器實現LVDS信號傳輸的方法，是近年來比較流行的實現方法。此方法通常把LVDS串化/解串器芯片與FPGA芯片配合使用。FPGA可直接將需要發送的并行數據發送給LVDS串化器，串化器將數據轉換為LVDS差分串行數據后，在FPGA的控制下將串行數據發送給對應的LVDS解串器。解串器接收到串行數據后，將其轉換為并行的數據發送給電控系統微控制器。MAIXM公司生產的MAX9217/MAX9218芯片組就是一對LVDS解串器/串化器芯片組。MAX9217串行器具有27位并行輸入，其中18位為視頻RGB數據，其余9位為控制信號。MAX9217將并行數據轉換為串行數據并將其發送給解串器。MAX9218接收串行數據，將其轉換為相應的并行數據。該芯片組最高串行傳輸速率可達700 Mb/s。該方法實現起來較為簡單靈活，但需要根據芯片的工作特性進行數據傳送。

2.2.3 利用FPGA資源實現

隨著LVDS技術的廣泛應用，許多FPGA芯片也進行了改革，將LVDS列為支持的接口電氣標準中，為設計者提供了很大的方便。因此，可以使用FPGA實現LVDS信號傳輸。根據具體需求，利用FPGA用戶可制定性的特點，可以非常靈活的將LVDS接口功能集成到FPGA中，無需再使用LVDS芯片或串化/解串芯片。該方法提高了系統的集成度，減少了電路板的面積。其最大的特點就是設計靈活，設計者可以根據系統的具體要求靈活使用FPGA資源，但該方法只能依托于FPGA，若系統方案中沒有涉及到FPGA，便不能采用該方法。 在文獻[2]描述的高速并行數據傳輸系統中，通過利用FPGA資源設計完成了LVDS接口，從而降低了系統互聯的復雜度及系統實現的經濟成本。

3 結 語

串行接口的發展速度遠超過并行接口，主要在于串行接口設計簡單，適用于傳輸速率要求較高或遠距離傳輸的系統中。

LVDS接口最大的優勢就是傳輸速率快，它采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數據，并且具有抗干擾性強，低功耗等特點，在串行接口中更是占有舉足輕重的地位。在未來的發展中，LVDS接口將會追求更高的傳輸速度，更低壓差的差分信號以及更快的過渡時間。用降低信號的擺幅、縮短電壓過渡時間的方法得到更高速的數據傳輸。與此同時，在體積、質量、功耗、抗干擾能力等方面也會有很大的提升。

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[15] 任偉，張彥軍，白先民.基于LVDS的高速數據傳輸裝置的設計[J].科學技術與工程，2012，12（29）：7759?7763.

2 LVDS技術應用

2.1 LVDS應用領域

現如今，航空航天、工業自動化、通信等領域對系統的實時性、數據的高速實時存儲提出了更高的要求，在某些特殊的條件下，還需要實現數據的遠距離傳輸。在這種形勢下，LVDS串行接口技術通過降低供電電壓和邏輯電壓擺幅，有效地提高數據傳輸的速率，為數字系統帶來了新的生機，突破了數據傳輸速率低的瓶頸。

LVDS串行接口技術被廣泛應用于高速數字系統中。該技術主要應用于兩個方面：圖像視頻數字傳輸相關領域和大容量高速數據傳輸相關領域。由于圖像視頻系統需要保持高實時性的特點，對數據的高速實時存儲有著較高的要求。LVDS串行接口技術能夠實現高速、可靠的數據傳輸，保證了系統的高實時性。目前，LVDS接口電路已成為平板顯示系統信號傳輸的首選，被廣泛應用于數字視頻高速傳輸系統。另外，很多LVDS串行芯片專門有一組視頻數字信號的數據總線，例如MAXIM公司生產的MAX9217/MAX9218串化/解串芯片就專門有一組18位的RGB視頻數據并行總線，為視頻數據的傳輸提供了便利。其他一些系統中雖然不需要視頻成像，但也使用了LVDS技術。例如導航系統為了獲得較高的導航精度，對數據的更新速率有很高的要求。LVDS串行技術可實現幾百兆的傳輸速率，應用起來簡單易行。在這樣的情況下，該串行接口技術深受設計者的喜愛。

2.2 LVDS應用方法

LVDS傳輸實現方式主要有三種：專用LVDS接口芯片實現；LVDS解串/串化器實現；利用FPGA實現。

2.2.1 專用LVDS接口芯片實現

此方法中，LVDS差分發送器將TTL信號轉換為LVDS信號，通過互聯器傳輸到LVDS差分接收器，差分接收器再將LVDS信號轉換為TTL信號發送出去。市面上有許多LVDS接口芯片，例如：TI公司生產的SN65LVCP22/SN65LVCP23，SN65LVDS31/SN65LVS32；NI公司的DS90LV017A/DS90LV018A；MAXIM公司的MAX9123，MAX9122等芯片，均是專用的LVDS 接口芯片。不同的芯片具有不同的電平兼容性，SN65LVCP22/SN65LVCP23采用3.3 V電源供電，可以直接輸入LVDS、LVPECL與CML信號。MAX9213/MAX9122采用3.3 V供電電源，可以直接與LVTTL，LVCMOS信號連接。設計者可以根據系統的需要選擇不同的LVDS接口芯片。該方法大多應用于圖像視頻系統中，芯片直接將TTL等信號轉換為LVDS信號，實現高速傳輸。該方法簡單易行，但靈活性較差。

2.2.2 LVDS解串/串化器實現

使用LVDS串化/解串器實現LVDS信號傳輸的方法，是近年來比較流行的實現方法。此方法通常把LVDS串化/解串器芯片與FPGA芯片配合使用。FPGA可直接將需要發送的并行數據發送給LVDS串化器，串化器將數據轉換為LVDS差分串行數據后，在FPGA的控制下將串行數據發送給對應的LVDS解串器。解串器接收到串行數據后，將其轉換為并行的數據發送給電控系統微控制器。MAIXM公司生產的MAX9217/MAX9218芯片組就是一對LVDS解串器/串化器芯片組。MAX9217串行器具有27位并行輸入，其中18位為視頻RGB數據，其余9位為控制信號。MAX9217將并行數據轉換為串行數據并將其發送給解串器。MAX9218接收串行數據，將其轉換為相應的并行數據。該芯片組最高串行傳輸速率可達700 Mb/s。該方法實現起來較為簡單靈活，但需要根據芯片的工作特性進行數據傳送。

2.2.3 利用FPGA資源實現

隨著LVDS技術的廣泛應用，許多FPGA芯片也進行了改革，將LVDS列為支持的接口電氣標準中，為設計者提供了很大的方便。因此，可以使用FPGA實現LVDS信號傳輸。根據具體需求，利用FPGA用戶可制定性的特點，可以非常靈活的將LVDS接口功能集成到FPGA中，無需再使用LVDS芯片或串化/解串芯片。該方法提高了系統的集成度，減少了電路板的面積。其最大的特點就是設計靈活，設計者可以根據系統的具體要求靈活使用FPGA資源，但該方法只能依托于FPGA，若系統方案中沒有涉及到FPGA，便不能采用該方法。 在文獻[2]描述的高速并行數據傳輸系統中，通過利用FPGA資源設計完成了LVDS接口，從而降低了系統互聯的復雜度及系統實現的經濟成本。

3 結 語

串行接口的發展速度遠超過并行接口，主要在于串行接口設計簡單，適用于傳輸速率要求較高或遠距離傳輸的系統中。

LVDS接口最大的優勢就是傳輸速率快，它采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數據，并且具有抗干擾性強，低功耗等特點，在串行接口中更是占有舉足輕重的地位。在未來的發展中，LVDS接口將會追求更高的傳輸速度，更低壓差的差分信號以及更快的過渡時間。用降低信號的擺幅、縮短電壓過渡時間的方法得到更高速的數據傳輸。與此同時，在體積、質量、功耗、抗干擾能力等方面也會有很大的提升。

參考文獻

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