高速差分信号在机载显控系统中的应用

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摘 要

以LVDS为代表的高速差分信号越来越多的应用在机载显示控制系统中，但在长距离的电缆传输过程中，信号会受到很大的损失和干扰，进而导致显示质量下降。本文分析了LVDS信号的传输原理，在此基础上提出了采用均衡和预加重的方法实现LVDS信号的长距离传输，并在机载显控系统的实际应用中取得良好的效果。

【关键词】LVDS 均衡 预加重 眼图分析

高速差分信号由于速率快、抗干扰能力强等优点得到越来越广泛的应用，尤其是应用在航电显控系统中。以DVI（Digital Visual Interface）和LVDS（Low Voltage Differential Signal）为代表的高速差分信号越来越多的应用在机载显控系统中。本文着重分析了LVDS信号在长距离电缆传输过程中所引起的失真问题，有针对性的提出了解决措施，很好的解决了视频信号的长距离传输问题。

1 LVDS工作原理

LVDS是一种低摆幅的差分信号技术，采用低压幅和低电流驱动实现了低噪声和低功耗。

LVDS的正极和负极线路之间的回路需要稳定的电流3.5 mA （如图1所示）。该电流的方向取决于驱动电路的输入逻辑电平。回路中的3.5 mA电流在接收侧端接电阻 （100ohm） 上产生一个压降，可被内部接收放大器感应，并按电流的方向将其理解为逻辑“1”或“0”。

LVDS具有终端适配容易，功耗低，低成本，高速传送等优点。这些特性使得LVDS 在计算机、通信设备、消费电子、航空电子等方面得到了广泛应用。

2 LVDS信号的眼图分析

在某机载显控系统的联试中，显控处理机与机载显示器之间采用长度为15m的双绞屏蔽电缆连接，发现机载显示器的显示画面出现“拉线”等现象。在机载显示器输入端，用示波器对LVDS信号做眼图观测分析，LVDS的时钟为65Mhz，数据数率为455Mhz，如图2所示。

用高速示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。

眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息，包括码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。为了说明眼图和系统性能的关系，可以把眼图简化为图3所示的形状，称为眼图的模型。

（1）最佳抽样时刻应在 “眼睛” 张开最大的时刻。

（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大，对定时误差就越灵敏。

（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。

（4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。

（5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。

（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。

从图2上很明显看出，时钟信号的眼图勉强可以接受，但数据的眼图较差，主要是因为信号过冲过大而引起的。

3 均衡与预加重

在信号的高速长距离传输中，电缆可以看成有损的传输线。电缆的损耗来自两方面：趋肤效应及电介质所造成的损耗。趋肤效应与频率的平方根成正比，而电介质所造成的损耗则直接与频率成正比。电缆具有高通滤波的特性，从频域的角度看，电缆是个带限网络。当发送器的信号经电缆传输时，信号的高频分量被衰减 ，电缆的趋附效应使高频分量的传输速度慢于信号的低频分量，信号出现频散。从时域的角度看，信号的频散使接受到的信号幅度降低，脉宽变大。当前码元受到以前码元能量的干扰，特别是一串连续不变的信号后出现一个脉冲切换，而后在保持不变的情况下，该脉冲会因电缆的带限效应出现严重的失真，如果脉冲幅度达不到接收器的检测阀值，该信号就不能正确检测出来，即使勉强检测到了，脉冲的幅度也会减少。因此，为了减少传输数据的误码率，在接收器的前端通常要加入均衡器，以补偿电缆对信号的衰减。通常来说，当数据率达到1Gbps，就必须使用均衡器。

3.1 预加重

所谓预加重（Transmit Pre-Emphasis），就是在发送端预先增加信号高频分量的能量。通过设计，使预加重的信号分量和线上衰减叠加后刚好抵消，从而在接收端产生一个平坦的频率响应特性。预加重是一种过驱动输出的技术，不但可为高频电缆的损耗提供补偿，而且也可加强电缆及背板的数据传送能力，使系统可以支持更长距离的传送，如图4所示。

预加重功能不但可以延长 LVDS电缆的传送距离，而且可使在设计过程中采用成本更低但损耗较高的电缆，使系统成本得以进一步降低。

虽然预加重为电缆损耗进行补偿之后，可以减少信号传输的损耗，在终端打开眼图，但如果预加重的摆幅较大，可能会产生更多串扰。因此，如果利用同一电缆套件传送多条信号流，便可能需要采用带屏蔽的双绞线电缆，同时在终端需要比较好的均衡电路。

3.2 终端接收均衡

接收均衡器（Receive Equalization）通过在接收端放大信号中的高频分量来补偿传输损耗，而低频分量保持不变，让信号眼图张得最开，是预加重的一种替代或互补方案。

为了实现均衡，均衡器可以利用多路径放大器将信号分成两路。一条路径包括一个高通滤波器或峰值响应滤波器以放大信号高频分量。另外一路则是个全通滤波器和低通滤波器，它的作用主要是与第一条路径匹配时间延迟。将这两路信号进行权重相加，就可以等效为一个可变增益的高通滤波器，其增益因子可以通过控制两个路径的权重来改变。这个特性为均衡器的自适应能力提供了方便。

3.3 通过DS25CP102实现预加重和均衡

基于DS25CP102的预加重和均衡，如图5所示。

DS25CP102可以对LVDS信号进行预加重。在增加了预加重处理后，从图6，可以判断LVDS信号的眼图基本找不出瑕疵，唯一不足的地方是从波形上能看到一些过冲，这是LVDS发送芯片做了预加重的原因。

4 结论

本文先从LVDS的原理出发，分析了LVDS的内部输出输入结构。对常用的两种技术均衡和预加重进行了介绍。利用高端示波器对LVDS传输的眼图进行观测和分析，进而找到问题的所在。同时对LVDS信号进行眼图测量分析对比，并提出，采用DS25CP102进行均衡和预加重解决LVDS信号长距离传输问题。

参考文献

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[2]Howard Johnson，Martin Graham .High-Speed Digital Design-A Handbook of Black Magi[M].Publishing House of Electronics Industry，2009.

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[7]Dally W，poulton J.Transmitter Equalization for 4Gb/s Signaling[C].Proceedings of Hot Interconnects IV，Stanford，California：Stanford University，1996.

作者简介

王星岛（1980-），男，陕西省宝鸡市人。工程硕士，现为苏州长风航空电子有限公司工程师，主要研究方向为机载座舱显示技术。

李国超（1977-），男，湖北省南漳县人。工学硕士，现为苏州长风航空电子有限公司高级工程师，主要研究方向为机载座舱显示技术。

耿涛（1981-），男，江苏省徐州市人。工学硕士，现为苏州长风航空电子有限公司工程师，主要研究方向为机载座舱显示技术。

作者单位

苏州长风航空电子有限公司 江苏省苏州市 215151