0 引言

    LVDS(Low Voltage Differential Signal)信號比傳統(tǒng)TTL接口有很低的電壓擺幅、較高的噪聲容限能力，且功耗僅為幾毫瓦，抗干擾性相對其他總線接口也具有一定優(yōu)越性^[1]。但由于其低電壓差分傳輸導(dǎo)致其正常通信距離僅為5 m左右，同時在面對空間復(fù)雜的電磁環(huán)境時會導(dǎo)致信號傳輸誤碼，降低傳輸可靠性。本設(shè)計通過對傳輸接口增加驅(qū)動器和自適應(yīng)均衡器，極大地提高了LVDS信號通信距離；同時在鏈路中采用了10B6B的編碼方式，在維持直流平衡的基礎(chǔ)上還可檢測并糾錯1 bit的數(shù)據(jù)，一定程度上減小了數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/誤碼率" title="誤碼率" target="_blank">誤碼率，保證了LVDS信號在惡劣環(huán)境中高速遠距離傳輸時的可靠性。

1 硬件電路的優(yōu)化設(shè)計

    工程應(yīng)用中采用一般LVDS接口進行數(shù)據(jù)傳輸時，在傳輸距離為5 m時信號已經(jīng)發(fā)生嚴重衰減和畸變^[2]，無法正常區(qū)分高低電平，從而導(dǎo)致傳輸時產(chǎn)生很高的誤碼率。

    在LVDS鏈路傳輸時，誤碼和丟數(shù)產(chǎn)生原因可從以下方面進行分析：

    （1）發(fā)送端信號驅(qū)動能力不足，距離較長時信號衰減嚴重；

    （2）線路中直流不失衡，導(dǎo)致誤碼產(chǎn)生；

    （3）時鐘同步錯誤，接收端解出的時鐘與發(fā)送端嵌入的時鐘不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收錯誤。

    通過以上分析，首先在硬件設(shè)計方面對LVDS接口電路進行優(yōu)化。在數(shù)據(jù)發(fā)送端，使用SN65LV1023A串化器將FPGA輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行輸出，其次在發(fā)送端增加LMH0001SQ高速驅(qū)動器，增強信號驅(qū)動能力；在接收端則采用LMH0073SQ自適應(yīng)均衡器，補償信號在遠距離傳輸時出現(xiàn)的衰減，恢復(fù)其發(fā)生畸變的信號，最后通過SN65LV1224BDBR解串器，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，經(jīng)地面測試臺PCI接口將數(shù)據(jù)送至上位機進行分析和處理。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

1.1 發(fā)送端電路的優(yōu)化設(shè)計

    在LVDS發(fā)送端，由于串行器SN65LV1023A輸出僅為100 mV左右的低壓差分信號，故需其在差分輸出端增加LMH0001SQ驅(qū)動器來提高驅(qū)動能力。LMH0001SQ高速驅(qū)動器最高傳輸速率可達 540 Mb/s，差分輸入門檻電壓為100 mV，功耗僅為125 mW^[3]。輸出端電壓可通過REF引腳外接電阻進行調(diào)節(jié)。本設(shè)計使用750 Ω的外接電阻，得到約800 mV的差分電壓輸出，加上直流偏置電壓，使得輸出電壓在1.6 V～2.4 V之間，提高了數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)尿?qū)動能力。發(fā)送端驅(qū)動器設(shè)計如圖2所示。

    由于LMH0001SQ差分線輸入電阻需要與串行器SN65LV1023A進行阻抗匹配，因此PCB設(shè)計時100 Ω電阻要緊貼引腳；同時輸出端增加了SMDA03LC接口保護芯片，可防止輸出端電路發(fā)生不可逆故障對后級電路造成影響，保證了LVDS接口的安全性以及可靠性。

1.2 接收端電路的優(yōu)化設(shè)計

    LVDS信號在高速傳輸過程中由于導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，信號會產(chǎn)生一定損耗，損耗程度與信號頻率的平方根和電纜長度之積成正比^[4]。為保證信號傳輸可靠性，需要在接收端補償信號^[5]。LMH0074SQ均衡器是針對78 Mb/s～540 Mb/s的傳輸速率，能夠自適應(yīng)補償400 m belden 1694A 和第5類非屏蔽雙絞線傳輸?shù)膿p耗，該均衡器抖動性極低，功耗僅為208 mW。

    接收端均衡器設(shè)計如圖3所示。使用時在LMH0074均衡器AEC+和AEC－引腳之間跨接一個1 μF的電容，用來控制均衡環(huán)路的增益和帶寬[6]。由于輸出端具有50 Ω的差分輸出，為防止信號發(fā)生振鈴或反射，可在差分線間匹配精度為1%的100 Ω電阻，布線時應(yīng)盡量靠近解串器。均衡器最大程度地還原了衰減和畸變信號，提高了線纜傳輸質(zhì)量，減少了誤碼和丟數(shù)現(xiàn)象。

2 10B6B編碼邏輯設(shè)計

    為進一步提高LVDS數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，基于?，4）線性分組碼的編碼思想，在傳統(tǒng)的10B8B編碼基礎(chǔ)上改進并設(shè)計了一種10B6B編碼方式，在允許降低傳輸有效帶寬的情況下，設(shè)計4 bit監(jiān)督位來糾錯4 bit信息位，極大地降低了LVDS數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，很好地改善了直流平衡的狀況。

2.1 10B6B編碼原理

    根據(jù)線性分組碼的編碼原理，(n，k)分組碼要求2^r-1≥n(r=n-k)，才能用r個監(jiān)督位構(gòu)造r個監(jiān)督關(guān)系式來指示一位誤碼的n種可能位置，進而實現(xiàn)差錯控制。因為LVDS數(shù)據(jù)每次傳輸10 bit數(shù)據(jù)，所以至少需要4 bit監(jiān)督位，因此該編碼方式核心是用4 bit監(jiān)督位構(gòu)造4個監(jiān)督關(guān)系式用來指示誤碼的10種位置。這4 bit監(jiān)督位產(chǎn)生的4個監(jiān)督關(guān)系式理論上可以產(chǎn)生16種校正子碼組，根據(jù)實際需要選擇合適的校正子碼組來生成更適合傳輸?shù)拇a型。

2.2 10B6B發(fā)送端邏輯設(shè)計

    改進后的10B6B編碼設(shè)定的校正子與誤碼位置關(guān)系如表1所示，其中S₁、S₂、S₃、S₄表示由監(jiān)督關(guān)系方程式計算得到的校正子。由表1可知，當誤碼位置在a₆、a₈、a₀、a₂、a₃時，校正子S₁=1；否則S₁=0。因此有：

    編碼時取a₉、a₈、a₇、a₆、a₅、a₄為信息碼元，取a₃、a₂、a₁、a₀為監(jiān)督碼元，信息碼元隨機，而監(jiān)督碼元由以下監(jiān)督方程唯一確定：

    由上述方程式可得到表2所示的64個許用碼組。

    LVDS數(shù)據(jù)傳輸交替?zhèn)鬏斢行?shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)。有效數(shù)據(jù)每個字節(jié)需傳輸兩次，第一次傳輸?shù)? bit，第二次傳輸高4 bit，由LVDS最高兩位a9、a₈作為高低位標識。0000011111作為無效數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線空閑時發(fā)送，用來鎖定發(fā)送時鐘。LVDS數(shù)據(jù)位具體定義如表3所示。

    線上空閑時發(fā)送無效數(shù)據(jù)為0000011111，且編碼時要考慮1 bit誤碼的無效碼冗余，即表4所示的無效冗余碼接收時均當做無效碼處理。由于0100011111與表2中許用碼組沖突，因此在編碼時不用01這個碼組。

2.3 10B6B接收端解碼設(shè)計

    當接收端收到數(shù)據(jù)時，首先根據(jù)校正子方程式計算出校正子，根據(jù)表1即可對應(yīng)出數(shù)據(jù)誤碼位置，對該位置進行編碼生成糾錯碼，如表5所示。要注意的是當數(shù)據(jù)接收為表4中數(shù)據(jù)時，此時全部認為無效碼，不予進行校正計算。生成糾錯碼后與接收的原始LVDS數(shù)據(jù)進行異或運算，即可糾正傳輸數(shù)據(jù)過程中的一位誤碼。

    本系統(tǒng)還可對誤碼數(shù)據(jù)量進行統(tǒng)計，當糾錯碼為0000000011時，說明出現(xiàn)兩位或以上的錯位，此時字節(jié)錯誤統(tǒng)計自增1；當糾錯碼為不為0000000000時，說明數(shù)據(jù)出現(xiàn)一位錯誤，此時數(shù)據(jù)位錯誤統(tǒng)計自增1，方便對誤碼量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3 時鐘同步邏輯設(shè)計

    數(shù)據(jù)發(fā)送前，收發(fā)兩端都需要對時鐘進行同步鎖定。初始化時串化器SN65LV1023A和解串器SN65LV1224B均為三態(tài)輸出，當芯片供電電壓穩(wěn)定到2.45 V時，解串器啟動鎖相環(huán)跟蹤并鎖定本地時鐘，完成數(shù)據(jù)串行器和數(shù)據(jù)解串器的同步^[7]。

    本設(shè)計同步模式式采用隨機同步和快速同步相結(jié)合的方式，設(shè)備上電后，串化器SN65LV1023A鎖定發(fā)送時鐘TCLK，F(xiàn)PGA將其SYNC1和SYNC2引腳電平拉低，此時串化器向接收端發(fā)送同步碼，當解串器檢測到LVDS輸入端的邊沿轉(zhuǎn)換時，它就會根據(jù)FPGA提供的REFCLK參考時鐘嘗試鎖定到嵌入在數(shù)據(jù)流中的時鐘信息^[8]。由于串化器SYNC引腳與解串器的LOCK為開環(huán)狀態(tài)，因此不能準確判斷同步時間，所以設(shè)置在25 μs的等待時間后，解串器與串行器完成同步，將解出的RCLK時鐘送給FPGA后，LOCK引腳自動拉低，即可開始數(shù)據(jù)傳輸。

    在進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，當某個字節(jié)數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送時，則解串器可能進入誤鎖定狀態(tài)，錯誤地將數(shù)據(jù)上升沿識別為開始/停止位，這種現(xiàn)象稱為重復(fù)多重轉(zhuǎn)換（RMT）^[9]。解串器中的電路檢測到這種假鎖狀態(tài)時，電路就會阻止LOCK引腳輸出有效，直到這種假鎖狀態(tài)發(fā)生改變。當解串器檢測到4個連續(xù)周期的上升沿（停止/啟動位）在同一位置時，解串器將重新鎖定時鐘，否則仍為失鎖狀態(tài)。

    本設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸采用有效數(shù)和無效數(shù)混合發(fā)送的方式，既可以保證LVDS線路時刻都有數(shù)據(jù)持續(xù)傳送，不會因為由于有效數(shù)據(jù)發(fā)送不連續(xù)而造成失鎖，也可減少由于內(nèi)嵌時鐘位鎖定錯誤所造成的丟數(shù)的情況。同時設(shè)置最高兩位為標識位，當最高位為“10”和“11”時為有效數(shù)據(jù)的低4位和高4位，否則為無效數(shù)。這種高位固定值的傳輸方式由于每次在12 bit后有固定周期的跳變，極大程度地降低了嵌入時鐘位誤鎖定的可能。

4 數(shù)據(jù)可靠性驗證

    對硬件優(yōu)化效果進行測試，在沒有增加驅(qū)動器和均衡器雙絞線長度為3.5 m時，數(shù)據(jù)接收正常；當線纜長度增加時，誤碼率也隨之上升，當測試傳輸電纜網(wǎng)長度增加為48 m時，誤碼率已高達64.830 245%，已完全不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

    在增加驅(qū)動器和均衡器硬件優(yōu)化后，采用6段8 m的屏蔽雙絞線組成48 m的電纜網(wǎng)進行測試，修改采編器程序中LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘，使實際傳輸速率為100 Mb/s、200 Mb/s、300 Mb/s、400 Mb/s時，分別對采用10B6B編碼方式前后進行誤碼測試，結(jié)果如表6所示。

    分析測試結(jié)果可知：當傳輸速率低于100 Mb/s時，硬件電路能保證傳輸?shù)目煽啃?；當傳輸速率大?00 Mb/s時，誤碼率隨著速率的增大而增加。在邏輯設(shè)計上加入10B6B編碼后，在允許降低傳輸有效帶寬的情況下，傳輸速率為400 Mb/s時可保證遠程LVDS數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5 結(jié)束語

    針對LVDS傳輸過程中的可靠性問題，從硬件和邏輯編碼方式兩方面進行了優(yōu)化，設(shè)計的10B6B編碼可對數(shù)據(jù)中存在1 bit誤碼數(shù)據(jù)進行檢測糾錯，保障了數(shù)據(jù)的可靠性。在測試“遞增數(shù)”、“遞增數(shù)”、“全0數(shù)”、“全1數(shù)”4種碼型數(shù)據(jù)時，可實現(xiàn)400 Mb/s速率下48 m的零誤碼遠距離可靠傳輸，此設(shè)計系統(tǒng)已成功應(yīng)用于航天飛行器中。

參考文獻

[1] 李輝景，王淑琴，任勇峰，等.基于CRC校驗的高速長線LVDS傳輸設(shè)計[J].電子器件，2015(6)：1346-1351.

[2] 李治華，趙冬青，甄國涌，等.高可靠性遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].電子器件，2017，40(2)：490-494.

[3] 鄢玲玲，文豐，李輝景.一種基于LVDS高速傳輸?shù)慕涌趦?yōu)化設(shè)計[J].電測與儀表，2016，53(20)：80-83.

[4] 宋丹.某多通道采編存儲器的研制[D].太原：中北大學，2014.

[5] 王紅旭.高速數(shù)字電路設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用研究[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[6] 吳聰達.高速數(shù)字設(shè)計中的信號完整性研究[D].西安：西安電子科技大學，2005.

[7] 郭柳柳，甄國涌，劉東海．基于LVDS傳輸電纜均衡器的可靠性分析［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(10)：40-42.

[8] 易敏，蘇淑靖.基于LVDS的高可靠性數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計[J].微電子學與計算機，2014，31(9)：131-134.

[9] 范丹，何永強，方晉賢.高速LVDS接口電路設(shè)計[J].儀表技術(shù)，2010(4)：7-12.

作者信息:

李北國1，楊圣龍2，李輝景2

（1.北京航天長征飛行器研究所，北京100076；

2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）