瞿林，陳海亮，甄國涌，劉東海

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西太原030051；2．北京航天長征飛行器研究所，北京100076；3.太原市華納方盛科技有限公司，山西太原030051）

高速長距離數(shù)據(jù)傳輸對總線要求比較高，常用的高速總線主要有HOTLink和低壓擺幅差分信號LVDS(Low Voltage Differential Signaling)，其中LVDS可以在差分PCB線對或平衡電纜上以幾百兆至幾千兆比特每秒的速率傳輸數(shù)字信號，在實際應用中較多[1]。

常用的LVDS傳輸介質有雙絞線和同軸電纜。比較而言，雙絞線具有抗干擾能力強、重量輕、易彎曲、易安裝、成本低等優(yōu)點，同時還特別適用于互補信號的傳輸，其制造不需要特別的設備，裝配、焊接方便，竄擾小，這些為它的廣泛應用提供了有利條件[2]。

某型號飛行器的研制中，要求設備間通信速度達到

176.947 2 Mb/s波特率，電纜由多對低頻連接器連接，總長度達104 m。但雙絞線是有損耗傳輸線，百米以上信號傳輸衰減比較嚴重，且低頻連接器阻抗不可調(diào)控，與電纜之間阻抗不連續(xù)，其耦合電容、漏電流、輻射等因素導致容易產(chǎn)生干擾信號。這些都成為了信號傳輸過程中的隱患。本文選用戈爾高性能屏蔽雙絞線作為傳輸介質，設計數(shù)據(jù)傳輸方案，并進行了關鍵性分析。

1 總體方案

1.1 數(shù)據(jù)傳輸模型

圖1 數(shù)據(jù)傳輸模型

數(shù)據(jù)傳輸模型如圖1所示，雙絞線的特性阻抗為100±10 OHMS，最大延遲是1.24 nSEC/FT，衰減特性為在100 MHz下衰減8 dB/100 FT。為了有效模擬設備電纜網(wǎng)，實現(xiàn)百米數(shù)據(jù)傳輸，實驗時雙絞線電纜由6段15 m、1段11 m和1段3 m的雙絞線組成，總長度設計為104 m(約341.2 FT)，中間有9對J14H系列連接器相連接。信號通過傳輸鏈路，最終由上位機進行數(shù)據(jù)分解。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)發(fā)送電路如圖2所示，接收電路如圖3所示，采用美國國家半導體推出的10位總線型LVDS應用芯片組SN65LV1023和SN65LV1224作為發(fā)送和接收芯片。該器件組進行數(shù)據(jù)串化時采用內(nèi)嵌時鐘，可以有效避免因時鐘不嚴格同步而造成的數(shù)據(jù)傳輸錯誤問題。為了達到數(shù)據(jù)傳輸104 m的要求，在發(fā)送端加一片高速電纜驅動芯片CLC001，接收端加一片自適應電纜均衡芯片CLC014。CLC001可以增強雙絞線電纜的驅動能力，CLC014可以自適應地對不同長度電纜進行均衡，均衡長度從0 m到相當于信號在200 MHz時衰減40 dB的長度，即300 m的Belden型同軸電纜或120 m的第五類未屏蔽雙絞線。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送

圖3 數(shù)據(jù)接收

2 阻抗匹配分析

信號反射的主要原因是線路中間阻抗不匹配。本設計中雙絞線特性阻抗為100 Ω，所以R1、R2的阻值選取50 Ω，而R3、R4、R5、R6的選取除了要遵循阻抗匹配的原則外，還應該考慮到輸出信號的電平，使得電纜可以發(fā)揮最好的均衡效果，設計中選取25 Ω。

J14H系列連接器阻抗不可調(diào)控，導致傳輸線路阻抗不連續(xù)。而阻抗不連續(xù)機構的耦合電容、漏電流、輻射等因素導致容易產(chǎn)生干擾信號。所以傳輸系統(tǒng)可靠實現(xiàn)的關鍵是要確定干擾的影響能力并最大程度恢復數(shù)據(jù)波形。

3 雙絞線衰減分析

設備間通信速度快，工作頻率在趨膚效應區(qū)，衰減與頻率的平方根和長度之積成正比[3]。因此本文從頻率和長度兩方面進行測試與分析，在確保信號傳輸性能良好的情況下，最大限度提高系統(tǒng)傳輸距離。以下列出了其中3組標準碼型測試結果和1組非標準碼型測試結果。

3.1 標準碼型信號傳輸

標準碼型數(shù)據(jù)中高低電平持續(xù)時間相等，如圖4～圖6所示，電纜發(fā)送端信號擺幅均使用700 mV。圖4中雙絞線長度為18 m，中間有3對連接器，信號傳輸頻率為14.745 6 MHz，雙絞線末端接收到的信號擺幅為600.6 mV，通過衰減公式中雙絞線為18 m，中間有3對連接器，信號傳輸頻率為88.473 6 MHz，雙絞線末端接收到的信號擺幅為481.25 mV，計算得衰減約為3.25 dB；圖6中雙絞線為104 m，中間有9對連接器，信號傳輸頻率為14.745 6 MHz，雙絞線末端接收到的信號擺幅為289 mV，計算得衰減約為7.68 dB。圖4和圖5說明了在傳輸距離一定時，信號衰減與信號頻率的平方根成正比；圖4和圖6說明了在信號頻率一定時，信號衰減與傳輸距離成正比。

圖4 電纜發(fā)送端（波形1）和接收端（波形2）波形

圖5 電纜發(fā)送端（波形1）和接收端（波形2）波形

圖6 電纜發(fā)送端（波形1）和接收端（波形2）波形

結合其他頻率和距離下的測試結果，繪制出頻率衰減特性曲線如圖7所示。測試表明，高頻信號衰減與信號頻率的平方根和傳輸距離之積依然成正比關系。

很明顯，J14H系列低頻連接器并未對傳輸信號衰減造成明顯的影響，但是信號存在反射，當然這個反射不一定是由連接器產(chǎn)生的，也有可能是示波器本身或者其他因素造成的。為了獲得更理想的傳輸效果，應該盡量選用能夠支持高達千兆位以上數(shù)據(jù)傳輸率并且阻抗可以調(diào)控的連接器[4]。

圖7 頻率衰減特性

3.2 非標準碼型信號傳輸

如果LVDS信號不經(jīng)過編碼處理，則其傳輸時都是非標準碼型的，高低電平持續(xù)時間隨機。所以當接口頻率為14.745 6 MHz時，最小的數(shù)據(jù)脈沖有效頻率應該是14.745 6×6=88.473 6 MHz。由于衰減與頻率的平方根和距離之積成正比，可算得電纜最大7.5 dB/100 FT，所以341.2 FT電纜最大衰減即為25.5 dB。實驗中電纜發(fā)送端信號UI為700 mV，根據(jù)衰減公式端實測波形如圖8所示。從圖中可以看出，發(fā)送端信號約為700 mV，接收端信號最大衰減后約為37.5 mV，與理論值37 mV基本吻合。電纜的延遲時間理論值為1.24×341.2=423.088 ns，與實測432 ns相差也不大，考慮到電路板上存在著傳輸延遲以及其他因素，以上誤差在合理的范圍內(nèi)。

圖8 電纜發(fā)送端（波形1）和接收端（波形2）波形

4 均衡器的實現(xiàn)

由圖8可知，電纜接收端信號碼型比較差，最小數(shù)據(jù)脈沖甚至越不過零點門限。雖然交流耦合網(wǎng)絡可以去除數(shù)字信號中由前級產(chǎn)生的直流偏置分量，使得波形的高低電平偏移相等，但是非標準碼型信號不均等的衰減使得部分數(shù)據(jù)脈沖無法越過零點門限。若單獨使用SN65LV1224，則會造成接收端解碼出現(xiàn)錯誤。

因此必須對接收到的LVDS信號進行模擬均衡，本設計采用電纜均衡器芯片CLC014。經(jīng)過測試，對于最大有效頻率為88.473 6 MHz時衰減25.5 dB的信號，通過均衡器后波形恢復比較理想。如圖9所示，波形1為電纜接收端信號波形，波形2為CLC014輸出信號波形?？梢钥闯?，均衡器輸出擺幅為200 mV。CLC014是電流型輸出，輸出電流大約10 mA，所以均衡器輸出信號幅值大小與均衡器端接負載有關[5]。由于CLC014與SN65-LV1224之間為交流耦合，所以交流阻抗可以等效看成是多個負載電阻的并聯(lián)，即R10//(R8//R9)//(R7/2)=75//55//50=19.4 Ω，則輸出端電壓值為19.4×10=194 mV，與實測的200 mV基本吻合，符合SN65LV1224的門限電壓。因此均衡后的LVDS信號可以通過解串器正確解碼。

圖9 電纜接收端（上）和CLC014輸出（下）波形

5 測試

對系統(tǒng)進行高溫60℃和低溫-40℃環(huán)境下的傳輸測試，數(shù)據(jù)幀格式如圖10所示。1～250字節(jié)為遞加數(shù)，251～254字節(jié)為幀計數(shù)，255～256字節(jié)為同步字。將設備及電纜放入恒溫箱內(nèi)，保溫2 h后啟動設備通電工作，傳輸滿4 GB數(shù)據(jù)時斷電，并通過上位機測試軟件對記錄的4 GB數(shù)據(jù)進行分解，得出數(shù)據(jù)分析報告。經(jīng)過多次高低溫循環(huán)測試，結果表明，數(shù)據(jù)傳輸104 m時誤碼率小于10-9。

圖10 數(shù)據(jù)幀格式

本數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計中使用了多對低頻連接器，雖然存在信號的反射，但這并不影響LVDS信號的傳輸。對于工作在趨膚效應區(qū)的高頻信號，其衰減與頻率的平方根和傳輸距離之積依然成正比關系。電纜均衡器CLC014可以對高速長距離傳輸?shù)腖VDS非標準碼型信號進行自適應補償，改善信號因傳輸線路不均等引起衰減而越不過零點門限的情況。該系統(tǒng)已經(jīng)通過溫度循環(huán)試驗、高低溫試驗等，傳輸可靠，性能穩(wěn)定，能夠滿足某型號飛行器數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅F(xiàn)已投入正式使用。

[1]楊雷，龍哲仁，盧繼華，等.LVDS高速并口通信協(xié)議設計[J].電子技術應用，2013，39（3）：119-122.

[2]管京周，李世平，陳世偉，等.雙絞線的基本概念及應用技巧[J].工業(yè)控制計算機，2005，18（4）：74-75.

[3]霍華德·約翰遜.高速數(shù)字設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]GLISIC D.數(shù)百Mbps@數(shù)百米：擴展LVDS的傳輸距離[J].電子產(chǎn)品世界，2004（21）：123-124.

[5]李建榮，張穎光.自適應電纜均衡器CLC014的原理與應用設計[J].電子技術應用，1999，25（3）：57-59.