機載電子設備間高速數據傳輸研究

邱偉

摘 要： 隨著航空電子系統架構向綜合化、模塊化發展，對機艙內電子設備之間數據傳輸速率的要求也越來越高。這里介紹了LVDS（低電壓差分信號）的工作原理及技術特點，提出采用LVDS技術解決機艙內電子設備之間高速數據傳輸問題的方案，測試結果顯示傳輸距離超過5 m，表明這種方案是可行的。

關鍵詞： 機載電子設備； 眼圖； 四同軸技術； LVDS

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0030?02

Abstract： With the development of integrated modular avionics， the high?speed data transmission among avionic devices in the cabin is required. The working principle and technique characteristics of LVDS （low voltage differential signaling） are introduced. A scheme to adopt LVDS technique to achieve high?speed data transmission among devices in the cabin is proposed. Test result shows that the scheme′s transmission distance is more than 5 m， which indicates that the scheme is feasible.

Keywords： avionic device； eye diagram； Quadrax technique； LVDS

0 引 言

在機載環境下，由于機艙內空間的限制或出于電磁兼容設計的考慮，許多電子設備都采用分體式設計，如某些任務電子系統把射頻前端電路和后端信號處理電路分別置于不同的機箱中，機載計算機將顯示器和控制面板安裝在儀表艙，而主機安裝在中后艙等。隨著電子技術的發展，接收端模擬信號的數字化點不斷前移，采樣率越來越高；另外，機載電子設備綜合化、集成化的趨勢越來越明顯[1?2]。所有這些因素都導致需要傳輸數字信號速率越來越高，達到幾百Mb/s，甚至超過1 Gb/s。傳統的機載總線技術如1553B已遠遠不能滿足如此高速數字信號傳輸的要求，迫切需要更先進的技術解決方案。因此，利用銅介質材料和電信號傳輸高速數據的可行性研究就具有很重要的現實意義。

1 LVDS技術

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）技術標準最早由美國國家半導體公司（National Semiconductor）于1994年提出，2001年被批準為ANSI/TIA/EIA?644?A標準，其是一種低擺幅的差分電壓串行傳輸信號技術[3]。

如圖1所示，它的發送端依靠3.5 mA電流源驅動一對差分線（可以是印制電路板走線或電纜）完成一路數據傳輸，接收端必須在兩根線間跨接一個100 Ω的端接電阻，接收器的直流輸入阻抗極高，它根據端接電阻上電流的流向（即端接電阻兩端的電壓差）來判斷邏輯電平為“0”或“1”。由于在任一時刻這兩根靠近的線上的電流大小相等，方向相反，故它們產生的絕大部分電磁輻射能量互相抵消，這使得LVDS信號能夠以極低的輻射水平傳輸極高速率的數字信號（標準規定的理論極限速率為1.9 Gb/s）。又因為它的接收器是根據端接電阻兩端的電壓差來判斷邏輯電平，而外界的電磁干擾對這兩根線的影響幾乎一致，故LVDS信號有極強的抗干擾能力[4?5]。

LVDS技術的特點可歸結為：低電壓，低輻射，低功耗，適用于有一定距離的設備間的高速數據傳輸；抗干擾能力強，能用于惡劣環境下。由于LVDS技術的諸多優點，它已被廣泛應用于各種工業場合，是一種較成熟的技術[6]。

2 四同軸技術

四同軸（Quadrax）技術主要用于航空連接器領域，典型的應用案例有美國的F?35戰斗機和歐洲空中客車公司的A?380民航客機。F?35使用四同軸接觸件配合MIL?C?38999?Ⅲ系列圓形連接器為全權數字引擎控制（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）系統傳輸信號，信號類型和傳輸速率不詳[7]；A?380使用四同軸接觸件在100 m的距離范圍內傳輸百兆以太網信號，所使用的電纜為四同軸電纜，如圖2所示。

目前四同軸接觸件及支持它的38999連接器的主要生產商有美國的安費諾（Amphenol）和法國的蘇里奧（Souriau）。雖然四同軸技術并不是為傳輸LVDS信號而開發，但由于其接插件和電纜都是平衡對稱的，更重要的是其差分特性阻抗正好為100 Ω，符合LVDS信號傳輸的要求，故應用四同軸技術傳輸LVDS高速信號在理論上是可行的。

3 實驗結果

為了驗證理論上的分析，設計了一個實驗板來測試利用四同軸接觸件和四同軸電纜傳輸LVDS信號的性能。如圖3所示，利用串行誤碼率測試儀、實驗板、四同軸PCB板接觸件和四同軸電纜構成數據環路，通過對收發數據誤碼率的測試和示波器的眼圖測試可以分析LVDS信號傳輸的質量。

圖4為采用1 m長的四同軸電纜、傳輸信號速率為740 Mb/s時測得的眼圖，從圖中可以看出，信號質量很好，眼高和眼寬都很理想。

此外，還進行了在不同傳輸長度的情況下極限傳輸速率的測試（極限傳輸速率定義為連續傳輸1×1012個比特無誤碼的最高速率），測試結果見表1。表中提到的預加重是一種為了補償在長距離傳輸過程中高頻分量衰減而在發送端人為增加信號高頻分量的技術，可以明顯提高傳輸性能。

表1 極限傳輸速率測試結果 Gb/s

從表1中可以看出，利用四同軸技術傳輸LVDS信號的性能非常理想，即使在電纜長度達到5 m，無任何改善信號質量措施的情況下仍然能輕松傳輸超過1 Gb/s的信號。另外，采用預加重技術可以在數據傳輸速率不變的情況下，大大增加傳輸的距離。

4 結 語

通過理論分析和實驗結果可以看出，利用四同軸技術傳輸高速LVDS信號是可行的，此項技術有較大的潛力應用于軍用機載電子設備間的高速數據傳輸。值得注意的是此項技術若要應用于工程中仍有一些因素需考慮，如四同軸電纜傳輸LVDS信號時抗電磁干擾的能力能否滿足要求等，還需要進一步的研究。

參考文獻

[1] 郭莎莎，胡旻.綜合模塊化航空電子系統結構的最新發展及挑戰[J].航空電子技術，2013，44（2）：15?20.

[2] 張鳳鳴，褚文奎，樊曉光，等.綜合模塊化航空電子體系結構研究[J].電光與控制，2009，16（9）：47?51.

[3] 蔣冬初，李玉山.LVDS在高速數字系統中的應用研究[J].現代電子技術，2009，32（7）：147?150.

[4] 柴海峰，朱衛良，章慧彬，等.LVDS（低壓差分信號）測試技術研究[J].電子與封裝，2011（11）：14?17.

[5] 鐘賢林.LVDS的電磁兼容性分析[J].現代電子技術，2013，36（11）：127?130.

[6] 崔紅利.幾種視頻芯片在機載計算機系統中的應用[J].世界電子元器件，2004（3）：50?52.

[7] LUCA Vince. F?35 JSF [R]. USA： Amphenol Aerospace， 2004.

摘 要： 隨著航空電子系統架構向綜合化、模塊化發展，對機艙內電子設備之間數據傳輸速率的要求也越來越高。這里介紹了LVDS（低電壓差分信號）的工作原理及技術特點，提出采用LVDS技術解決機艙內電子設備之間高速數據傳輸問題的方案，測試結果顯示傳輸距離超過5 m，表明這種方案是可行的。

關鍵詞： 機載電子設備； 眼圖； 四同軸技術； LVDS

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0030?02

Abstract： With the development of integrated modular avionics， the high?speed data transmission among avionic devices in the cabin is required. The working principle and technique characteristics of LVDS （low voltage differential signaling） are introduced. A scheme to adopt LVDS technique to achieve high?speed data transmission among devices in the cabin is proposed. Test result shows that the scheme′s transmission distance is more than 5 m， which indicates that the scheme is feasible.

Keywords： avionic device； eye diagram； Quadrax technique； LVDS

0 引 言

在機載環境下，由于機艙內空間的限制或出于電磁兼容設計的考慮，許多電子設備都采用分體式設計，如某些任務電子系統把射頻前端電路和后端信號處理電路分別置于不同的機箱中，機載計算機將顯示器和控制面板安裝在儀表艙，而主機安裝在中后艙等。隨著電子技術的發展，接收端模擬信號的數字化點不斷前移，采樣率越來越高；另外，機載電子設備綜合化、集成化的趨勢越來越明顯[1?2]。所有這些因素都導致需要傳輸數字信號速率越來越高，達到幾百Mb/s，甚至超過1 Gb/s。傳統的機載總線技術如1553B已遠遠不能滿足如此高速數字信號傳輸的要求，迫切需要更先進的技術解決方案。因此，利用銅介質材料和電信號傳輸高速數據的可行性研究就具有很重要的現實意義。

1 LVDS技術

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）技術標準最早由美國國家半導體公司（National Semiconductor）于1994年提出，2001年被批準為ANSI/TIA/EIA?644?A標準，其是一種低擺幅的差分電壓串行傳輸信號技術[3]。

如圖1所示，它的發送端依靠3.5 mA電流源驅動一對差分線（可以是印制電路板走線或電纜）完成一路數據傳輸，接收端必須在兩根線間跨接一個100 Ω的端接電阻，接收器的直流輸入阻抗極高，它根據端接電阻上電流的流向（即端接電阻兩端的電壓差）來判斷邏輯電平為“0”或“1”。由于在任一時刻這兩根靠近的線上的電流大小相等，方向相反，故它們產生的絕大部分電磁輻射能量互相抵消，這使得LVDS信號能夠以極低的輻射水平傳輸極高速率的數字信號（標準規定的理論極限速率為1.9 Gb/s）。又因為它的接收器是根據端接電阻兩端的電壓差來判斷邏輯電平，而外界的電磁干擾對這兩根線的影響幾乎一致，故LVDS信號有極強的抗干擾能力[4?5]。

LVDS技術的特點可歸結為：低電壓，低輻射，低功耗，適用于有一定距離的設備間的高速數據傳輸；抗干擾能力強，能用于惡劣環境下。由于LVDS技術的諸多優點，它已被廣泛應用于各種工業場合，是一種較成熟的技術[6]。

2 四同軸技術

四同軸（Quadrax）技術主要用于航空連接器領域，典型的應用案例有美國的F?35戰斗機和歐洲空中客車公司的A?380民航客機。F?35使用四同軸接觸件配合MIL?C?38999?Ⅲ系列圓形連接器為全權數字引擎控制（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）系統傳輸信號，信號類型和傳輸速率不詳[7]；A?380使用四同軸接觸件在100 m的距離范圍內傳輸百兆以太網信號，所使用的電纜為四同軸電纜，如圖2所示。

目前四同軸接觸件及支持它的38999連接器的主要生產商有美國的安費諾（Amphenol）和法國的蘇里奧（Souriau）。雖然四同軸技術并不是為傳輸LVDS信號而開發，但由于其接插件和電纜都是平衡對稱的，更重要的是其差分特性阻抗正好為100 Ω，符合LVDS信號傳輸的要求，故應用四同軸技術傳輸LVDS高速信號在理論上是可行的。

3 實驗結果

為了驗證理論上的分析，設計了一個實驗板來測試利用四同軸接觸件和四同軸電纜傳輸LVDS信號的性能。如圖3所示，利用串行誤碼率測試儀、實驗板、四同軸PCB板接觸件和四同軸電纜構成數據環路，通過對收發數據誤碼率的測試和示波器的眼圖測試可以分析LVDS信號傳輸的質量。

圖4為采用1 m長的四同軸電纜、傳輸信號速率為740 Mb/s時測得的眼圖，從圖中可以看出，信號質量很好，眼高和眼寬都很理想。

此外，還進行了在不同傳輸長度的情況下極限傳輸速率的測試（極限傳輸速率定義為連續傳輸1×1012個比特無誤碼的最高速率），測試結果見表1。表中提到的預加重是一種為了補償在長距離傳輸過程中高頻分量衰減而在發送端人為增加信號高頻分量的技術，可以明顯提高傳輸性能。

表1 極限傳輸速率測試結果 Gb/s

從表1中可以看出，利用四同軸技術傳輸LVDS信號的性能非常理想，即使在電纜長度達到5 m，無任何改善信號質量措施的情況下仍然能輕松傳輸超過1 Gb/s的信號。另外，采用預加重技術可以在數據傳輸速率不變的情況下，大大增加傳輸的距離。

4 結 語

通過理論分析和實驗結果可以看出，利用四同軸技術傳輸高速LVDS信號是可行的，此項技術有較大的潛力應用于軍用機載電子設備間的高速數據傳輸。值得注意的是此項技術若要應用于工程中仍有一些因素需考慮，如四同軸電纜傳輸LVDS信號時抗電磁干擾的能力能否滿足要求等，還需要進一步的研究。

參考文獻

[1] 郭莎莎，胡旻.綜合模塊化航空電子系統結構的最新發展及挑戰[J].航空電子技術，2013，44（2）：15?20.

[2] 張鳳鳴，褚文奎，樊曉光，等.綜合模塊化航空電子體系結構研究[J].電光與控制，2009，16（9）：47?51.

[3] 蔣冬初，李玉山.LVDS在高速數字系統中的應用研究[J].現代電子技術，2009，32（7）：147?150.

[4] 柴海峰，朱衛良，章慧彬，等.LVDS（低壓差分信號）測試技術研究[J].電子與封裝，2011（11）：14?17.

[5] 鐘賢林.LVDS的電磁兼容性分析[J].現代電子技術，2013，36（11）：127?130.

[6] 崔紅利.幾種視頻芯片在機載計算機系統中的應用[J].世界電子元器件，2004（3）：50?52.

[7] LUCA Vince. F?35 JSF [R]. USA： Amphenol Aerospace， 2004.

摘 要： 隨著航空電子系統架構向綜合化、模塊化發展，對機艙內電子設備之間數據傳輸速率的要求也越來越高。這里介紹了LVDS（低電壓差分信號）的工作原理及技術特點，提出采用LVDS技術解決機艙內電子設備之間高速數據傳輸問題的方案，測試結果顯示傳輸距離超過5 m，表明這種方案是可行的。

關鍵詞： 機載電子設備； 眼圖； 四同軸技術； LVDS

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0030?02

Abstract： With the development of integrated modular avionics， the high?speed data transmission among avionic devices in the cabin is required. The working principle and technique characteristics of LVDS （low voltage differential signaling） are introduced. A scheme to adopt LVDS technique to achieve high?speed data transmission among devices in the cabin is proposed. Test result shows that the scheme′s transmission distance is more than 5 m， which indicates that the scheme is feasible.

Keywords： avionic device； eye diagram； Quadrax technique； LVDS

0 引 言

在機載環境下，由于機艙內空間的限制或出于電磁兼容設計的考慮，許多電子設備都采用分體式設計，如某些任務電子系統把射頻前端電路和后端信號處理電路分別置于不同的機箱中，機載計算機將顯示器和控制面板安裝在儀表艙，而主機安裝在中后艙等。隨著電子技術的發展，接收端模擬信號的數字化點不斷前移，采樣率越來越高；另外，機載電子設備綜合化、集成化的趨勢越來越明顯[1?2]。所有這些因素都導致需要傳輸數字信號速率越來越高，達到幾百Mb/s，甚至超過1 Gb/s。傳統的機載總線技術如1553B已遠遠不能滿足如此高速數字信號傳輸的要求，迫切需要更先進的技術解決方案。因此，利用銅介質材料和電信號傳輸高速數據的可行性研究就具有很重要的現實意義。

1 LVDS技術

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）技術標準最早由美國國家半導體公司（National Semiconductor）于1994年提出，2001年被批準為ANSI/TIA/EIA?644?A標準，其是一種低擺幅的差分電壓串行傳輸信號技術[3]。

如圖1所示，它的發送端依靠3.5 mA電流源驅動一對差分線（可以是印制電路板走線或電纜）完成一路數據傳輸，接收端必須在兩根線間跨接一個100 Ω的端接電阻，接收器的直流輸入阻抗極高，它根據端接電阻上電流的流向（即端接電阻兩端的電壓差）來判斷邏輯電平為“0”或“1”。由于在任一時刻這兩根靠近的線上的電流大小相等，方向相反，故它們產生的絕大部分電磁輻射能量互相抵消，這使得LVDS信號能夠以極低的輻射水平傳輸極高速率的數字信號（標準規定的理論極限速率為1.9 Gb/s）。又因為它的接收器是根據端接電阻兩端的電壓差來判斷邏輯電平，而外界的電磁干擾對這兩根線的影響幾乎一致，故LVDS信號有極強的抗干擾能力[4?5]。

LVDS技術的特點可歸結為：低電壓，低輻射，低功耗，適用于有一定距離的設備間的高速數據傳輸；抗干擾能力強，能用于惡劣環境下。由于LVDS技術的諸多優點，它已被廣泛應用于各種工業場合，是一種較成熟的技術[6]。

2 四同軸技術

四同軸（Quadrax）技術主要用于航空連接器領域，典型的應用案例有美國的F?35戰斗機和歐洲空中客車公司的A?380民航客機。F?35使用四同軸接觸件配合MIL?C?38999?Ⅲ系列圓形連接器為全權數字引擎控制（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）系統傳輸信號，信號類型和傳輸速率不詳[7]；A?380使用四同軸接觸件在100 m的距離范圍內傳輸百兆以太網信號，所使用的電纜為四同軸電纜，如圖2所示。

目前四同軸接觸件及支持它的38999連接器的主要生產商有美國的安費諾（Amphenol）和法國的蘇里奧（Souriau）。雖然四同軸技術并不是為傳輸LVDS信號而開發，但由于其接插件和電纜都是平衡對稱的，更重要的是其差分特性阻抗正好為100 Ω，符合LVDS信號傳輸的要求，故應用四同軸技術傳輸LVDS高速信號在理論上是可行的。

3 實驗結果

為了驗證理論上的分析，設計了一個實驗板來測試利用四同軸接觸件和四同軸電纜傳輸LVDS信號的性能。如圖3所示，利用串行誤碼率測試儀、實驗板、四同軸PCB板接觸件和四同軸電纜構成數據環路，通過對收發數據誤碼率的測試和示波器的眼圖測試可以分析LVDS信號傳輸的質量。

圖4為采用1 m長的四同軸電纜、傳輸信號速率為740 Mb/s時測得的眼圖，從圖中可以看出，信號質量很好，眼高和眼寬都很理想。

此外，還進行了在不同傳輸長度的情況下極限傳輸速率的測試（極限傳輸速率定義為連續傳輸1×1012個比特無誤碼的最高速率），測試結果見表1。表中提到的預加重是一種為了補償在長距離傳輸過程中高頻分量衰減而在發送端人為增加信號高頻分量的技術，可以明顯提高傳輸性能。

表1 極限傳輸速率測試結果 Gb/s

從表1中可以看出，利用四同軸技術傳輸LVDS信號的性能非常理想，即使在電纜長度達到5 m，無任何改善信號質量措施的情況下仍然能輕松傳輸超過1 Gb/s的信號。另外，采用預加重技術可以在數據傳輸速率不變的情況下，大大增加傳輸的距離。

4 結 語

通過理論分析和實驗結果可以看出，利用四同軸技術傳輸高速LVDS信號是可行的，此項技術有較大的潛力應用于軍用機載電子設備間的高速數據傳輸。值得注意的是此項技術若要應用于工程中仍有一些因素需考慮，如四同軸電纜傳輸LVDS信號時抗電磁干擾的能力能否滿足要求等，還需要進一步的研究。

參考文獻

[1] 郭莎莎，胡旻.綜合模塊化航空電子系統結構的最新發展及挑戰[J].航空電子技術，2013，44（2）：15?20.

[2] 張鳳鳴，褚文奎，樊曉光，等.綜合模塊化航空電子體系結構研究[J].電光與控制，2009，16（9）：47?51.

[3] 蔣冬初，李玉山.LVDS在高速數字系統中的應用研究[J].現代電子技術，2009，32（7）：147?150.

[4] 柴海峰，朱衛良，章慧彬，等.LVDS（低壓差分信號）測試技術研究[J].電子與封裝，2011（11）：14?17.

[5] 鐘賢林.LVDS的電磁兼容性分析[J].現代電子技術，2013，36（11）：127?130.

[6] 崔紅利.幾種視頻芯片在機載計算機系統中的應用[J].世界電子元器件，2004（3）：50?52.

[7] LUCA Vince. F?35 JSF [R]. USA： Amphenol Aerospace， 2004.