瞿林，陳海亮，甄國(guó)涌，劉東海

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；2．北京航天長(zhǎng)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(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸對(duì)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(hào)LVDS(Low Voltage Differential Signaling)，其中LVDS可以在差分PCB線對(duì)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(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中較多[1]。

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

某型號(hào)飛行器的研制中，要求設(shè)備間通信速度達(dá)到

176.947 2 Mb/s波特率，電纜由多對(duì)低頻連接器連接，總長(zhǎng)度達(dá)104 m。但雙絞線是有損耗傳輸線，百米以上信號(hào)傳輸衰減比較嚴(yán)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(dǎo)致容易產(chǎn)生干擾信號(hào)。這些都成為了信號(hào)傳輸過(guò)程中的隱患。本文選用戈?duì)柛咝阅芷帘坞p絞線作為傳輸介質(zhì)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸方案，并進(jìn)行了關(guān)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(shè)備電纜網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)百米數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(zhǎng)度設(shè)計(jì)為104 m(約341.2 FT)，中間有9對(duì)J14H系列連接器相連接。信號(hào)通過(guò)傳輸鏈路，最終由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分解。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體推出的10位總線型LVDS應(yīng)用芯片組SN65LV1023和SN65LV1224作為發(fā)送和接收芯片。該器件組進(jìn)行數(shù)據(jù)串化時(shí)采用內(nèi)嵌時(shí)鐘，可以有效避免因時(shí)鐘不嚴(yán)格同步而造成的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤問(wèn)題。為了達(dá)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(qū)動(dòng)芯片CLC001，接收端加一片自適應(yīng)電纜均衡芯片CLC014。CLC001可以增強(qiáng)雙絞線電纜的驅(qū)動(dòng)能力，CLC014可以自適應(yīng)地對(duì)不同長(zhǎng)度電纜進(jìn)行均衡，均衡長(zhǎng)度從0 m到相當(dāng)于信號(hào)在200 MHz時(shí)衰減40 dB的長(zhǎng)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(hào)反射的主要原因是線路中間阻抗不匹配。本設(shè)計(jì)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(yīng)該考慮到輸出信號(hào)的電平，使得電纜可以發(fā)揮最好的均衡效果，設(shè)計(jì)中選取25 Ω。

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

3 雙絞線衰減分析

設(shè)備間通信速度快，工作頻率在趨膚效應(yīng)區(qū)，衰減與頻率的平方根和長(zhǎng)度之積成正比[3]。因此本文從頻率和長(zhǎng)度兩方面進(jìn)行測(cè)試與分析，在確保信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)碼型測(cè)試結(jié)果和1組非標(biāo)準(zhǔn)碼型測(cè)試結(jié)果。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)碼型信號(hào)傳輸

標(biāo)準(zhǔn)碼型數(shù)據(jù)中高低電平持續(xù)時(shí)間相等，如圖4～圖6所示，電纜發(fā)送端信號(hào)擺幅均使用700 mV。圖4中雙絞線長(zhǎng)度為18 m，中間有3對(duì)連接器，信號(hào)傳輸頻率為14.745 6 MHz，雙絞線末端接收到的信號(hào)擺幅為600.6 mV，通過(guò)衰減公式中雙絞線為18 m，中間有3對(duì)連接器，信號(hào)傳輸頻率為88.473 6 MHz，雙絞線末端接收到的信號(hào)擺幅為481.25 mV，計(jì)算得衰減約為3.25 dB；圖6中雙絞線為104 m，中間有9對(duì)連接器，信號(hào)傳輸頻率為14.745 6 MHz，雙絞線末端接收到的信號(hào)擺幅為289 mV，計(jì)算得衰減約為7.68 dB。圖4和圖5說(shuō)明了在傳輸距離一定時(shí)，信號(hào)衰減與信號(hào)頻率的平方根成正比；圖4和圖6說(shuō)明了在信號(hào)頻率一定時(shí)，信號(hào)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(jié)合其他頻率和距離下的測(cè)試結(jié)果，繪制出頻率衰減特性曲線如圖7所示。測(cè)試表明，高頻信號(hào)衰減與信號(hào)頻率的平方根和傳輸距離之積依然成正比關(guān)系。

很明顯，J14H系列低頻連接器并未對(duì)傳輸信號(hào)衰減造成明顯的影響，但是信號(hào)存在反射，當(dāng)然這個(gè)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(yīng)該盡量選用能夠支持高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)碼型信號(hào)傳輸

如果LVDS信號(hào)不經(jīng)過(guò)編碼處理，則其傳輸時(shí)都是非標(biāo)準(zhǔn)碼型的，高低電平持續(xù)時(shí)間隨機(jī)。所以當(dāng)接口頻率為14.745 6 MHz時(shí)，最小的數(shù)據(jù)脈沖有效頻率應(yīng)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(shí)驗(yàn)中電纜發(fā)送端信號(hào)UI為700 mV，根據(jù)衰減公式端實(shí)測(cè)波形如圖8所示。從圖中可以看出，發(fā)送端信號(hào)約為700 mV，接收端信號(hào)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(shí)間理論值為1.24×341.2=423.088 ns，與實(shí)測(cè)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(shí)現(xiàn)

由圖8可知，電纜接收端信號(hào)碼型比較差，最小數(shù)據(jù)脈沖甚至越不過(guò)零點(diǎn)門限。雖然交流耦合網(wǎng)絡(luò)可以去除數(shù)字信號(hào)中由前級(jí)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(biāo)準(zhǔn)碼型信號(hào)不均等的衰減使得部分?jǐn)?shù)據(jù)脈沖無(wú)法越過(guò)零點(diǎn)門限。若單獨(dú)使用SN65LV1224，則會(huì)造成接收端解碼出現(xiàn)錯(cuò)誤。

因此必須對(duì)接收到的LVDS信號(hào)進(jìn)行模擬均衡，本設(shè)計(jì)采用電纜均衡器芯片CLC014。經(jīng)過(guò)測(cè)試，對(duì)于最大有效頻率為88.473 6 MHz時(shí)衰減25.5 dB的信號(hào)，通過(guò)均衡器后波形恢復(fù)比較理想。如圖9所示，波形1為電纜接收端信號(hào)波形，波形2為CLC014輸出信號(hào)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(hào)幅值大小與均衡器端接負(fù)載有關(guān)[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(gè)負(fù)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(shí)測(cè)的200 mV基本吻合，符合SN65LV1224的門限電壓。因此均衡后的LVDS信號(hào)可以通過(guò)解串器正確解碼。

圖9 電纜接收端（上）和CLC014輸出（下）波形

5 測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高溫60℃和低溫-40℃環(huán)境下的傳輸測(cè)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(jì)數(shù)，255～256字節(jié)為同步字。將設(shè)備及電纜放入恒溫箱內(nèi)，保溫2 h后啟動(dòng)設(shè)備通電工作，傳輸滿4 GB數(shù)據(jù)時(shí)斷電，并通過(guò)上位機(jī)測(cè)試軟件對(duì)記錄的4 GB數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得出數(shù)據(jù)分析報(bào)告。經(jīng)過(guò)多次高低溫循環(huán)測(cè)試，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸104 m時(shí)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(shè)計(jì)中使用了多對(duì)低頻連接器，雖然存在信號(hào)的反射，但這并不影響LVDS信號(hào)的傳輸。對(duì)于工作在趨膚效應(yīng)區(qū)的高頻信號(hào)，其衰減與頻率的平方根和傳輸距離之積依然成正比關(guān)系。電纜均衡器CLC014可以對(duì)高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)腖VDS非標(biāo)準(zhǔn)碼型信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，改善信號(hào)因傳輸線路不均等引起衰減而越不過(guò)零點(diǎn)門限的情況。該系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)等，傳輸可靠，性能穩(wěn)定，能夠滿足某型號(hào)飛行器數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，現(xiàn)已投入正式使用。

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