邱伟

摘 要： 随着航空电子系统架构向综合化、模块化发展，对机舱内电子设备之间数据传输速率的要求也越来越高。这里介绍了LVDS（低电压差分信号）的工作原理及技术特点，提出采用LVDS技术解决机舱内电子设备之间高速数据传输问题的方案，测试结果显示传输距离超过5 m，表明这种方案是可行的。

关键词： 机载电子设备； 眼图； 四同轴技术； LVDS

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

在机载环境下，由于机舱内空间的限制或出于电磁兼容设计的考虑，许多电子设备都采用分体式设计，如某些任务电子系统把射频前端电路和后端信号处理电路分别置于不同的机箱中，机载计算机将显示器和控制面板安装在仪表舱，而主机安装在中后舱等。随着电子技术的发展，接收端模拟信号的数字化点不断前移，采样率越来越高；另外，机载电子设备综合化、集成化的趋势越来越明显[1?2]。所有这些因素都导致需要传输数字信号速率越来越高，达到几百Mb/s，甚至超过1 Gb/s。传统的机载总线技术如1553B已远远不能满足如此高速数字信号传输的要求，迫切需要更先进的技术解决方案。因此，利用铜介质材料和电信号传输高速数据的可行性研究就具有很重要的现实意义。

1 LVDS技术

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）技术标准最早由美国国家半导体公司（National Semiconductor）于1994年提出，2001年被批准为ANSI/TIA/EIA?644?A标准，其是一种低摆幅的差分电压串行传输信号技术[3]。

如图1所示，它的发送端依靠3.5 mA电流源驱动一对差分线（可以是印制电路板走线或电缆）完成一路数据传输，接收端必须在两根线间跨接一个100 Ω的端接电阻，接收器的直流输入阻抗极高，它根据端接电阻上电流的流向（即端接电阻两端的电压差）来判断逻辑电平为“0”或“1”。由于在任一时刻这两根靠近的线上的电流大小相等，方向相反，故它们产生的绝大部分电磁辐射能量互相抵消，这使得LVDS信号能够以极低的辐射水平传输极高速率的数字信号（标准规定的理论极限速率为1.9 Gb/s）。又因为它的接收器是根据端接电阻两端的电压差来判断逻辑电平，而外界的电磁干扰对这两根线的影响几乎一致，故LVDS信号有极强的抗干扰能力[4?5]。

LVDS技术的特点可归结为：低电压，低辐射，低功耗，适用于有一定距离的设备间的高速数据传输；抗干扰能力强，能用于恶劣环境下。由于LVDS技术的诸多优点，它已被广泛应用于各种工业场合，是一种较成熟的技术[6]。

2 四同轴技术

四同轴（Quadrax）技术主要用于航空连接器领域，典型的应用案例有美国的F?35战斗机和欧洲空中客车公司的A?380民航客机。F?35使用四同轴接触件配合MIL?C?38999?Ⅲ系列圆形连接器为全权数字引擎控制（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）系统传输信号，信号类型和传输速率不详[7]；A?380使用四同轴接触件在100 m的距离范围内传输百兆以太网信号，所使用的电缆为四同轴电缆，如图2所示。

目前四同轴接触件及支持它的38999连接器的主要生产商有美国的安费诺（Amphenol）和法国的苏里奥（Souriau）。虽然四同轴技术并不是为传输LVDS信号而开发，但由于其接插件和电缆都是平衡对称的，更重要的是其差分特性阻抗正好为100 Ω，符合LVDS信号传输的要求，故应用四同轴技术传输LVDS高速信号在理论上是可行的。

3 实验结果

为了验证理论上的分析，设计了一个实验板来测试利用四同轴接触件和四同轴电缆传输LVDS信号的性能。如图3所示，利用串行误码率测试仪、实验板、四同轴PCB板接触件和四同轴电缆构成数据环路，通过对收发数据误码率的测试和示波器的眼图测试可以分析LVDS信号传输的质量。

图4为采用1 m长的四同轴电缆、传输信号速率为740 Mb/s时测得的眼图，从图中可以看出，信号质量很好，眼高和眼宽都很理想。

此外，还进行了在不同传输长度的情况下极限传输速率的测试（极限传输速率定义为连续传输1×1012个比特无误码的最高速率），测试结果见表1。表中提到的预加重是一种为了补偿在长距离传输过程中高频分量衰减而在发送端人为增加信号高频分量的技术，可以明显提高传输性能。

表1 极限传输速率测试结果 Gb/s

从表1中可以看出，利用四同轴技术传输LVDS信号的性能非常理想，即使在电缆长度达到5 m，无任何改善信号质量措施的情况下仍然能轻松传输超过1 Gb/s的信号。另外，采用预加重技术可以在数据传输速率不变的情况下，大大增加传输的距离。

4 结 语

通过理论分析和实验结果可以看出，利用四同轴技术传输高速LVDS信号是可行的，此项技术有较大的潜力应用于军用机载电子设备间的高速数据传输。值得注意的是此项技术若要应用于工程中仍有一些因素需考虑，如四同轴电缆传输LVDS信号时抗电磁干扰的能力能否满足要求等，还需要进一步的研究。

参考文献

[1] 郭莎莎，胡旻.综合模块化航空电子系统结构的最新发展及挑战[J].航空电子技术，2013，44（2）：15?20.

[2] 张凤鸣，褚文奎，樊晓光，等.综合模块化航空电子体系结构研究[J].电光与控制，2009，16（9）：47?51.

[3] 蒋冬初，李玉山.LVDS在高速数字系统中的应用研究[J].现代电子技术，2009，32（7）：147?150.

[4] 柴海峰，朱卫良，章慧彬，等.LVDS（低压差分信号）测试技术研究[J].电子与封装，2011（11）：14?17.

[5] 钟贤林.LVDS的电磁兼容性分析[J].现代电子技术，2013，36（11）：127?130.

[6] 崔红利.几种视频芯片在机载计算机系统中的应用[J].世界电子元器件，2004（3）：50?52.

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

摘 要： 随着航空电子系统架构向综合化、模块化发展，对机舱内电子设备之间数据传输速率的要求也越来越高。这里介绍了LVDS（低电压差分信号）的工作原理及技术特点，提出采用LVDS技术解决机舱内电子设备之间高速数据传输问题的方案，测试结果显示传输距离超过5 m，表明这种方案是可行的。

关键词： 机载电子设备； 眼图； 四同轴技术； LVDS

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

在机载环境下，由于机舱内空间的限制或出于电磁兼容设计的考虑，许多电子设备都采用分体式设计，如某些任务电子系统把射频前端电路和后端信号处理电路分别置于不同的机箱中，机载计算机将显示器和控制面板安装在仪表舱，而主机安装在中后舱等。随着电子技术的发展，接收端模拟信号的数字化点不断前移，采样率越来越高；另外，机载电子设备综合化、集成化的趋势越来越明显[1?2]。所有这些因素都导致需要传输数字信号速率越来越高，达到几百Mb/s，甚至超过1 Gb/s。传统的机载总线技术如1553B已远远不能满足如此高速数字信号传输的要求，迫切需要更先进的技术解决方案。因此，利用铜介质材料和电信号传输高速数据的可行性研究就具有很重要的现实意义。

1 LVDS技术

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）技术标准最早由美国国家半导体公司（National Semiconductor）于1994年提出，2001年被批准为ANSI/TIA/EIA?644?A标准，其是一种低摆幅的差分电压串行传输信号技术[3]。

如图1所示，它的发送端依靠3.5 mA电流源驱动一对差分线（可以是印制电路板走线或电缆）完成一路数据传输，接收端必须在两根线间跨接一个100 Ω的端接电阻，接收器的直流输入阻抗极高，它根据端接电阻上电流的流向（即端接电阻两端的电压差）来判断逻辑电平为“0”或“1”。由于在任一时刻这两根靠近的线上的电流大小相等，方向相反，故它们产生的绝大部分电磁辐射能量互相抵消，这使得LVDS信号能够以极低的辐射水平传输极高速率的数字信号（标准规定的理论极限速率为1.9 Gb/s）。又因为它的接收器是根据端接电阻两端的电压差来判断逻辑电平，而外界的电磁干扰对这两根线的影响几乎一致，故LVDS信号有极强的抗干扰能力[4?5]。

LVDS技术的特点可归结为：低电压，低辐射，低功耗，适用于有一定距离的设备间的高速数据传输；抗干扰能力强，能用于恶劣环境下。由于LVDS技术的诸多优点，它已被广泛应用于各种工业场合，是一种较成熟的技术[6]。

2 四同轴技术

四同轴（Quadrax）技术主要用于航空连接器领域，典型的应用案例有美国的F?35战斗机和欧洲空中客车公司的A?380民航客机。F?35使用四同轴接触件配合MIL?C?38999?Ⅲ系列圆形连接器为全权数字引擎控制（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）系统传输信号，信号类型和传输速率不详[7]；A?380使用四同轴接触件在100 m的距离范围内传输百兆以太网信号，所使用的电缆为四同轴电缆，如图2所示。

目前四同轴接触件及支持它的38999连接器的主要生产商有美国的安费诺（Amphenol）和法国的苏里奥（Souriau）。虽然四同轴技术并不是为传输LVDS信号而开发，但由于其接插件和电缆都是平衡对称的，更重要的是其差分特性阻抗正好为100 Ω，符合LVDS信号传输的要求，故应用四同轴技术传输LVDS高速信号在理论上是可行的。

3 实验结果

为了验证理论上的分析，设计了一个实验板来测试利用四同轴接触件和四同轴电缆传输LVDS信号的性能。如图3所示，利用串行误码率测试仪、实验板、四同轴PCB板接触件和四同轴电缆构成数据环路，通过对收发数据误码率的测试和示波器的眼图测试可以分析LVDS信号传输的质量。

图4为采用1 m长的四同轴电缆、传输信号速率为740 Mb/s时测得的眼图，从图中可以看出，信号质量很好，眼高和眼宽都很理想。

此外，还进行了在不同传输长度的情况下极限传输速率的测试（极限传输速率定义为连续传输1×1012个比特无误码的最高速率），测试结果见表1。表中提到的预加重是一种为了补偿在长距离传输过程中高频分量衰减而在发送端人为增加信号高频分量的技术，可以明显提高传输性能。

表1 极限传输速率测试结果 Gb/s

从表1中可以看出，利用四同轴技术传输LVDS信号的性能非常理想，即使在电缆长度达到5 m，无任何改善信号质量措施的情况下仍然能轻松传输超过1 Gb/s的信号。另外，采用预加重技术可以在数据传输速率不变的情况下，大大增加传输的距离。

4 结 语

通过理论分析和实验结果可以看出，利用四同轴技术传输高速LVDS信号是可行的，此项技术有较大的潜力应用于军用机载电子设备间的高速数据传输。值得注意的是此项技术若要应用于工程中仍有一些因素需考虑，如四同轴电缆传输LVDS信号时抗电磁干扰的能力能否满足要求等，还需要进一步的研究。

参考文献

[1] 郭莎莎，胡旻.综合模块化航空电子系统结构的最新发展及挑战[J].航空电子技术，2013，44（2）：15?20.

[2] 张凤鸣，褚文奎，樊晓光，等.综合模块化航空电子体系结构研究[J].电光与控制，2009，16（9）：47?51.

[3] 蒋冬初，李玉山.LVDS在高速数字系统中的应用研究[J].现代电子技术，2009，32（7）：147?150.

[4] 柴海峰，朱卫良，章慧彬，等.LVDS（低压差分信号）测试技术研究[J].电子与封装，2011（11）：14?17.

[5] 钟贤林.LVDS的电磁兼容性分析[J].现代电子技术，2013，36（11）：127?130.

[6] 崔红利.几种视频芯片在机载计算机系统中的应用[J].世界电子元器件，2004（3）：50?52.

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

摘 要： 随着航空电子系统架构向综合化、模块化发展，对机舱内电子设备之间数据传输速率的要求也越来越高。这里介绍了LVDS（低电压差分信号）的工作原理及技术特点，提出采用LVDS技术解决机舱内电子设备之间高速数据传输问题的方案，测试结果显示传输距离超过5 m，表明这种方案是可行的。

关键词： 机载电子设备； 眼图； 四同轴技术； LVDS

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

在机载环境下，由于机舱内空间的限制或出于电磁兼容设计的考虑，许多电子设备都采用分体式设计，如某些任务电子系统把射频前端电路和后端信号处理电路分别置于不同的机箱中，机载计算机将显示器和控制面板安装在仪表舱，而主机安装在中后舱等。随着电子技术的发展，接收端模拟信号的数字化点不断前移，采样率越来越高；另外，机载电子设备综合化、集成化的趋势越来越明显[1?2]。所有这些因素都导致需要传输数字信号速率越来越高，达到几百Mb/s，甚至超过1 Gb/s。传统的机载总线技术如1553B已远远不能满足如此高速数字信号传输的要求，迫切需要更先进的技术解决方案。因此，利用铜介质材料和电信号传输高速数据的可行性研究就具有很重要的现实意义。

1 LVDS技术

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）技术标准最早由美国国家半导体公司（National Semiconductor）于1994年提出，2001年被批准为ANSI/TIA/EIA?644?A标准，其是一种低摆幅的差分电压串行传输信号技术[3]。

如图1所示，它的发送端依靠3.5 mA电流源驱动一对差分线（可以是印制电路板走线或电缆）完成一路数据传输，接收端必须在两根线间跨接一个100 Ω的端接电阻，接收器的直流输入阻抗极高，它根据端接电阻上电流的流向（即端接电阻两端的电压差）来判断逻辑电平为“0”或“1”。由于在任一时刻这两根靠近的线上的电流大小相等，方向相反，故它们产生的绝大部分电磁辐射能量互相抵消，这使得LVDS信号能够以极低的辐射水平传输极高速率的数字信号（标准规定的理论极限速率为1.9 Gb/s）。又因为它的接收器是根据端接电阻两端的电压差来判断逻辑电平，而外界的电磁干扰对这两根线的影响几乎一致，故LVDS信号有极强的抗干扰能力[4?5]。

LVDS技术的特点可归结为：低电压，低辐射，低功耗，适用于有一定距离的设备间的高速数据传输；抗干扰能力强，能用于恶劣环境下。由于LVDS技术的诸多优点，它已被广泛应用于各种工业场合，是一种较成熟的技术[6]。

2 四同轴技术

四同轴（Quadrax）技术主要用于航空连接器领域，典型的应用案例有美国的F?35战斗机和欧洲空中客车公司的A?380民航客机。F?35使用四同轴接触件配合MIL?C?38999?Ⅲ系列圆形连接器为全权数字引擎控制（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）系统传输信号，信号类型和传输速率不详[7]；A?380使用四同轴接触件在100 m的距离范围内传输百兆以太网信号，所使用的电缆为四同轴电缆，如图2所示。

目前四同轴接触件及支持它的38999连接器的主要生产商有美国的安费诺（Amphenol）和法国的苏里奥（Souriau）。虽然四同轴技术并不是为传输LVDS信号而开发，但由于其接插件和电缆都是平衡对称的，更重要的是其差分特性阻抗正好为100 Ω，符合LVDS信号传输的要求，故应用四同轴技术传输LVDS高速信号在理论上是可行的。

3 实验结果

为了验证理论上的分析，设计了一个实验板来测试利用四同轴接触件和四同轴电缆传输LVDS信号的性能。如图3所示，利用串行误码率测试仪、实验板、四同轴PCB板接触件和四同轴电缆构成数据环路，通过对收发数据误码率的测试和示波器的眼图测试可以分析LVDS信号传输的质量。

图4为采用1 m长的四同轴电缆、传输信号速率为740 Mb/s时测得的眼图，从图中可以看出，信号质量很好，眼高和眼宽都很理想。

此外，还进行了在不同传输长度的情况下极限传输速率的测试（极限传输速率定义为连续传输1×1012个比特无误码的最高速率），测试结果见表1。表中提到的预加重是一种为了补偿在长距离传输过程中高频分量衰减而在发送端人为增加信号高频分量的技术，可以明显提高传输性能。

表1 极限传输速率测试结果 Gb/s

从表1中可以看出，利用四同轴技术传输LVDS信号的性能非常理想，即使在电缆长度达到5 m，无任何改善信号质量措施的情况下仍然能轻松传输超过1 Gb/s的信号。另外，采用预加重技术可以在数据传输速率不变的情况下，大大增加传输的距离。

4 结 语

通过理论分析和实验结果可以看出，利用四同轴技术传输高速LVDS信号是可行的，此项技术有较大的潜力应用于军用机载电子设备间的高速数据传输。值得注意的是此项技术若要应用于工程中仍有一些因素需考虑，如四同轴电缆传输LVDS信号时抗电磁干扰的能力能否满足要求等，还需要进一步的研究。

参考文献

[1] 郭莎莎，胡旻.综合模块化航空电子系统结构的最新发展及挑战[J].航空电子技术，2013，44（2）：15?20.

[2] 张凤鸣，褚文奎，樊晓光，等.综合模块化航空电子体系结构研究[J].电光与控制，2009，16（9）：47?51.

[3] 蒋冬初，李玉山.LVDS在高速数字系统中的应用研究[J].现代电子技术，2009，32（7）：147?150.

[4] 柴海峰，朱卫良，章慧彬，等.LVDS（低压差分信号）测试技术研究[J].电子与封装，2011（11）：14?17.

[5] 钟贤林.LVDS的电磁兼容性分析[J].现代电子技术，2013，36（11）：127?130.

[6] 崔红利.几种视频芯片在机载计算机系统中的应用[J].世界电子元器件，2004（3）：50?52.

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