LVDS通信协议
一、简介
LVDS(Low-Voltag Differential Signal)意为低压差分信号,是美国国家半导体(National Semiconductor, NS,现TI)于1994年提出的一种信号传输模式的电平标准,它采用极低的电压摆幅高速差动传输数据,可以实现点对点或一点对多点的连接,具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等优点,已经被广泛应用于串行高速数据通讯场合当,如高速背板、电缆和板到板数据传输与时钟分配,以及单个PCB内的通信链路。
二、物理层
(1)LVDS输出接口电路类型
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单路6位LVDS输出接口
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双路6位LVDS输出接口
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单路8位LVDS输出接口
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双路8位LVDS输出接口
- 单路6位LVDS输出接口
这种接口电路中,采用单路方式传输,每个基色(即RGB三色中的其中任意一种颜色)信号采用6位数据(XOUT0+、XOUT0-、XOUT1+、XOUT1-、XOUT2+、XOUT2-),一共18位RGB(6bit*3RGB数据)数据,因此为18bit LVDS接口。
- 双路6位LVDS输出接口
这种接口电路中,采用双路方式传输,每个基色信号采用6位数据,其中奇路数据为18位,偶路数据为18位,共36位数据,因此为36bit LVDS接口。
- 单路8位LVDS输出接口
这种接口电路中,采用单路方式传输,每个基色信号采用8位数据(XOUT0+、XOUT0-、XOUT1+、XOUT1-、XOUT2+、XOUT2-、XOUT3+、XOUT3-),共24位RGB数据(8bit*3),因此为24bit LVDS接口。
- 双路8位LVDS输出接口
这种接口电路中,采用双路方式传输,每个基色信号采用8位数据,其中奇路数据为24位,偶路数据为24位,共48位数据,因此为48bit LVDS接口。
(2)硬件特性
LVDS电平标准采用一对(两根)差分信号线传输数据。
通过驱动3.5mA的稳点电流源,可在100ohm终端时,以350mV这样非常低振幅的差动信号来传送数据。其数据传输速度在规格最大为655Mbit/s。但这不是极限值。通过各半导体厂商独有的加工,可完成3Gbit/s左右的高速传输速率。
LVDS差分信号波形:
将两根差分信号:正电极信号(A+)和负电极信号(B-),以1.2V的共同电压(Voc)为中心,使2个信号间以350mV的电位差摆动,然后,用探针测定示波器的差动,会得到像Fig 2这样的信号波形。这就是两个信号的振幅差((A+)-(B-))。以差动探针测定,就能得到振幅差的计算结果。但这样的信号波形并不是物理存在的。
三、协议内容
(1)LVDS收发器
LVDS发送器和接收器的基本结构如图所示。它使用两根线(即差分信号线)来传输一个信号,并且使用恒流源(Current Source)驱动,即电流驱动型(而TTL、CMOS之类电平标准为电压驱动型)
其中,驱动器(Driver)中的场效应管(不一定是场效应管,因为LVDS及时规范主要侧重于LVDS接口的电气、互连与线路端,对于生产工艺、传输介质及供电电压无明确要求,也就是说,可以采用CMOS、GAA是或其他工艺实现)组成一个全桥开关电路,用来控制3.5mA恒流源的电流流动方向,接收器(Receiver)的相向与反相端之间并联了一个100ohm的端接电阻,这样电流经过店主即产生电压,在经过接收器判断就形成了高低电平。
发送高电平(High):
当Q2、Q3导通而Q1、Q4截止时,恒流源电流经Q3流向接收器,并向下穿过100ohm端接电阻在返回至驱动端,最后经Q2到地(GND),3.5mA的电流在100ohm电阻产生350mV的压降,此时同相端电压高于反相位端电压,输出高电平“H”,如图所示:
发送低电平时(Low):
当Q2、Q3截止,而Q1、Q4导通时,恒流源电流经Q1向右流向接收器,并向上穿过100ohm端接电阻再返回至驱动端,最后经Q4到地(GND),3.5mA的电流在100ohm电阻也产生350mV的压降,但此时同相端电压低于反相端电压,输出为低电平“L”,如图所示:
LVDS双向传输数据:
从LVDS结构原理可以看出,一对差分信号只能够进行一个方向的数据传输,即单工通信(也称为点对点传输,Point-to-Point),但是我们常见的USB接口也只是使用一对差分信号线。
那么我们要实现双向传输,就需要使用两对驱动器和接收器组合。结构图如下所示:
(2)LVDS优势
- 差分信号的优点
a. 因为你在控制「基准」电压,所以能够很容易地识别小信号。在一个参考地做「0 V」基准的单端信号传输系统里,测量信号的精确值依赖系统内「0 V」的一致性。信号源和信号接收器距离越远,他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与「地」的精确值无关,而在某一范围内便可。
b. 它对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值,这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外,差分信号比单端信号生成的EMI还要少。
c. 在一个单电源系统,能够从容精确地处理「双极信号」。为了处理单端,单电源系统的双极信号,我们必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号,低于虚地的电压来表示负极信号。接下来,必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号,不需要这样一个虚地,这就使我们处理和传播双极信号有一个高真度,而无须依赖虚地的稳定性。
- 低压的优势
随着集成电路的发展和对更高数据速率的要求,低压供电成为急需。降低供电电压不仅减少了高密度集成电路的功率消耗,而且减少了芯片内部的散热,有助于提高集成度。LVDS减少供电电压和逻辑电压摆幅,降低了功耗。
- 小结
a. 通信速度高达1 Gbps或以上
b. 电磁辐射更低
c. 抗扰度更高
d. 低功耗工作
e. 共模范围允许高达±1V的接地失调差额
四、编程实现
程序使用RGB程序
然后使用RGB转LVDS芯片将RGB数据转换为LVDS数据进行传输
参考博客:
LVDS协议解析(知乎)
LVDS芯片解析(CSDN)
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