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LVDS技术在高速遥感数据接收系统中的应用

来源：意榕旅游网

　电讯技术2005年第1期

文章编号:1001-893X(2005)01-0170-04

研究与开发

RESEARCH&DEVELOPMENTLVDS技术在高速遥感数据接收系统中的应用

王艳龙,陈金树

(清华大学电子工程系,北京100084)

摘　要:分析了高速遥感数据接收系统子系统之间的互连需求与发展趋势,指出了传统的ECL互连方案的不足,提出了基于低压差分信号(LVDS)技术的互连方案,并搭建实验系统验证了方案的可行性。新方案显著地降低了子系统间互连的复杂度。

关键词:遥感卫星;高速数据接收系统;低电压差分信号(LVDS);串行化与解串化(SERDES)中图分类号:TN919;TP702　　文献标识码:A

ApplicationofLVDSinDataReceivingStation

forHigh-speedRemoteSensingSatellites

WANGYan-long,CHENJin-shu

(DepartmentofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Therequirementandtrendofinterconnectionsamongmanysubsystemsindatareceivingstationforhigh-speedremotesensingsatellitesarediscussed.ThetraditionalinterconnectionschemewithECLcannotmeettheneedofnewtrend.AnewinterconnectionschemewithLVDSispresented,whichcanre2markablyreducethecomplexityofsubsystemsinterconnections.Ademosystemisdeveloped,whichveri2fiesthefeasibilityandtheperformanceofthenewscheme.

Keywords:Remotesensingsatellites;High-speeddatareceivingstation;LVDS;SERDES

一、引　言

遥感数据接收系统庞大而复杂。一个典型的高速遥感数据接收系统由射频单元、基带单元、数据记

录单元、基带开关等众多子系统组成。为了实现高速化小型化通用化的接收系统,除了精心设计每个子系统外,子系统间的互连也非常重要。传统的同轴电缆加ECL电平的方案,由于电源、功耗和体积等方面的原因,已经不能满足要求。低电压差分信号(LVDS)技术具有高速、低功耗、低辐射等特点,而且实现方式灵活,是子系统互连的理想选择。本文分析了子系统间的互连需求,提出了基于LVDS

技术的互连方案。经实际验证,该方案具有很好的效果。

二、子系统之间的互连需求

现代遥感卫星的空间分辨率越来越高,传感器也从光学到微波,种类越来越多,光谱分辨率日趋精细,这使得遥感卫星的码率迅速增长。相应地,对遥感卫星数据接收系统也提出了更高的要求。随着电子技术的发展,现代遥感卫星数据接收系统,除了满足不断增长的码率要求外,小型化与通用化已经成为重要的发展趋势。小型化与通用化一方面可以降低成本,减少维护工作量,增加可靠性,

收稿日期:2004-04-20

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提高设备利用率;另一方面,使实现较强机动性的接收系统更加容易,这在军事应用中和某些特定场合具有特殊的意义。

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RESEARCH&DEVELOPMENT立的空间,这使得它到基带单元有一定的距离,两者之间的信号大概需要传送10m的距离。除射频单元外,其他子系统的位置比较接近,之间的信号的传送距离在2m以内。

确定子系统间的连接方式时,有以下考虑:

(1)必须满足性能要求。能够可靠地按照要求的速率将信号传送足够长的距离;

(2)尽量使方案简化。精简所用的电缆与接插件,使系统紧凑化、小型化;

(3)尽量使连接方便。方便的连接利于插拔,利于检查,减少了人为错误,提高了系统的可靠性;

(4)适当的扩展性。能够适应系统功能在一定范围内的变化,例如不同的码率、更多的附加信息等。

图1　一个典型的高速遥感数据接收系统

　　一个的典型的高速遥感数据接收系统由众多的子系统组成,如图1所示。遥感卫星下行的射频信号,经射频单元变频解调后,成为基带数字信号。此时的基带数字信号,是一串无格式的比特流。无格式的比特流进入基带单元,经过帧同步、检错纠错、解密、解压缩等处理环节后,成为有意义的数据。有意义的数据被送往数据记录器记录存档,同时送往快视设备成像显示。其他进一步的处理可以在已经记录存档的数据上展开。出于保密的考虑,基带处理中的解压缩的操作由专用的解压缩单元完成。出于测试和自检的目的,系统配备了基带信号模拟源和射频调制器。有时需要重现以前的数据接收过程,所以配备数据回放器。多个设备之间的交叉连接通过基带开关切换,避免改动物理连接。为了提高可靠性,系统中的一些关键单元提供了冗余热备份功能。

子系统之间的连接,按传送的内容可以分为“无格式的比特流”和“有意义的数据”两类,以基带单元为分界。对于无格式的比特流,只需要传送数

据信号(Data)与相应的时钟信号(Clk)。对于有意义的数据,除了数据信号(Data)和相应的时钟信号外(Clk),还必须传送额外的信息,例如帧同步信号(Sync)、数据有效信号(Valid)等。

三、LVDS技术与ECL技术的对比

传统上,高速遥感数据接收系统中子系统互连

采用ECL电平。ECL电平虽然在速度方面性能很好,但是几百兆的高速ECL信号需要在同轴电缆中传输,同轴缆的体积是不易缩小的。而且ECL信号是差分信号,每个高速信号需要用两根电缆。当需要传送的信号较多时,电缆和接插件的数量将达到惊人的程度,不仅占用了大量的电路版面积、机箱面板面积和机柜体积,而且不便于连接,每次更改连接都很容易引入人为错误,当发现有错时不便于检查,降低了系统的可靠性。例如,图1所示的系统如果采用ECL技术进行互连,总共需要100根同轴电缆,这极大地增加了系统的体积,降低了可靠性。另外,ECL电平需要采用负电源供电,与常用的大多数芯片供电不兼容,不利于提高系统的集成度。ECL功耗大,有散热的问题。

LVDS是一种低电压摆幅的差分信号技术,它采用低电压摆幅的方式,不仅可以提高信号频率、降低信号间的串扰,而且可以降低功耗。它采用差分传输模式,可以有效地抑制共模噪声。LVDS接口标准没有指定传输媒介的特性,可以根据应用的需要灵活选用,例如同轴电缆、双绞线、排线等。有实验数据表明,可以在一根CAT-5E无屏蔽双绞线上可靠传输上720Mbps的LVDS信号达18m远。SCSI系列的最新标准Ultra320利用LVDS技术已经在无屏蔽双绞排线上实现了320Mbyte/s(2.56Gbps)的数据传输。无屏蔽双绞线与排线跟

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子系统之间的连接,按传送的速率可以分为“400Mbps”和“800Mbps”,以解密解压器的处理为界,因为数据经过解压缩操作,码率翻倍。

子系统之间的连接,按传送的距离可以分为“10米以内”和“2米以内”两类。射频单元由于功耗、体积、辐射等原因,通常在接收系统中占据较独

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同轴电缆相比,体积大为缩小,而且接插方便。另外,目前已经有很多FPGA芯片集成了LVDS接口,这对提高系统集成度很有好处。

LVDS技术可以在较为轻便的介质上实现高速率的数据可靠传输,同时,它具有功耗低、串扰小、实现灵活、集成度高的特点,在高速遥感数据接收系统中是传统ECL技术的理想替代者。

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RESEARCH&DEVELOPMENT400Mbps。即使采用SERDES方式,要求的码率也

不过500Mbps,普通CAT-5E双绞线就可以胜任。而“SERDES串行”方式比“直接串行”方式需要的电缆更少,所以优先采用“SERDES串行”方式。

出于简化基带开关结构和提高基带模拟源和射频单元在测试时的等价性的目的,射频单元、基带模拟源、基带单元、数据回放器、射频调制器等设备之间的连接选用同样的方式,即“SERDES串行”方式,系统的其他部分选用“直接并行”方式。

我们发现,在这样的互连方案下,“SERDES串行”方式传送的都是无格式的码流,而“直接并行”方式传送的都是有格式的数据,这使得整个互连方案更加简洁统一。

下面,我们结合例子详细说明上面的方案中确定的2种传输模式。1.“SERDES串行”方式

四、基于LVDS技术的子系统互连方案

使用LVDS技术进行高速互连,基本上有3种

方式:

(1)“直接串行”。时钟和数据独立传送,每个高速信号都用一根高质量的电缆传送。这种方式实现起来简单直接。但随着时钟频率的提高,时钟和数据之间的配合要求越来约严格,允许的抖动范围越来越小。当时钟频率很高时,要做到时钟与数据的精确匹配是困难的。(2)“SERDES串行”(Serializer/Deserializer,串行/解串)。在一根高质量电缆上实现内嵌时钟的高速数据传输。这种方式下,接收端能从数据信号中恢复出时钟信号,所以传输中节省了一个时钟信号线,而且避开了时钟与数据精确配合的困难。但是,为了帮助接收端正确可靠地恢复时钟,发送端必须在数据流中插入额外的比特,提出了更高的码率要求。

(3)“直接并行”。将高速信号并行化,用较低的时钟传输,但需要更多的信号线。当考虑使用排线时,信号线的数目将不是问题。但普通的轻便排线不能长距离传输。

子系统互连的速率要求,最高为800Mbps。“直接串行”传输方式要求处理800MHz的时钟与相应数据的匹配问题,这是困难的。“SERDES串行”传输方式要求在一根电缆上传送比800Mbps更高速率的信号,这也不容易。如果采用16位的并行数据宽度,所需时钟仅为50MHz。而在这个频率下,信号的传送完全可以用轻便的无屏蔽扁平双绞排线完成。使用排线可以极大缩小电缆规模,同时接插方便,提高了连接的可靠性。另外,较低的频率使整个系统实现起来更为容易。所以,在系统中要尽量多的采用“直接并行”的传输模式。但排线不适合长距离传输。系统中只有射频单元与基带单元的连接需要10m的长距离传输,但它要求的码率只有172

以射频单元到基带单元的连接为例。

图2　“SERDES串行”方式传输400Mbps的无格式的码流　　如图2,射频单元利用专用的SER芯片将10位

并行TTL数据串行化为一路高速的LVDS信号。高速LVDS信号在超5类双绞线(CAT5e)上传输5m。基带单元利用专用的DER芯片从这一路高速串行LVDS信号中恢复出10路TTL电平的并行数据。

这个方案的特点是内嵌时钟,双绞线上传输的只有数据信号,没有时钟信号。SER芯片串行化10位数据的同时,插入了2bit作为起始位和停止位,以帮助DES芯片从中恢复时钟信号。星地链路为400Mbps时,SER前的TTL信号相应的时钟为为40MHz,在双绞线上传输的串行信号为480Mbps,DES后的TTL信号相应的时钟为40MHz。

SER芯片和DES芯片采用国家半导体公司(NationalSemiconductor)的DS92LV1023和DS92LV1024,它们采用3.3V供电,最高工作速度最高达66MHz,相当于660Mbps的数据通过速率。

质量可靠的CAT-5E双绞线可以很容易买到。

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如有必要,不必更改设计,只需换用更高等级的双绞线(CAT6)就可以达到更好的传输效果。

2.“直接并行”方式

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RESEARCH&DEVELOPMENT以基带单元到记录单元的连接为例。

图4　LVDS互连方案的实验系统

　　实验显示,当模拟源的数据率为400Mbps时,系统工作稳定可靠,没有误码。实际上,我们把模拟

图3　“直接并行”方式传输800Mbps的有格式的数据

源的码率提升到500Mbps时,也未见误码。实验结果证明了方案的可行性与优越性,为在高速遥感卫星数据接收系统中广泛应用LVDS技术提供了依据。

参　考　文　献

[1]　魏智.LVDS串行-解串器在双绞线电缆数据传输中

　　如图3,基带单元将数据(Data)并行化为16位,加上时钟信号(Clk)、帧同步信号(Sync)、数据有效信号(Valid)等3比特附加信息,一共19个LVDS信号,38根线,直接通过68针宽的无屏蔽扁

平双绞排线传送2m,记录单元根据时钟信号直接读取数据。

这个方案的特点是直接传输,可以充分利用FPGA芯片集成的LVDS接口。解压后的码率为800Mbps时,排线上所传送的数字信号对应的时钟

的性能分析[J].国外电子元器件,2003,(10):73～

75.

[2]　郭兴波,杨知行,潘长勇.一种高达340Mbps的多速率

QPSK解调器[J].电讯技术,2004,44(4):39～41.[3]　LVDSOwer’sManual(2ndEdition)[Z].Nationalsemi2

conductor,2000.

为50MHz。

68针宽度的排线是SCSI规范的标准规格,可

以很容易买到高质量的线缆和插头。目前68针的排线只传送19个LVDS信号,尚有较大余量,可以允许更高的码率和更多的附加信息。

图1所示的系统,如果采用上面提出的利用LVDS技术进行互连的方案,仅需要7根CAT-5E

作者简介:

王艳龙(1978-),男,山西太原人,硕士研究生,研究方向为信号与信息处理、高速数字系统、嵌入式系统;

无屏蔽双绞线和9根无屏蔽扁平双绞排线。这个方案跟原先的需要100根同轴电缆的ECL互连方案相比,显著地降低了子系统间互连的复杂度。

五、实验与结论

我们搭建了实验系统(如图4所示),进行实际性能测试。基带信号模拟源生成400Mbps的数据,经过基带单元和解压缩单元的处理成为800Mbps的数据,由记录单元存储在磁盘上。将记录下来的数据与标准数据比对,分析误码。

陈金树(1968-),男,副教授,清华大学宇航技术研究中心地面系统技术研究室主任,研究方向为卫星地面系统技术、帧同步格式化与实时记录技术。

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