LVDS – Low-Voltage Differential Signalling

在快速发展的汽车技术领域，高效可靠的数据传输至关重要。LVDS（低压差分信号）技术已成为汽车电子设备的关键解决方案，可实现高效的高速数据传输，具有低功耗和高抗干扰性。

LVDS 在面板显示器、后视摄像头和信息娱乐系统等应用中必不可少，可确保各种车辆组件之间通信的完整性和可靠性。本文探讨了 LVDS 的重要性和优势，强调了其在现代汽车系统创新和性能中的重要作用。通过探索 LVDS 及其相关标准的复杂性，我们发现了这些技术如何促进当今先进车辆的无缝运行。

LVDS 标准

LVDS 是一种高速数据传输技术，旨在以最小的功耗高效传输数据。它通过将数据作为两根电线（称为差分对）之间的电压差发送来运行。这种方法有助于最大限度地减少电气噪声和电磁干扰 (EMI)，这在车辆的电气噪声环境中至关重要。

由于 LVDS 将数据编码为两根电线之间的电压差，而不是依赖于绝对电压水平，因此可以降低电压摆幅，从而降低功耗并减少发热量。这些特性对于现代车辆至关重要，因为现代车辆越来越多地配备了要求高效利用能源的众多电子系统。

LVDS 的主要优势包括其高速数据传输能力，这对于需要快速数据传输的应用至关重要。这对于高分辨率显示器、高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和摄像头的实时视频源尤其重要。另一个重要特性是 LVDS 能够在长距离和复杂布线中保持信号完整性，这是汽车设计中组件空间分布的一个基本特性。

LVDS 采用串行器和解串器 (SerDes) 架构来管理数据传输。串行器将并行数据转换为高速串行格式进行传输，减少所需的电线数量，从而简化车辆布线架构并降低重量和成本。然后，解串器在接收端将串行数据转换回并行形式。

总之，LVDS 是汽车通信架构的关键协议，可提供高速、低功耗和抗干扰的数据传输。它能够在长距离和复杂的布线配置中保持信号质量，使其成为现代汽车电子发展的基础技术。

汽车应用 LVDS 标准概述

随着汽车行业不断要求更高的数据速率、更好的信号完整性和更高的系统效率，出现了几种高速数据通信标准。其中最值得注意的是 APIX、GMSL 或 FPD-Link。这些标准中的每一个都代表了汽车应用的重大进步，满足了现代车辆日益增长的复杂性和数据需求。

APIX（Automotive PIXel link）

APIX 是 Inova Semiconductors 为机动车中高分辨率、无压缩视频应用开发的多通道 SerDes 技术。APIX 组件通常用于信息娱乐系统、组合仪表和平视显示器。

APIX 于 2008 年推出，经过了重大改进。APIX2 于 2012 年推出，提供高达 3 Gbps 的速率，并与其前代产品向后兼容。APIX3 于 2020 年推出，引入了同轴电缆的使用，并使用屏蔽 STQ 电缆或两根独立的同轴电缆实现了高达 12 Gbps 的数据速率。这一代产品支持 8K 分辨率和 10 位 RGB 色深，并允许通过 VESA DisplayPort 接口传输视频，该标准以高数据速率和同时传输多个独立视频的能力而闻名。最新一代产品可以创建多个显示器连接，支持高清和超高清显示器。除了将 TFT 显示器与图形单元连接外，APIX 还可以将驾驶辅助系统的摄像头传感器连接到中央处理单元或直接连接到显示器。

APIX 使用不归零 (NRZ) 线路代码和电流模式逻辑 (CML) 进行差分传输，确保低排放和高辐射鲁棒性。 APIX3 具有全自动自校准和系统校准功能，每次重置后调整线路驱动器级和滤波器以补偿各种电缆类型和长度，提供具有广泛诊断和补偿选项的即插即用解决方案。

GMSL（Gigabit Multi_media Serial Link）

GMSL 是一种专为汽车应用开发的高速串行通信协议Maxim Integrated（Analog Devices 的子公司）开发了该协议。它旨在通过单根同轴电缆或双绞线传输高分辨率视频、音频和控制数据。

它从最初的版本 GMSL1 发展到 GMSL2 和 GMSL3。每次迭代都带来了数据速率、功率效率和整体性能的改进。GMSL1 支持每通道高达 2.5 Gbps 的数据速率，GMSL2 将其提高到 3 Gbps，而 GMSL3 将其进一步提高到 6 Gbps。此外，GMSL 还采用了纠错、信道均衡和扩频技术来增强信号完整性并减少电磁干扰。尽管取得了这些进步，但成本、复杂性、EMI 敏感性、带宽限制、兼容性问题和功耗问题等挑战仍需要仔细设计和考虑替代或补充技术。

FPD_Link（Flat Panel Display link）

FPD-Link 由美国国家半导体公司（现隶属于德州仪器）于 1996 年设计，旨在满足汽车应用中日益增长的高速数据传输需求，尤其是用于连接摄像头和显示器。

FPD-Link II 于 2006 年推出，专为汽车信息娱乐和摄像头接口应用而设计，将时钟嵌入数据信号中，同时仅使用一个差分对传输时钟和视频数据。

FPD-Link III 继承了 FPD-Link II 标准，提高了数据速率和稳定性。它的推出是为了满足对高清视频和高级驾驶辅助系统日益增长的需求。它支持每通道高达 3 Gbps 的数据速率，并在单对双绞线上使用差分信号，允许多达四条通道实现更高的数据吞吐量。该协议还具有高级纠错和低延迟功能，这对于实时应用至关重要。但是，随着分辨率和数据密集型应用（如 4K 视频或多摄像头系统）的不断发展，FPD-Link III 可能会面临限制。此外，与一些较新的技术相比，其功耗可能更高，这对节能汽车设计构成了挑战。

FPD-Link IV 代表 FPD-Link 系列的最新一代产品，进一步增强了数据传输能力和系统性能。它旨在处理更复杂和高带宽的应用，包括 4K 视频和多摄像头系统。FPD-Link IV 提供显著更高的数据速率和改进的功能，以满足现代汽车和显示系统的需求。它支持每通道高达 6 Gbps 的数据速率，允许更高分辨率和更多数据密集型应用。它利用多通道操作、改进的纠错和增强的信号完整性措施等先进技术来支持最新的汽车技术。

汽车 SerDes 联盟 (ASA：Automotive SerDes Alliance)

汽车 SerDes 联盟 (ASA) 是一个行业联盟，致力于为汽车行业开发和推广标准化串行器/解串器 (SerDes) 接口。该联盟的成立是为了应对现代汽车日益增长的复杂性和数据带宽需求，旨在创建一个生态系统，让来自不同制造商的汽车零部件能够通过高速、可靠和标准化的数据链路无缝通信。

ASA 包括主要的汽车制造商、半导体公司和技术供应商。通过汇集这些行业领导者，ASA 在塑造汽车数据通信的未来方面发挥着关键作用。

该组织有以下目标：

标准化：ASA 的主要目标之一是为汽车应用建立标准化的 SerDes 接口。

促进互操作性：通过培育协作环境，ASA 旨在确保不同的 SerDes 实现能够无缝协作，这在多个供应商为单辆车提供零部件的行业中至关重要。

指南和最佳实践：ASA 为在汽车应用中实施 SerDes 技术提供了指南和最佳实践，其中包括对汽车设计中以下关键因素的考虑：信号完整性、EMC、功耗和安全性。

测试和认证：为了保证产品符合 ASA 制定的标准，该联盟还可能制定测试和认证计划，以确保所有符合 ASA 标准的组件都是可靠、坚固且适合汽车使用的。

ASA 代表了汽车行业向高速标准化数据通信迈进的根本性发展。通过推动采用标准化 SerDes 接口，ASA 正在帮助确保下一代车辆更安全、更可靠，并能够支持决定交通运输未来的先进技术。

LVDS 通信中的技术挑战

尽管 LVDS 具有众多优势，但在汽车系统中实施 LVDS 仍存在一些技术挑战，必须解决这些挑战才能确保可靠的性能和数据完整性。

电磁干扰 (EMI)

LVDS 本质上是为最大限度地减少 EMI 而设计的，因为它具有差分信号特性。但是，它仍然容易受到 EMI 的影响，尤其是在电气噪声水平较高的环境中，例如汽车应用中的环境。EMI 会降低信号质量，导致数据错误和系统性能下降。为了缓解这种情况，必须进行仔细的设计考虑，例如适当的屏蔽、接地技术和布局优化，以最大限度地减少噪声耦合并确保信号完整性。

信号完整性

LVDS 的优势之一是它能够在长距离和复杂布线中保持信号质量。然而，要实现这一点，需要一丝不苟地关注信号完整性。必须仔细管理阻抗匹配、走线长度和 PCB 上的信号时序等因素，以防止信号衰减。阻抗不匹配会引起反射，而走线长度的变化会引起时序偏差，这两者都会影响数据传输。

与汽车系统的集成

将 LVDS 集成到汽车系统中不仅仅涉及组件的物理连接。它需要一种整体的系统设计方法，确保 LVDS 与其他电子子系统无缝对接。这包括串行器和解串器的集成，它们将并行数据转换为高速串行格式进行传输，反之亦然。在具有多个解串器的复杂系统中，管理多个串行器并协调它们的操作会增加系统的复杂性。

与新兴技术的兼容性

随着汽车技术的不断发展，LVDS 必须不断发展以保持与新兴技术和标准的兼容性。这包括支持高级驾驶辅助系统 (ADAS)、高分辨率显示器和来自多个摄像头的实时视频源的更高数据速率。确保向后兼容性并适应未来的进步可能具有挑战性，需要不断创新和调整 LVDS 技术。

随着汽车技术的发展，LVDS 协议越来越多地用于高速数据通信。随着对快速信息传输的需求不断增长，尤其是对于信息娱乐系统，LVDS 技术的进一步发展变得至关重要。更高分辨率显示器（例如 4K 甚至 8K 屏幕）以及更复杂的 ADAS 的趋势要求 LVDS 支持越来越高。