LVDS、MIPI-DSI、Ethernet、USB、PCIe、SATA、HDMI、I2C、SPI、SFP 用了什么类型的信号？

原创已于 2024-11-05 13:21:17 修改 · 2.1k 阅读

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#嵌入式硬件 #linux #系统架构 #人工智能 #网络

于 2024-11-05 13:16:06 首次发布

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深入剖析：LVDS、MIPI-DSI、Ethernet 等常见接口的用途、性能与信号类型解析

引言

在现代电子设备和嵌入式系统中，接口是设备与设备之间进行数据传输的桥梁。无论是高速的数据传输接口如 PCIe、USB、SATA，还是用于显示的 LVDS 和 MIPI-DSI，每种接口都具备特定的信号传输类型和设计特点，适用于不同的应用场景。本文将详细探讨 LVDS、MIPI-DSI、Ethernet（以太网）、USB、PCIe、SATA、HDMI、I2C、SPI、SFP 等常见接口的原理、信号类型、关键应用场景及性能表现，帮助读者深入理解每种接口的独特之处及其用途。

1. 什么是接口及其重要性

接口在电子系统中充当数据传输和通信的桥梁，使得不同模块、设备能够相互通信、协同工作。接口的设计和选择直接影响系统的稳定性、传输速度、功耗及抗干扰性能。选择适合的接口可以优化系统性能，同时满足设备的实际需求。

2. 常见接口信号类型及其原理

在探讨各类接口之前，了解基本的信号传输类型非常重要。以下是几种常见的信号类型：

单端信号：单根信号线和接地线传输数据，简单且成本低，但抗干扰能力较弱。常用于低速、短距离应用，如 I2C 和 SPI。
差分信号：使用一对相反极性的信号线，接收端检测电压差来解码数据，抗干扰能力强，适合高速传输。用于 LVDS、MIPI-DSI、Ethernet、USB、PCIe 等。
光纤传输：利用光脉冲在光纤中传输数据，具备超长距离和高带宽，抗电磁干扰。用于 SFP 等。
TMDS 单端差分：用于 HDMI，TMDS 编码可以优化带宽和抗干扰能力，适合高清音视频传输。

在这里插入图片描述

在各种接口中，信号传输类型是设计中的核心要素，它直接影响接口的性能、抗干扰能力和应用场景。以下是几种常见信号类型及其原理：

1. 单端信号

定义：单端信号仅使用一根信号线和一根接地线。信号通过电压变化来表示“0”和“1”。
特点：结构简单，适用于低速短距离传输，但抗干扰能力较弱。
应用：I2C、UART、SPI 等低速、近距离通信接口。

图示：

   信号电压
      │
      │ ──────── 1
      │          │
      │          │
      │ ──────── 0

2. 差分信号

定义：差分信号使用两条相反极性的信号线。接收端根据两条线的电压差进行数据恢复。
特点：抗干扰能力强，适合高速传输，尤其适用于长距离或噪声环境。
应用：USB、Ethernet、PCIe、LVDS、MIPI-DSI、SATA 等高速数据接口。

图示：

   信号电压
      │
  +V  │ ────  ────  1  ──── ────  0  ────
      │          │         │
 -V   │  ──── ─── 0  ────  1  ──── ────

在这里插入图片描述

3. TMDS 单端差分信号

定义：TMDS（最小化转换差分信号）是 HDMI 等接口中采用的信号类型，通过单端差分传输多路信号并优化带宽利用率。
特点：优化了带宽使用，适合高清视频传输。
应用：HDMI、DVI、部分 DisplayPort 接口。

图示：

   信号电压
      │
  +V   │  1 ──  1  0  ──  0  ──  1
      │       │
 -V    │  0 ──  0  1 ──  1  ──  0

4. 光纤传输

定义：光纤传输通过光脉冲传输数据，不使用电信号，因此不受电磁干扰。
特点：适合长距离和超高带宽的传输，常用于数据中心和网络通信。
应用：SFP、TOSLINK、Fibre Channel 等光纤接口。

图示：

    光信号强度
       │
      ─│─ 光强 ────  光弱 ── 光强
       │

5. PAM（脉冲幅度调制）

定义：PAM 使用多种电压电平来表示多个比特的数据，提高了数据密度。
特点：高带宽利用率，适合超高速传输，常用于以太网等网络接口。
应用：100GbE、200GbE、400GbE 以太网接口。

图示（以 PAM-4 为例，表示 4 个电平）：

   信号电压
      │
      │
   3  │ ────────
      │
   2  │ ────────
      │
   1  │ ────────
      │
   0  │ ────────

各信号类型的总结

信号类型	定义	特点	典型应用
单端信号	单根信号线和接地线传输数据	结构简单，抗干扰弱	I2C、UART、SPI
差分信号	双线相反极性传输	抗干扰强，高速长距离传输	USB、Ethernet、PCIe、SATA
TMDS 单端差分	HDMI 专用的优化单端差分传输	优化带宽使用，适合视频传输	HDMI、DVI
光纤传输	光脉冲传输，无电磁干扰	高带宽、长距离传输	SFP、TOSLINK
PAM	使用多电平编码	提高数据密度，适合超高速传输	100GbE、200GbE 以太网

这些信号类型及其原理决定了它们的应用场景和接口特性，通过图示和表格，可以更直观地理解不同信号类型的特点和适用性。

3. 各类接口详解

1. LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）

用途：多用于笔记本电脑、工业显示屏的内部显示接口。
信号类型：差分信号。
特点：低功耗，抗干扰，适合短距离高速传输。
性能：支持高分辨率显示，但仅限短距离传输。

2. MIPI-DSI（Display Serial Interface）

用途：广泛用于手机、平板、智能手表等移动设备的显示屏接口。
信号类型：差分信号。
特点：低功耗、紧凑、适合嵌入式显示。
性能：支持高清显示，具备较高带宽，适合移动设备。

3. Ethernet（以太网）

用途：局域网连接，广泛用于计算机、工业设备和家庭网络。
信号类型：差分信号。
特点：高抗干扰能力，支持长距离传输。
性能：100Mbps至10Gbps速率，支持数据包传输，稳定性强。

4. USB（Universal Serial Bus）

用途：广泛用于数据传输和供电，如鼠标、键盘、U盘等。
信号类型：差分信号。
特点：即插即用，支持高速传输和供电。
性能：支持从低速到 10Gbps 的高速传输，具备较强兼容性。

5. PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）

用途：主板和扩展卡的高速数据传输，如显卡、SSD。
信号类型：差分信号。
特点：高带宽、低延迟，适合高速数据传输。
性能：从 PCIe 1.0 的 2.5Gbps 到 PCIe 5.0 的 32Gbps，带宽随代次递增。

6. SATA（Serial ATA）

用途：硬盘和主板的连接，如 SSD、HDD。
信号类型：差分信号。
特点：支持热插拔，具备高带宽，适合数据存储。
性能：SATA III 最高 6Gbps，主要用于存储设备。

7. HDMI（High-Definition Multimedia Interface）

用途：音视频同步传输，广泛用于电视、显示器、投影仪。
信号类型：TMDS 单端差分。
特点：支持音视频同步，适合高清传输。
性能：支持 4K、8K 高清分辨率及多声道音频。

8. I2C（Inter-Integrated Circuit）

用途：芯片间低速通信，如传感器、芯片配置。
信号类型：单端信号。
特点：双线通信（数据线+时钟线），适合低速应用。
性能：最大 3.4Mbps，通常用于近距离、低速通信。

9. SPI（Serial Peripheral Interface）

用途：微控制器与外围设备通信，如传感器、SD 卡。
信号类型：单端信号。
特点：全双工，高速通信，适合短距离设备互联。
性能：高达 60Mbps，常用于高速低功耗设备。

10. SFP（Small Form-factor Pluggable）

用途：光纤通信模块，用于数据中心、光纤网络。
信号类型：光纤传输。
特点：支持长距离、高带宽传输，抗电磁干扰。
性能：支持 1Gbps 到 100Gbps 的超高速数据传输。

4. 各接口的图形表及性能对比

接口类型	信号类型	应用场景	带宽/速率	传输距离	特点
LVDS	差分信号	内部显示屏连接	高达 2Gbps	短距离（<1米）	低功耗，抗干扰
MIPI-DSI	差分信号	移动设备显示屏	高达 4Gbps	短距离（<1米）	高带宽，低功耗
Ethernet	差分信号	局域网连接	100Mbps-10Gbps	长距离（100米以上）	高抗干扰能力
USB	差分信号	通用数据传输与供电	480Mbps-10Gbps	短距离（<5米）	即插即用，高兼容性
PCIe	差分信号	主板与扩展卡连接	2.5Gbps-32Gbps	短距离（<1米）	高带宽，低延迟
SATA	差分信号	硬盘数据传输	高达 6Gbps	短距离（<1米）	支持热插拔，适合数据存储
HDMI	TMDS 单端差分	音视频同步传输	4.95-48Gbps	中距离（<15米）	高清音视频同步传输
I2C	单端信号	芯片间低速通信	高达 3.4Mbps	短距离（<1米）	低速，简单成本低
SPI	单端信号	微控制器与外设通信	高达 60Mbps	短距离（<1米）	高速，全双工