【導(dǎo)讀】本文討論EIA/TIA-644低壓差分信號(hào)(LVDS)標(biāo)準(zhǔn)在3G移動(dòng)通信設(shè)備中的應(yīng)用，LVDS具有低功耗、低輻射等優(yōu)勢(shì)，可理想用于WCDMA、EDGE和cdma2000®基站中的高速時(shí)鐘、數(shù)據(jù)傳輸。重點(diǎn)介紹了MAX9205串行器、MAX9206解串器、MAX9150多端口中繼器以及MAX9152交叉點(diǎn)開關(guān)。
引言
3G移動(dòng)通信，如：WCDMA、EDGE和cdma2000，可通過(guò)手機(jī)和其它無(wú)線通信設(shè)備高速訪問(wèn)豐富多彩的互聯(lián)網(wǎng)世界。為了滿足這類最新應(yīng)用對(duì)帶寬的要求，基站需要處理和發(fā)送以指數(shù)倍增長(zhǎng)的巨量數(shù)據(jù)。
基站內(nèi)部，數(shù)據(jù)在背板、電纜和電路板上高速傳送。低壓差分信號(hào)(LVDS)將成為傳輸這些數(shù)據(jù)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，能夠最大程度地降低空間、噪聲和功耗。
本應(yīng)用筆記討論了LVDS串行器、解串器、多端口中繼器、交叉點(diǎn)開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)、時(shí)鐘分配中的應(yīng)用。重點(diǎn)討論與3G基站設(shè)計(jì)相關(guān)的LVDS電路、架構(gòu)和規(guī)格。
基站應(yīng)用中的LVDS基礎(chǔ)知識(shí)
LVDS是物理層數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，由TIA/EIA-644和IEEE® 1596.3標(biāo)準(zhǔn)定義，主要為在平衡阻抗可控的100Ω介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)高速、低功耗、低噪聲點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)。與其它差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)類似，LVDS由于消除了磁場(chǎng)，因而比單端信號(hào)輻射的噪聲要低得多。同時(shí)外來(lái)噪聲作為共模信號(hào)耦合到兩根線上(即兩根線上的噪聲電平相同)，因此它的抗噪聲能力比單端信號(hào)要強(qiáng)得多。另外，LVDS驅(qū)動(dòng)器的輸出采用電流驅(qū)動(dòng)方式(圖1)，與其它差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中的電壓驅(qū)動(dòng)相比，可減少地線回流，消除了穿通電流。降低電壓擺幅(只有±350mV，而正射極耦合邏輯(PECL)為±800mV，RS-422為±2V)使LVDS能夠達(dá)到與PECL (> 800Mbps)等同的數(shù)據(jù)速率，而功耗只有PECL的十分之一。LVDS的高速、低功耗和低噪聲特性使其成為3G基站信號(hào)傳送的理想標(biāo)準(zhǔn)。
圖1. LVDS驅(qū)動(dòng)器采用電流輸出驅(qū)動(dòng)，與其它差分信號(hào)所采用的電壓模式驅(qū)動(dòng)相比可以減小地線回流的影響，同時(shí)也消除了穿通電流。
除上述優(yōu)點(diǎn)外，LVDS串行器和解串器還可顯著降低基站設(shè)計(jì)的空間和成本。為滿足3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求，新基站與2G系統(tǒng)相比需要大量的板卡，特別是基帶處理板，它擔(dān)負(fù)著繁重的數(shù)字信號(hào)處理工作，諸如擴(kuò)頻、交織和誤碼控制等。隨著這些板卡之間數(shù)據(jù)吞吐量的增加，傳統(tǒng)TTL背板不再勝任，因?yàn)槭紫萒TL邏輯不適合較高的工作速度，其次，寬并行總線需要大且昂貴的背板，這增加了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和成本。MAX9205串行器和MAX9206解串器通過(guò)把11條TTL線(10個(gè)數(shù)據(jù)和1個(gè)時(shí)鐘)轉(zhuǎn)換為一對(duì)高速LVDS線(圖2)，有效解決了上述問(wèn)題。采用這種方案可以把互連密度降低5倍。在3G系統(tǒng)等具有大量板卡的基站中，這兩款器件能節(jié)省大量的空間和成本。
圖2. LVDS串行器配合解串器(未顯示)可有效節(jié)省寬數(shù)據(jù)線以及相關(guān)的價(jià)格昂貴的、標(biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào)所需要的背板。另外，LVDS電路還可滿足3G網(wǎng)絡(luò)所要求的速度。
MAX9205串行器把10位的并行LVTTL/LVCMOS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS串行數(shù)據(jù)流。10位并行輸入數(shù)據(jù)由一個(gè)高電平起始位和一個(gè)低電平停止位打包成幀，并且確保在串行數(shù)據(jù)流中有正確的跳變沿。因此每10位并行輸入數(shù)據(jù)將發(fā)送12個(gè)串行位。MAX9205允許16MHz至40MHz較寬范圍的參考時(shí)鐘，相應(yīng)產(chǎn)生的串行數(shù)據(jù)速率從192Mbps (12位 x 16MHz)到480Mbps (12位 x 40MHz)。由于只有10位是輸入數(shù)據(jù)，因此實(shí)際吞吐量是時(shí)鐘頻率的10倍。MAX9206解串器接收MAX9205的串行輸出，并將其轉(zhuǎn)換回10位的并行數(shù)據(jù)。因?yàn)榻獯鲝拇袛?shù)據(jù)流中同時(shí)恢復(fù)出時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，所以它消除了并行總線中常見的時(shí)鐘-數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)偏移。MAX9205和MAX9206配合使用，為減少板卡之間互連密度提供了一套完整的解決方案。
3G基站通常采用單向連接，因此用兩片IC完成這些功能相比于單片集成的串行解串器(SerDes)更加適合。例如，基帶接收板可專用于對(duì)射頻收發(fā)器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，在這種情況下，基帶板上只需要解串器，集成的SerDes與單獨(dú)的解串器相比就要浪費(fèi)額外的空間和成本。
在已采用串行背板的基站中，一個(gè)LVDS多端口中繼器能進(jìn)一步減少電路板空間和成本。大多數(shù)基站架構(gòu)中都包含必須向多個(gè)目標(biāo)板卡廣播或發(fā)送數(shù)據(jù)的板卡。例如，很多系統(tǒng)采用多個(gè)基帶板來(lái)并行處理一個(gè)射頻收發(fā)器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。最糟糕的解決方案是在射頻板上采用與目標(biāo)基帶板解串器同樣數(shù)量的串行器(圖3a)。如果采用MAX9150之類的多端口中繼器，串行器的數(shù)量便會(huì)顯著地下降到原來(lái)的十分之一(圖3b)。MAX9150和一個(gè)串行器一起使用可以替代10個(gè)串行器。這一結(jié)構(gòu)只有當(dāng)多端口中繼器具有足夠低的抖動(dòng)特性時(shí)才有效。抖動(dòng)是偏離某一事件或信號(hào)邊沿理想時(shí)序的程度，它會(huì)影響解串器從串行位流中成功恢復(fù)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。一個(gè)典型LVDS串行器/解串行器對(duì)的抖動(dòng)裕量低至幾百皮秒，這一裕量還會(huì)受布線、電纜和連接器的影響進(jìn)一步降低。因此在串行器和解串器之間的信號(hào)通道上的其它器件必須具有特別低的抖動(dòng)。MAX9150的峰-峰抖動(dòng)只有120ps (最大值)。
圖3a. 當(dāng)多個(gè)基帶卡處理來(lái)自射頻收發(fā)器卡的數(shù)據(jù)時(shí)，射頻通信卡通常包含與目標(biāo)基帶卡解串器數(shù)量相同的串行器。
圖3b. 利用多端口中繼器(MAX9150)，可以使射頻收發(fā)器卡的串行器數(shù)量下降到原來(lái)的十分之一。
在高速串行信號(hào)通道的其它部分，基站結(jié)構(gòu)通常要求一些簡(jiǎn)單交換、復(fù)用和中繼功能。在多端口中繼器的示例中，這些功能的增加對(duì)抖動(dòng)裕量的影響必須盡可能小。MAX9152 2x2 LVDS交叉開關(guān)在一個(gè)封裝中提供了幾個(gè)功能，包括：兩個(gè)LVDS/LVPECL輸入、兩個(gè)LVDS輸出、兩個(gè)用于決定IC內(nèi)部輸入與輸出連接的邏輯輸入。該器件可以通過(guò)編程把任一個(gè)輸入連接到任一個(gè)輸出或兩個(gè)輸出上。因此它可以配置為2x2交叉開關(guān)、2:1多路復(fù)用器、1:2解復(fù)用器、1:2扇出緩沖器或兩個(gè)中繼器。這種配置靈活性使MAX9152成為故障冗余保護(hù)切換、診斷環(huán)回切換、數(shù)據(jù)分配時(shí)扇出緩沖和超長(zhǎng)距離通訊時(shí)信號(hào)再生的理想選擇。MAX9152超低的120ps (最大值)峰-峰抖動(dòng)可確保在高速鏈路中可靠地通信。
在低速信號(hào)通道，比如時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)和控制總線，用LVDS代替TTL和RS-422等早期的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，可有效改善系統(tǒng)的性能指標(biāo)。基站射頻收發(fā)板對(duì)輻射噪聲特別敏感，LVDS是分配PLL頻率合成器使用的參考時(shí)鐘的理想信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。雖然這些電路并不需要LVDS的高速性能(基站參考時(shí)鐘的典型值為幾十MHz)，但是它們得益于LVDS的低功耗和低輻射噪聲性能。用于板間仲裁、握手和其它外設(shè)通訊的低速控制總線同樣能從LVDS的低噪聲和低功耗中受益。只用于LVTTL/LVCMOS與LVDS間信號(hào)轉(zhuǎn)換的電平轉(zhuǎn)換器提供了從已存在的LVTTL/LVCMOS設(shè)計(jì)中構(gòu)建LVDS時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)和控制總線的簡(jiǎn)單方法。Maxim的單、雙和四路線驅(qū)動(dòng)器和接收器系列產(chǎn)品是這類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的理想選擇，該系列器件具有最小尺寸(SC70和SOT23封裝)和最低的脈沖偏移量(在這些器件中脈沖偏移量是抖動(dòng)性能的主要測(cè)量指標(biāo))等特點(diǎn)。
總結(jié)
利用LVDS在時(shí)鐘分配、控制總線、背板和其它高速信號(hào)傳送領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，3G基站將提供更高帶寬的無(wú)線服務(wù)，并且不會(huì)成比例地增加成本、尺寸和功耗。本文討論的產(chǎn)品采用LVDS信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、并且以其在架構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，可提供上述特性。全面理解LVDS技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用是工程師開發(fā)下一代蜂窩基站的基礎(chǔ)。
本文來(lái)源于Maxim。
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