LVDS促進(jìn)3G基站的高速信號(hào)傳送

摘要：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W-CDMA、EDGE和CDMA2000中的高速時(shí)鐘、數(shù)據(jù)傳輸。

3G移動(dòng)通信，如：W-CDMA、EDGE和CDMA2000，讓我們的手機(jī)能高速接入豐富多彩的互聯(lián)網(wǎng)世界。為了滿足這一帶寬的要求，基站(無(wú)線手持設(shè)備和有線網(wǎng)絡(luò)的接口)必須處理和發(fā)送以指數(shù)率增長(zhǎng)的巨量數(shù)據(jù)。

基站內(nèi)部，這些數(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)，它減少了空間、噪聲和功耗，這些參數(shù)在基站設(shè)計(jì)中要求較為苛刻。

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(kāi)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)、規(guī)格。

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、和低噪聲點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)。與其它差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)一樣，LVDS由于消除了磁場(chǎng)，它比單端信號(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)中電壓驅(qū)動(dòng)相比較，它減少了地線回流，消除了涌浪電流。降低電壓擺幅(只有±350mV，PECL是±800mV，RS-422是2V)使LVDS能達(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它成為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)所采用的電壓模式相比可以減小地電位偏差的影響，同時(shí)也消除了穿通電流。

除上述優(yōu)點(diǎn)外，LVDS串行器和解串器還給基站設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的空間和金錢。為了滿足3G網(wǎng)絡(luò)的寬帶要求，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、交織和差錯(cuò)控制。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，這導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的增大和費(fèi)用的增加。Maxim的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)及其它具有大量板卡的基站中，這些產(chǎn)品能節(jié)省大量的空間和費(fèi)用。


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可以滿足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)為L(zhǎng)VDS串行數(shù)據(jù)流。一個(gè)高電平起始位和一個(gè)低電平停止位加入10位數(shù)據(jù)中，構(gòu)成串行數(shù)據(jù)幀。因此每10位數(shù)據(jù)發(fā)送12位信息。MAX9205允許輸入16-40MHz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，把它轉(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(jiàn)的時(shí)鐘-數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)偏移。MAX9205和MAX9206為減少板卡之間互連密度提供了一套完整的解決方案。因?yàn)?G基站通常采用單向連接，因此，用兩片IC完成這些功能非常適合3G基站，例如：“基帶接收板”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，相比之下集成的串行解串器就要浪費(fèi)額外的空間和費(fèi)用。

在已采用串行背板的基站中，一個(gè)LVDS多口中繼器能進(jìn)一步減少板空間和費(fèi)用。在大多數(shù)的基站中，一些板卡必須向多個(gè)板卡廣播或發(fā)送數(shù)據(jù)。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之類的多點(diǎn)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)多點(diǎn)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ps，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的最大峰-峰抖動(dòng)只有120ps，比市場(chǎng)上任何一款多點(diǎn)中繼器的抖動(dòng)指標(biāo)都低。


圖3a. 當(dāng)多個(gè)基帶卡從無(wú)線收發(fā)器卡接收數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)線通信卡所包含的串行器數(shù)量與終端基帶卡處解串器的個(gè)數(shù)相同。


圖3b. 利用多端口中繼器(MAX9150)，可以使無(wú)線收發(fā)器卡的串行器數(shù)量降低10:1。

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。如同多點(diǎn)中繼器，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(kāi)關(guān)在一個(gè)器件中提供了幾個(gè)功能，它包括了兩個(gè)LVDS/LVPECL輸入，兩個(gè)LVDS輸出，兩個(gè)邏輯輸入用于決定輸入與輸出的連接。它可以通過(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(kāi)關(guān)、2:1多路器、1:2解復(fù)用器、1:2扇出緩沖或兩個(gè)中繼器。這一多功能特性使MAX9152成為故障冗余保護(hù)切換、自診斷環(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。

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)，可有效改善相應(yīng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)?；旧漕l收發(fā)板對(duì)輻射噪聲特別敏感，LVDS是分配PLL頻率綜合器使用的參考時(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)鐘的典型值是幾十MHz)，但是它們得益于LVDS的低功耗和低輻射噪聲。低速的控制總線，用于板間仲裁、握手和其他外設(shè)通訊，同樣能從噪聲和功耗的降低中受益。電平轉(zhuǎn)換器，只用于LVTTL/LVCMOS與LVDS間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，給我們提供了從已存在的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)器和接收器是理想的選擇，具有小尺寸(SC70和SOT23封裝)和低脈沖偏移量(在這些器件中脈沖偏斜是抖動(dòng)性能的主要測(cè)量指標(biāo))等特點(diǎn)。

利用LVDS在時(shí)鐘分配、控制總線、背板和其他高速信號(hào)傳送領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，3G基站將在帶來(lái)帶寬無(wú)線服務(wù)的同時(shí)，不會(huì)成比例地增加費(fèi)用、尺寸和功耗。本文討論的產(chǎn)品不僅以LVDS信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的形式而且以它們所支持的結(jié)構(gòu)和布局提供這些優(yōu)點(diǎn)，全面理解LVDS技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用是工程師們開(kāi)發(fā)下一代蜂窩基站的基礎(chǔ)。