【導(dǎo)讀】本文討論EIA/TIA-644低壓差分信號(LVDS)標(biāo)準(zhǔn)在3G移動通信設(shè)備中的應(yīng)用，LVDS具有低功耗、低輻射等優(yōu)勢，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移動通信，如：WCDMA、EDGE和cdma2000，可通過手機(jī)和其它無線通信設(shè)備高速訪問豐富多彩的互聯(lián)網(wǎng)世界。為了滿足這類最新應(yīng)用對帶寬的要求，基站需要處理和發(fā)送以指數(shù)倍增長的巨量數(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(LVDS)將成為傳輸這些數(shù)據(jù)的信號標(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
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)對點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)。與其它差分信號標(biāo)準(zhǔn)類似，LVDS由于消除了磁場，因而比單端信號輻射的噪聲要低得多。同時(shí)外來噪聲作為共模信號耦合到兩根線上(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要強(qiáng)得多。另外，LVDS驅(qū)動器的輸出采用電流驅(qū)動方式(圖1)，與其它差分信號標(biāo)準(zhǔn)中的電壓驅(qū)動相比，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基站信號傳送的理想標(biāo)準(zhǔn)。
圖1. LVDS驅(qū)動器采用電流輸出驅(qū)動，與其它差分信號所采用的電壓模式驅(qū)動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)換為一對高速LVDS線(圖2)，有效解決了上述問題。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LVDS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射頻收發(fā)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理，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)基帶板來并行處理一個(gè)射頻收發(fā)器發(fā)送來的數(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)量便會顯著地下降到原來的十分之一(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特性時(shí)才有效。抖動是偏離某一事件或信號邊沿理想時(shí)序的程度，它會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/解串行器對的抖動裕量低至幾百皮秒，這一裕量還會受布線、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通道上的其它器件必須具有特別低的抖動。MAX9150的峰-峰抖動只有120ps (最大值)。
圖3a. 當(dāng)多個(gè)基帶卡處理來自射頻收發(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)量下降到原來的十分之一。
在高速串行信號通道的其它部分，基站結(jié)構(gòu)通常要求一些簡單交換、復(fù)用和中繼功能。在多端口中繼器的示例中，這些功能的增加對抖動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)扇出緩沖和超長距離通訊時(shí)信號再生的理想選擇。MAX9152超低的120ps (最大值)峰-峰抖動可確保在高速鏈路中可靠地通信。
在低速信號通道，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)和控制總線的簡單方法。Maxim的單、雙和四路線驅(qū)動器和接收器系列產(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性能的主要測量指標(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傳送領(lǐng)域的優(yōu)勢，3G基站將提供更高帶寬的無線服務(wù)，并且不會成比例地增加成本、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，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)。
本文來源于Maxim。
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