LVDS促進3G基站的高速信號傳送

3G移動通信，如：W-CDMA、EDGE和CDMA2000，讓我們的手機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(LVDS)將成為傳輸這些數(shù)據(jù)的信號標準，它減少了空間、噪聲和功耗，這些參數(shù)在基站設(shè)計中要求較為苛刻。

本應(yīng)用筆記討論了LVDS串行器、解串器、多端口中繼器、交叉點開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)、時鐘分配中的應(yīng)用。重點討論與3G基站設(shè)計相關(guān)的LVDS電路、架構(gòu)、規(guī)格。

LVDS是物理層數(shù)據(jù)接口標準，由TIA/EIA-644和IEEE 1596.3標準定義，主要為在平衡阻抗可控的100Ω介質(zhì)上實現(xiàn)高速、低功耗、和低噪聲點對點通信而設(shè)計。與其它差分信號標準一樣，LVDS由于消除了磁場，它比單端信號輻射的噪聲要低得多。同時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)，與其它差分信號標準中電壓驅(qū)動相比較，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基站信號傳送的理想標準。


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相比可以減小地電位偏差的影響，同時也消除了穿通電流。

除上述優(yōu)點外，LVDS串行器和解串器還給基站設(shè)計節(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)負著繁重的數(shù)字信號處理工作，諸如擴頻、交織和差錯控制。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，因為首先TTL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)致整個系統(tǒng)的增大和費用的增加。Maxim的MAX9205串行器和MAX9206解串器通過把11條TTL線(10個數(shù)據(jù)和1個時鐘)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)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、價格昂貴的、標準TTL信號所需要的背板。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LVDS串行數(shù)據(jù)流。一個高電平起始位和一個低電平停止位加入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)，因此實際吞吐量是時鐘頻率的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)。因為解串器從串行數(shù)據(jù)流中同時恢復(fù)出時鐘和數(shù)據(jù)，所以它消除了并行總線中常見的時鐘-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。因為3G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“射頻收發(fā)器”發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行信號處理，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額外的空間和費用。

在已采用串行背板的基站中，一個LVDS多口中繼器能進一步減少板空間和費用。在大多數(shù)的基站中，一些板卡必須向多個板卡廣播或發(fā)送數(shù)據(jù)。很多系統(tǒng)采用多個基帶板來并行處理一個射頻收發(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和一個串行器一起使用可以替代10個串行器。這一結(jié)構(gòu)只有當(dāng)多點中繼器具有足夠低的抖動特性時才有效。抖動是偏離某一事件或信號邊沿理想時序的程度，它會影響解串器從串行位流中成功恢復(fù)時鐘和數(shù)據(jù)。一個典型LVDS串行器/解串行器對的抖動裕量低至幾百ps，這一裕量還會受布線、電纜和連接器的影響進一步降低。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的最大峰-峰抖動只有120ps，比市場上任何一款多點中繼器的抖動指標都低。


圖3a. 當(dāng)多個基帶卡從無線收發(fā)器卡接收數(shù)據(jù)時，無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數(shù)相同。


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

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。如同多點中繼器，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)在一個器件中提供了幾個功能，它包括了兩個LVDS/LVPECL輸入，兩個LVDS輸出，兩個邏輯輸入用于決定輸入與輸出的連接。它可以通過編程把任一個輸入連接到任一個輸出或兩個輸出上。因此它可以配置為2x2交叉開關(guān)、2:1多路器、1:2解復(fù)用器、1:2扇出緩沖或兩個中繼器。這一多功能特性使MAX9152成為故障冗余保護切換、自診斷環(huán)回切換、數(shù)據(jù)分配時扇出緩沖和超長距離通訊時信號再生的理想選擇。

在低速信號通道，比如時鐘分配網(wǎng)絡(luò)和控制總線，用LVDS代替TTL和RS-422等早期的信號標準，可有效改善相應(yīng)系統(tǒng)的性能指標?；旧漕l收發(fā)板對輻射噪聲特別敏感，LVDS是分配PLL頻率綜合器使用的參考時鐘的理想信號標準。雖然這些電路并不需要LVDS的高速性能(基站參考時鐘的典型值是幾十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間的信號轉(zhuǎn)換，給我們提供了從已存在的LVTTL/LVCMOS設(shè)計中構(gòu)建LVDS時鐘分配網(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性能的主要測量指標)等特點。

利用LVDS在時鐘分配、控制總線、背板和其他高速信號傳送領(lǐng)域的優(yōu)勢，3G基站將在帶來帶寬無線服務(wù)的同時，不會成比例地增加費用、尺寸和功耗。本文討論的產(chǎn)品不僅以LVDS信號標準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，全面理解LVDS技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用是工程師們開發(fā)下一代蜂窩基站的基礎(chǔ)。