自適應均衡器在LVDS息線長距離傳輸原理及應用

自適應均衡器在LVDS息線長距離傳輸原理及應用

概述：自適應均衡囂可自為信號損耗提供補償，使電纜傳來的串行數(shù)字信號可以重新恢復其原有強度。利用這一特點，采用高速串行數(shù)字接口(SDI)自適應電纜均衡器廈電纜驅(qū)動器芯片構(gòu)建系統(tǒng)，可以擴大I，VDS技術(shù)的數(shù)據(jù)傳送范圍，以滿足高速率條件下長距離傳送的要求。詳細介紹自適應電纜均衡器CLCO12的結(jié)構(gòu)和工作原理；給出以Belden型同軸電纜和五類未屏蔽雙絞線為載體進行實驗的結(jié)果。

引 言
??? 隨著各式各樣接入通信設(shè)備的應用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠹眲≡黾印Ｏ到y(tǒng)設(shè)計工程師所設(shè)計的電路系統(tǒng)，必須支持數(shù)據(jù)的高速率傳輸。低電壓差分信號LVDS(LOw-Vo1t—age Differential signal)便是這樣一種技術(shù)。LVDS又稱ANSI/TIA/EIA一644總線，是20世紀90年代才出現(xiàn)的一種性能優(yōu)良的數(shù)據(jù)傳輸和物理層接口技術(shù)，為系統(tǒng)提供了高速數(shù)據(jù)傳輸、抑制共模噪聲及降低功耗的能力。利用這種技術(shù)，可以設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以確保能夠支持千兆位以上的數(shù)據(jù)傳輸。理論上，LVDS的最高傳輸速率可達1．923Gbps。

??? LVDS技術(shù)的核心是采用極低的電壓擺幅高速差分傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)點對點或一點對多點的連接；具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點。其傳輸介質(zhì)可以是銅質(zhì)的PCB連線，也可以是平衡電纜。LVDS在對信號完整性、低抖動及共模特性要求較高的系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用。LVDS的發(fā)展不斷衍生出各種新技術(shù)，如總線式低電壓差分信號傳輸(BLVDS)技術(shù)。其優(yōu)點是，確保利用低電壓差分方式傳輸?shù)男盘枺色@雙向及多站(開岔)式配置的支持。

??? LVDS信號的傳輸一般由三部分組成：差分信號發(fā)送器、差分信號互聯(lián)器和差分信號接收器，如圖1所示。

??? 由于LVDS技術(shù)可以支持數(shù)據(jù)的高速率傳輸，且功耗遠比同類技術(shù)低，因此漸漸成為廠商普遍采用的差分接口標準。市場上的很多產(chǎn)品都需要在低功耗的操作環(huán)境下進行高速率數(shù)據(jù)傳輸，而采用LVDS技術(shù)，可以確保所開發(fā)的產(chǎn)品能夠支持高達數(shù)百Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。有一點要注意的是，IVDS的出現(xiàn)雖然滿足了短距離傳輸條件下數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?，但傳統(tǒng)的IVDS不能支持長距離傳輸。具體就是，I。vDs串行／解串器接口可以驅(qū)動，但電纜的長度受到一定的限制。一般距離短至只有幾英寸(芯片與芯片之問)，最長則不超過幾米；但目前許多系統(tǒng)都需要具有長距離傳送數(shù)據(jù)的能力，以確保可以利用長達幾百米以上的電纜傳送數(shù)據(jù)。對于系統(tǒng)設(shè)計來說，電纜加長之后，便要解決多個長距離傳送的設(shè)計問題。本文主要討論如何擴大IVDS技術(shù)的數(shù)據(jù)傳送范圍，以滿足長距離傳送的要求。推出了ANSI/TIA/EIA一644標準的美國國家半導體公司建議的辦法是，采用高速串行數(shù)字接口自適應電纜均衡器及電纜驅(qū)動器芯片。

1 傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 同軸電線和雙絞線是應用很廣泛的信號傳輸載體，同時也是有損耗的傳輸線。對信號的傳輸損耗與信號頻率的平方根成正比，會使信號產(chǎn)生失真和畸變，引起數(shù)字碼元間的串擾。因此信號在傳送過程中都會出現(xiàn)大幅衰減，衰減程度取決于數(shù)據(jù)傳輸率(頻率)及電纜長度。經(jīng)由電纜傳送的低電壓差分信號也會同樣出現(xiàn)衰減情況，因此這類信號只適用于短距離的傳送。

??? 若采用沒有信號調(diào)節(jié)功能的LVDs芯片，電纜的長度一般不能超過幾米；但這些系統(tǒng)只要采用設(shè)有驅(qū)動器預加重功能和接收器均衡功能的LVDS集成電路，電纜的長度便可最多到數(shù)百米。采用LVDS接口芯片的系統(tǒng)如果必須進行長距離的數(shù)據(jù)傳送，便應采用專為驅(qū)動較長電纜而設(shè)的芯片，并將之搭配LVDS芯片一起使用，以便互相支持。圖2所示的通信通道采用10位的LVDS串行/解串器，以及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動器/均衡器芯片組，驅(qū)動經(jīng)同軸電纜傳送的信號。

??? 這條傳輸通道采用美國國家半導體10位的串行/解串器(可以有很多選擇，國家半導體推出了10位/16位/18位的SerDes，Maxim也推出了自己的這類產(chǎn)品)以及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動器/均衡器芯片組(比如CLC001和CLC012，現(xiàn)在國家半導體又推出了一系列這類產(chǎn)品，如CLC005和CLC014，性能有了很大提高)。這組串行/解串器可以縮小連接器及電纜的體積，有助降低系統(tǒng)成本。此外，串行/解串器還可充分利用低電壓差分信號傳輸?shù)膬?yōu)點，例如卓越的抗噪聲干擾能力、低功率操作、低電磁干擾以及簡單的終端設(shè)計。

??? 在利用10位的LVDS串行/解串器以及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動器/均衡器芯片組驅(qū)動，經(jīng)由雙絞線電纜傳送的信號的例子中，除了采用的電纜有所不同之外，這條通道與圖2所示的通道只有一個區(qū)別，就是R1～R6的電阻值。這些電阻值的大小由實驗決定。只要調(diào)控電阻值，便可將信號調(diào)節(jié)至最理想的均衡狀態(tài)。

??? 圖2中的電纜接收器CLC001為高速驅(qū)動器，可驅(qū)動同軸電纜和雙絞線。它采用差分輸入和差分輸出，經(jīng)交流耦合驅(qū)動同軸電纜。傳輸?shù)男盘栐俳?jīng)交流耦合送到自適應均衡器CLC012。同軸電纜的特性阻抗為75 Ω。輸入端接人37.5 Ω的電阻，是為了平衡每一端的輸入阻抗；輸出端接75Ω的電阻，是為了阻抗匹配以及為輸出建立合適的EcL電平。圖2中的LVDS差分接收器LVl212A是一款高阻抗芯片，可以檢測小至20 mV的差分信號，然后將這些信號放大，達到標準邏輯電位。由于差分信號具有1.2 v的典型驅(qū)動器補償電壓，而接收器可以接受由接地至2.4 v的輸入電壓，因此可以抑制高達±l V來自傳輸線路的共模噪聲．此外，LVDS驅(qū)動器及接收器可以帶電插入，因為恒流式驅(qū)動不會對系統(tǒng)造成任何損害。接收器的另一個優(yōu)點是，具有高度的安全性，當輸入引腳均處于浮動狀態(tài)時，接收器的安全功能可以防止輸出出現(xiàn)振蕩。

2 自適應電纜均衡器的作用
??? 經(jīng)電纜長距離傳送的信號都會出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，但只要采用串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動器/接收器芯片組，便可避免信號衰減。Comlinear公司的CLC012是負責執(zhí)行這個任務的豐要芯片，其主要工作是均衡電纜傳送的信號。圖3為CLC012原理圖。

??? CLC012自適應電纜均衡器為均衡在同軸電纜和雙絞線(或具有類似色散損耗特性的介質(zhì))上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供了一個低成本的單片集成解決方案，只需使用一個芯片和很少的幾個外圍元件就能輕松地完成高速數(shù)據(jù)流的再生。它能自適應地對不同長度的電纜和雙絞線進行均衡，均衡的長度從0 m到相當于對信號在200 MHz時衰減40dB的長度，即300m的Belden型同軸電纜或。120 m的五類未屏蔽雙絞線。均衡器可對50 Mbps～650 Mbps；范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)流進行均衡。

??? CLC012內(nèi)有自適應伺服控制單元，可以產(chǎn)生用于控制濾波單元的控制信號。該信號是與電纜長度成正比的電壓信號，這一單元接收來自濾波單元的輸出信號和量化反饋比較器的差分信號，用它們來構(gòu)成這一控制信號。伺服環(huán)路響應由接在AEC正端和AEC負端的外接電容控制，伺服控制電壓即AEC正端和AEC負端的差分電壓與傳輸線長度近似成正比。當這一電壓值超過500 mV時，不能再提供更多的均衡。
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??? CLC012的抖動極低，對于通過200 m同軸電纜傳輸?shù)?70 Mbps的數(shù)據(jù)流，其抖動的典型值為180 ps。這一優(yōu)越的性能為數(shù)據(jù)鏈路提供了很寬的噪聲容限。均衡器有二級自適應濾波器單元，對不同長度的電纜進行自適應均衡。均衡器可以使用單電源(+5v或一5．2 v)工作，功耗僅290 mW。除了上述功能外，芯片還具有載波檢測輸出和靜音控制端。這兩端接在一起時可以在沒有信號輸入時對輸出進行靜音控制。另外，還提供一個經(jīng)緩沖的輸出端眼圖監(jiān)測輸出OEM，便于觀察均衡效果。

??? 在整個防止信號衰減的過程中，CLC012均衡器是串行數(shù)字接口中最重要的元件。它的任務是從表面上無價值波形中回收信號，并將它恢復到適當電壓電平。這里CLC012芯片發(fā)揮極重要的作用，即使所用的電纜較長，例如長達300 m的優(yōu)質(zhì)同軸電纜(Belden8281)或長達120 m的5類無屏蔽式雙絞線電纜(這樣的長度足以令所傳送的200 MHz信號出現(xiàn)40 dB的衰減)，均衡器芯片都可自動為信號損耗提供補償。均衡器可為電纜損耗提供補償，使電纜傳來的串行數(shù)字信號可以重新恢復其原有強度。圖4以眼圖(eye pattern)方式說明不同傳輸速率下均衡前后的效果。

3 系統(tǒng)設(shè)計與傳輸性能指標
??? LVDS系統(tǒng)的設(shè)計，要求設(shè)計者具備超高速單板設(shè)計的經(jīng)驗并了解差分信號的理論。對于利用LVDS串行/解串器及串行數(shù)字接口芯片進行長距離數(shù)據(jù)傳送的通道來說，以下的幾個建議有助提高數(shù)據(jù)傳送的性能：
??? ◆按照LVDS接收器互連線路的阻抗大小，為CLC012芯片提供適當?shù)呢撦d。
??? ◆采用屏蔽雙絞線電纜，以便將串音減至最少。
??? ◆至少使用4層PCB板(從頂層到底層)，即LVDS信號層、地層、電源層、TTL信號層。
??? ◆使TTL信號和LVDS信號相互隔離，否則TTL可能會耦合到LVDS線上。
??? ◆使LVDS驅(qū)動器和接收器盡可能地靠近連接器的LVDS端。
??? ◆使用分布式的多個電容來旁路LVDS設(shè)備，表面貼電容靠近電源/地層引腳放置。
??? ◆電源層和地層應使用粗線，保持PCB地線層返回路徑寬而短。

??? 另一點非常重要的是，差分線對要求嚴格的匹配，否則引起能量反射導致芯片被擊穿。這點是作者在實踐中付出慘重代價摸索出來的。
??? ◆不要僅僅依賴自動布線功能，應仔細修改以實現(xiàn)差分阻抗匹配并實現(xiàn)差分線的隔離。
??? ◆盡量減少過孔和其他會引起線路不連續(xù)性的因素。
??? ◆使用與傳輸媒質(zhì)的差分阻抗和終端電阻相匹配的受控阻抗線，并且使差分線對離開集成芯片后立刻盡可能地相互靠近(距離小于10 mm)，這樣能減少反射并能確保耦合到的噪聲為共模噪聲。
??? ◆使差分線對的長度相互匹配以減少信號扭曲，防止引起信號間的相位差而導致電磁輻射。差分線對內(nèi)，兩條線之間的距離應盡可能短，以保持接收器的共模抑制能力。在印制板上，兩條差分線之間的距離應盡可能保持一致，以避免差分阻抗的不連續(xù)性。
??? ◆避免將導致阻值不連續(xù)性的90。走線，使用圓弧或45。折線來代替。

4 傳輸系統(tǒng)結(jié)果分析

??? 圖2所示的電路均利用相關(guān)芯片的評估套件組建,國家半導體曾利用誤碼率測試儀加以測試.測試用的輸入信號是一條10位寬的偽隨機碼流(PRBS-15),并由40MHz的時鐘(DS92LV1021ATCLK)加以鎖定.數(shù)據(jù)傳輸率相當于利用200m電費傳送的480Mbps傳輸速度.測試結(jié)果顯示,這兩款電路在操作時并無誤碼出現(xiàn).