自適應(yīng)均衡器在LVDS息線長距離傳輸中的應(yīng)用

摘要  自適應(yīng)均衡囂可自為信號(hào)損耗提供補(bǔ)償，使電纜傳來的串行數(shù)字信號(hào)可以重新恢復(fù)其原有強(qiáng)度。利用這一特點(diǎn)，采用高速串行數(shù)字接口(SDI)自適應(yīng)電纜均衡器廈電纜驅(qū)動(dòng)器芯片構(gòu)建系統(tǒng)，可以擴(kuò)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(xì)介紹自適應(yīng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
關(guān)鍵詞 自適應(yīng)均衡器 CLCO12 電纜驅(qū)動(dòng)器 BLVDS

引 言
    隨著各式各樣接入通信設(shè)備的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠹眲≡黾?。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)，必須支持?jǐn)?shù)據(jù)的高速率傳輸。低電壓差分信號(hào)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(jì)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(jì)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(dá)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或一點(diǎn)對多點(diǎn)的連接；具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點(diǎn)。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(hào)完整性、低抖動(dòng)及共模特性要求較高的系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)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(hào)傳輸(BLVDS)技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是，確保利用低電壓差分方式傳輸?shù)男盘?hào)，可獲雙向及多站(開岔)式配置的支持。

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

    由于LVDS技術(shù)可以支持?jǐn)?shù)據(jù)的高速率傳輸，且功耗遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。市場上的很多產(chǎn)品都需要在低功耗的操作環(huán)境下進(jìn)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(dá)數(shù)百M(fèi)bps的數(shù)據(jù)傳輸速率。有一點(diǎn)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(dòng)，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?？梢岳瞄L達(dá)幾百米以上的電纜傳送數(shù)據(jù)。對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，電纜加長之后，便要解決多個(gè)長距離傳送的設(shè)計(jì)問題。本文主要討論如何擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)的美國國家半導(dǎo)體公司建議的辦法是，采用高速串行數(shù)字接口自適應(yīng)電纜均衡器及電纜驅(qū)動(dòng)器芯片。

1 傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    同軸電線和雙絞線是應(yīng)用很廣泛的信號(hào)傳輸載體，同時(shí)也是有損耗的傳輸線。對信號(hào)的傳輸損耗與信號(hào)頻率的平方根成正比，會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生失真和畸變，引起數(shù)字碼元間的串?dāng)_。因此信號(hào)在傳送過程中都會(huì)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(hào)也會(huì)同樣出現(xiàn)衰減情況，因此這類信號(hào)只適用于短距離的傳送。

    若采用沒有信號(hào)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(dòng)器預(yù)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(jìn)行長距離的數(shù)據(jù)傳送，便應(yīng)采用專為驅(qū)動(dòng)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(dòng)器/均衡器芯片組，驅(qū)動(dòng)經(jīng)同軸電纜傳送的信號(hào)。

    這條傳輸通道采用美國國家半導(dǎo)體10位的串行/解串器(可以有很多選擇，國家半導(dǎo)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(dòng)器/均衡器芯片組(比如CLC001和CLC012，現(xiàn)在國家半導(dǎo)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(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，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(jì)。

    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(dòng)器/均衡器芯片組驅(qū)動(dòng)，經(jīng)由雙絞線電纜傳送的信號(hào)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(gè)區(qū)別，就是R1～R6的電阻值。這些電阻值的大小由實(shí)驗(yàn)決定。只要調(diào)控電阻值，便可將信號(hào)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(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)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(dòng)同軸電纜。傳輸?shù)男盘?hào)再經(jīng)交流耦合送到自適應(yīng)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(hào)，然后將這些信號(hào)放大，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)邏輯電位。由于差分信號(hào)具有1.2 v的典型驅(qū)動(dòng)器補(bǔ)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(dá)±l V來自傳輸線路的共模噪聲．此外，LVDS驅(qū)動(dòng)器及接收器可以帶電插入，因?yàn)楹懔魇津?qū)動(dòng)不會(huì)對系統(tǒng)造成任何損害。接收器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，具有高度的安全性，當(dāng)輸入引腳均處于浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，接收器的安全功能可以防止輸出出現(xiàn)振蕩。

2 自適應(yīng)電纜均衡器的作用
    經(jīng)電纜長距離傳送的信號(hào)都會(huì)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(dòng)器/接收器芯片組，便可避免信號(hào)衰減。Comlinear公司的CLC012是負(fù)責(zé)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)的豐要芯片，其主要工作是均衡電纜傳送的信號(hào)。圖3為CLC012原理圖。

    CLC012自適應(yīng)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(gè)低成本的單片集成解決方案，只需使用一個(gè)芯片和很少的幾個(gè)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(yīng)地對不同長度的電纜和雙絞線進(jìn)行均衡，均衡的長度從0 m到相當(dāng)于對信號(hào)在200 MHz時(shí)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(jìn)行均衡。

    CLC012內(nèi)有自適應(yīng)伺服控制單元，可以產(chǎn)生用于控制濾波單元的控制信號(hào)。該信號(hào)是與電纜長度成正比的電壓信號(hào)，這一單元接收來自濾波單元的輸出信號(hào)和量化反饋比較器的差分信號(hào)，用它們來構(gòu)成這一控制信號(hào)。伺服環(huán)路響應(yīng)由接在AEC正端和AEC負(fù)端的外接電容控制，伺服控制電壓即AEC正端和AEC負(fù)端的差分電壓與傳輸線長度近似成正比。當(dāng)這一電壓值超過500 mV時(shí)，不能再提供更多的均衡。
 
    CLC012的抖動(dòng)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(dòng)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(yīng)濾波器單元，對不同長度的電纜進(jìn)行自適應(yīng)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(shí)可以在沒有信號(hào)輸入時(shí)對輸出進(jìn)行靜音控制。另外，還提供一個(gè)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(gè)防止信號(hào)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(wù)是從表面上無價(jià)值波形中回收信號(hào)，并將它恢復(fù)到適當(dāng)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(dá)300 m的優(yōu)質(zhì)同軸電纜(Belden8281)或長達(dá)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(hào)出現(xiàn)40 dB的衰減)，均衡器芯片都可自動(dòng)為信號(hào)損耗提供補(bǔ)償。均衡器可為電纜損耗提供補(bǔ)償，使電纜傳來的串行數(shù)字信號(hào)可以重新恢復(fù)其原有強(qiáng)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(jì)與傳輸性能指標(biāo)
    LVDS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)者具備超高速單板設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)并了解差分信號(hào)的理論。對于利用LVDS串行/解串器及串行數(shù)字接口芯片進(jìn)行長距離數(shù)據(jù)傳送的通道來說，以下的幾個(gè)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(dāng)?shù)呢?fù)載。
    ◆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(hào)層、地層、電源層、TTL信號(hào)層。
    ◆使TTL信號(hào)和LVDS信號(hào)相互隔離，否則TTL可能會(huì)耦合到LVDS線上。
    ◆使LVDS驅(qū)動(dòng)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(gè)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(yīng)使用粗線，保持PCB地線層返回路徑寬而短。

    另一點(diǎn)非常重要的是，差分線對要求嚴(yán)格的匹配，否則引起能量反射導(dǎo)致芯片被擊穿。這點(diǎn)是作者在實(shí)踐中付出慘重代價(jià)摸索出來的。
    ◆不要僅僅依賴自動(dòng)布線功能，應(yīng)仔細(xì)修改以實(shí)現(xiàn)差分阻抗匹配并實(shí)現(xiàn)差分線的隔離。
    ◆盡量減少過孔和其他會(huì)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(hào)扭曲，防止引起信號(hào)間的相位差而導(dǎo)致電磁輻射。差分線對內(nèi)，兩條線之間的距離應(yīng)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(yīng)盡可能保持一致，以避免差分阻抗的不連續(xù)性。
    ◆避免將導(dǎo)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(dǎo)體曾利用誤碼率測試儀加以測試.測試用的輸入信號(hào)是一條10位寬的偽隨機(jī)碼流(PRBS-15),并由40MHz的時(shí)鐘(DS92LV1021ATCLK)加以鎖定.數(shù)據(jù)傳輸率相當(dāng)于利用200m電費(fèi)傳送的480Mbps傳輸速度.測試結(jié)果顯示,這兩款電路在操作時(shí)并無誤碼出現(xiàn).