數(shù)百Mbps數(shù)百米：擴展LVDS的傳輸距離

2004年11月A版

    由于低壓差分信號傳輸 (LVDS) 技術(shù)可以支持較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，而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。市場上很多產(chǎn)品都需要在低功率的操作環(huán)境下進行高速數(shù)據(jù)傳輸，只要采用 LVDS 技術(shù)，便可確保所開發(fā)的新產(chǎn)品能夠支持高達數(shù)百 Mpbs 的數(shù)據(jù)傳輸速度。

    我們現(xiàn)在甚至可以將 LVDS 技術(shù)整合到串行/解串器等集成電路之內(nèi)。這個發(fā)展趨勢顯示，任何系統(tǒng)都可充分利用 LVDS 接口技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)可在芯片之間、插卡之間、機架到機架之間、機柜到機柜之間傳遞。雖然 LVDS 串行/解串器接口可以驅(qū)動不同機架之間的連接電纜，但電纜的長度受到一定的限制，一般短至只有幾英_ (芯片與芯片之間)，最長則不超過幾米。但目前許多系統(tǒng)都需要加強長距離傳送數(shù)據(jù)的能力，以確保可以利用長達 100 米以上的電纜傳送數(shù)據(jù)。對于系統(tǒng)設(shè)計工程師來說，電纜加長之后，他們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 LVDS 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳送范圍，以滿足長距離傳送的要求，文中建議的辦法是采用高速串行數(shù)字接口(SDI)自適應電纜均衡器及電纜驅(qū)動器芯片。

系統(tǒng)之間的信號傳輸

    串行電纜傳送系統(tǒng)通常采用同軸電纜或雙絞線。無論采用什么類型的電纜，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)的衰減情況，因此這類信號只適用于短距離的傳送。圖1  圖中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)由同軸電纜傳送的信號。

    系統(tǒng)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，電纜的長度便可長達 15 至 20 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 (數(shù)十米以至數(shù)百米)，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 1 所示的便是這類系統(tǒng)的傳輸通道。

    這條傳輸通道采用美國國家半導體 10 位的串行/解串器 (DS92LV1021A 和 DS92LV1212A) 以及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動器/均衡器芯片組 (CLC001 和 CLC012)。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，這組串行/解串器還可充分利用低電壓差分信號傳輸?shù)膬?yōu)點，例如卓越的抗噪音干擾能力、低功率操作、低電磁干擾、更寬松的退耦規(guī)定以及簡單的終端設(shè)計。圖2  圖中所示的通信通道利用 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。

    經(jīng)由電纜長距離傳送而來的信號都會出現(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。CLC012 是負責執(zhí)行這個任務的主要芯片，其主要工作是將經(jīng)由電纜傳送的信號均衡。在整個防止信號衰減的過程中，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 米的優(yōu)質(zhì)同軸電纜 (Belden 8281) 或長達 120 米的 5 類無屏蔽式雙絞線電纜 (這樣的長度足以令所傳送的 200MHz 信號出現(xiàn) 40dB 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)字信號可以重新組構(gòu)，恢復其原有強度。

    圖2 所示的是另一通信通道的結(jié)構(gòu)框圖，圖中所示的 10 位 LVDS 串行/解串器及串行數(shù)字接口電纜驅(qū)動器/均衡器芯片組可通過雙絞線電纜傳送數(shù)據(jù)。除了采用的電纜有所不同之外，這條通道與圖 1 所示的通道只有一個分別，那就是 R1 至 R6 的電阻值。這些電阻值的大小經(jīng)由實驗決定。我們只要調(diào)控電阻值，便可將信號調(diào)節(jié)至最理想的均衡狀態(tài)。

實驗結(jié)果

    圖 1 及圖 2 所示的電路均利用相關(guān)芯片的評估套件組建，并曾利用誤碼率測試儀加以測試。測試結(jié)果顯示，這兩款電路在操作時并無誤碼出現(xiàn)。測試用的輸入信號是一條 10 位寬的偽隨機碼流 (PRBS-15)，并由 40 MHz 的時鐘 (DS92LV1021A TCLK) 加以鎖定。數(shù)據(jù)傳輸率相等于利用電纜傳送的 480 Mbps 傳輸速度。

    有一點我們需要留意：這兩個電路設(shè)計都利用交流耦合均將 CLC012 PECL 的輸出電平與 DS92LV1212A 接收器的 LVDS 電平隔離，對于直流均衡的數(shù)據(jù)來說，這個設(shè)計非常適用。但對于直流非均衡的數(shù)據(jù)來說，設(shè)計上必須利用直流耦合將 CLC012 與 LVDS 接收器連接起來。PECL 與 LVDS 之間的接口需要衰減網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)會衰減信號邊緣，以降低最高數(shù)據(jù)傳輸率。

    如何提高性能

    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。

1. 應按照電纜阻抗的大小為 CLC001 芯片提供適當?shù)呢撦d。

2. 應利用 CLC001 RREF 及 R1 至 R6 等電阻調(diào)控電纜內(nèi)各信號的電平，以便電纜可以發(fā)揮最高的均衡效果，以及為電纜提供適當?shù)亩私印?

3. 應按照 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。

4. 應盡量服從印刷電路板的布局布局 -- 詳細規(guī)定可參考有關(guān)芯片的數(shù)據(jù)表。

5. 應采用屏蔽雙絞線電纜，以便將串音減至最少。

6. 所采用的連接器必須能夠支持高達千兆位以上數(shù)據(jù)傳輸率，而且連接器阻抗必須可以調(diào)控

結(jié)語

    以上兩個電路應用示例清楚顯示 LVDS 串行/解串器芯片組的優(yōu)點，即使信號需要傳送至幾十米以至兩百米以外的地方，系統(tǒng)設(shè)計工程師都可利用 LVDS 串行/解串器驅(qū)動信號。這兩款電路都利用有關(guān)芯片的評估套件組建，而且都曾利用同軸及雙絞線電纜進行測試，測試結(jié)果顯示整個傳送過程沒有誤碼出現(xiàn)。

    美國國家半導體的在線技術(shù)期刊 National Edge 設(shè)有技術(shù)數(shù)據(jù)庫，其中保存了多年來刊登過的應用技術(shù)資料介紹及其他有用的資料，歡迎登入 edge.national.com 網(wǎng)頁查閱。