设计指南 1058

LVDS实现3G基站的高速信号传送


摘要 : 本文讨论EIA/TIA-644低压差分信号(LVDS)标准在3G移动通信设备中的应用,LVDS具有低功耗、低辐射等优势,可理想用于WCDMA、EDGE和cdma2000®基站中的高速时钟、数据传输。重点介绍了MAX9205串行器、MAX9206解串器、MAX9150多端口中继器以及MAX9152交叉点开关。

类似文章发表于1991年7月的Wireless Design and Development杂志。

引言

3G移动通信,如:WCDMA、EDGE和cdma2000,可通过手机和其它无线通信设备高速访问丰富多彩的互联网世界。为了满足这类最新应用对带宽的要求,基站需要处理和发送以指数倍增长的巨量数据。

基站内部,数据在背板、电缆和电路板上高速传送。低压差分信号(LVDS)将成为传输这些数据的信号标准,能够最大程度地降低空间、噪声和功耗。

本应用笔记讨论了LVDS串行器、解串器、多端口中继器、交叉点开关以及电平转换器在数据、时钟分配中的应用。重点讨论与3G基站设计相关的LVDS电路、架构和规格。

基站应用中的LVDS基础知识

LVDS是物理层数据接口标准,由TIA/EIA-644和IEEE® 1596.3标准定义,主要为在平衡阻抗可控的100Ω介质上实现高速、低功耗、低噪声点对点通信而设计。与其它差分信号标准类似,LVDS由于消除了磁场,因而比单端信号辐射的噪声要低得多。同时外来噪声作为共模信号耦合到两根线上(即两根线上的噪声电平相同),因此它的抗噪声能力比单端信号要强得多。另外,LVDS驱动器的输出采用电流驱动方式(图1),与其它差分信号标准中的电压驱动相比,可减少地线回流,消除了穿通电流。降低电压摆幅(只有±350mV,而正射极耦合逻辑(PECL)为±800mV,RS-422为±2V)使LVDS能够达到与PECL (> 800Mbps)等同的数据速率,而功耗只有PECL的十分之一。LVDS的高速、低功耗和低噪声特性使其成为3G基站信号传送的理想标准。

图1. LVDS驱动器采用电流输出驱动,与其它差分信号所采用的电压模式驱动相比可以减小地线回流的影响,同时也消除了穿通电流。
图1. LVDS驱动器采用电流输出驱动,与其它差分信号所采用的电压模式驱动相比可以减小地线回流的影响,同时也消除了穿通电流。

除上述优点外,LVDS串行器和解串器还可显著降低基站设计的空间和成本。为满足3G网络的带宽要求,新基站与2G系统相比需要大量的板卡,特别是基带处理板,它担负着繁重的数字信号处理工作,诸如扩频、交织和误码控制等。随着这些板卡之间数据吞吐量的增加,传统TTL背板不再胜任,因为首先TTL逻辑不适合较高的工作速度,其次,宽并行总线需要大且昂贵的背板,这增加了整个系统的尺寸和成本。MAX9205串行器和MAX9206解串器通过把11条TTL线(10个数据和1个时钟)转换为一对高速LVDS线(图2),有效解决了上述问题。采用这种方案可以把互连密度降低5倍。在3G系统等具有大量板卡的基站中,这两款器件能节省大量的空间和成本。

图2. LVDS串行器配合解串器(未显示)可有效节省宽数据线以及相关的价格昂贵的、标准TTL信号所需要的背板。另外,LVDS电路还可满足3G网络所要求的速度。
图2. LVDS串行器配合解串器(未显示)可有效节省宽数据线以及相关的价格昂贵的、标准TTL信号所需要的背板。另外,LVDS电路还可满足3G网络所要求的速度。

MAX9205串行器把10位的并行LVTTL/LVCMOS数据转换为LVDS串行数据流。10位并行输入数据由一个高电平起始位和一个低电平停止位打包成帧,并且确保在串行数据流中有正确的跳变沿。因此每10位并行输入数据将发送12个串行位。MAX9205允许16MHz至40MHz较宽范围的参考时钟,相应产生的串行数据速率从192Mbps (12位 x 16MHz)到480Mbps (12位 x 40MHz)。由于只有10位是输入数据,因此实际吞吐量是时钟频率的10倍。MAX9206解串器接收MAX9205的串行输出,并将其转换回10位的并行数据。因为解串器从串行数据流中同时恢复出时钟和数据,所以它消除了并行总线中常见的时钟-数据和数据-数据偏移。MAX9205和MAX9206配合使用,为减少板卡之间互连密度提供了一套完整的解决方案。

3G基站通常采用单向连接,因此用两片IC完成这些功能相比于单片集成的串行解串器(SerDes)更加适合。例如,基带接收板可专用于对射频收发器发送来的数据进行信号处理,在这种情况下,基带板上只需要解串器,集成的SerDes与单独的解串器相比就要浪费额外的空间和成本。

在已采用串行背板的基站中,一个LVDS多端口中继器能进一步减少电路板空间和成本。大多数基站架构中都包含必须向多个目标板卡广播或发送数据的板卡。例如,很多系统采用多个基带板来并行处理一个射频收发器发送来的数据。最糟糕的解决方案是在射频板上采用与目标基带板解串器同样数量的串行器(图3a)。如果采用MAX9150之类的多端口中继器,串行器的数量便会显著地下降到原来的十分之一(图3b)。MAX9150和一个串行器一起使用可以替代10个串行器。这一结构只有当多端口中继器具有足够低的抖动特性时才有效。抖动是偏离某一事件或信号边沿理想时序的程度,它会影响解串器从串行位流中成功恢复时钟和数据。一个典型LVDS串行器/解串行器对的抖动裕量低至几百皮秒,这一裕量还会受布线、电缆和连接器的影响进一步降低。因此在串行器和解串器之间的信号通道上的其它器件必须具有特别低的抖动。MAX9150的峰-峰抖动只有120ps (最大值)。

图3a. 当多个基带卡处理来自射频收发器卡的数据时,射频通信卡通常包含与目标基带卡解串器数量相同的串行器。
图3a. 当多个基带卡处理来自射频收发器卡的数据时,射频通信卡通常包含与目标基带卡解串器数量相同的串行器。

图3b. 利用多端口中继器(MAX9150),可以使射频收发器卡的串行器数量下降到原来的十分之一。
图3b. 利用多端口中继器(MAX9150),可以使射频收发器卡的串行器数量下降到原来的十分之一。

在高速串行信号通道的其它部分,基站结构通常要求一些简单交换、复用和中继功能。在多端口中继器的示例中,这些功能的增加对抖动裕量的影响必须尽可能小。MAX9152 2x2 LVDS交叉开关在一个封装中提供了几个功能,包括:两个LVDS/LVPECL输入、两个LVDS输出、两个用于决定IC内部输入与输出连接的逻辑输入。该器件可以通过编程把任一个输入连接到任一个输出或两个输出上。因此它可以配置为2x2交叉开关、2:1多路复用器、1:2解复用器、1:2扇出缓冲器或两个中继器。这种配置灵活性使MAX9152成为故障冗余保护切换、诊断环回切换、数据分配时扇出缓冲和超长距离通讯时信号再生的理想选择。MAX9152超低的120ps (最大值)峰-峰抖动可确保在高速链路中可靠地通信。

在低速信号通道,比如时钟分配网络和控制总线,用LVDS代替TTL和RS-422等早期的信号标准,可有效改善系统的性能指标。基站射频收发板对辐射噪声特别敏感,LVDS是分配PLL频率合成器使用的参考时钟的理想信号标准。虽然这些电路并不需要LVDS的高速性能(基站参考时钟的典型值为几十MHz),但是它们得益于LVDS的低功耗和低辐射噪声性能。用于板间仲裁、握手和其它外设通讯的低速控制总线同样能从LVDS的低噪声和低功耗中受益。只用于LVTTL/LVCMOS与LVDS间信号转换的电平转换器提供了从已存在的LVTTL/LVCMOS设计中构建LVDS时钟分配网络和控制总线的简单方法。Maxim的单、双和四路线驱动器和接收器系列产品是这类网络应用的理想选择,该系列器件具有最小尺寸(SC70和SOT23封装)和最低的脉冲偏移量(在这些器件中脉冲偏移量是抖动性能的主要测量指标)等特点。

总结

利用LVDS在时钟分配、控制总线、背板和其它高速信号传送领域的优势,3G基站将提供更高带宽的无线服务,并且不会成比例地增加成本、尺寸和功耗。本文讨论的产品采用LVDS信号标准、并且以其在架构和拓扑结构上的优势,可提供上述特性。全面理解LVDS技术、产品和应用是工程师开发下一代蜂窝基站的基础。
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