本應(yīng)用筆記討論了EIA/TIA-644低壓差分信號（LVDS）標(biāo)準(zhǔn)在3G移動通信中的應(yīng)用。LVDS具有低功耗和低輻射特性，非常適合WCDMA、EDGE和cdma2000?基站中的高速時(shí)鐘和信號分配。提供MAX9205串行器、MAX9206解串器、MAX9150多端口中繼器和MAX9152交叉點(diǎn)開關(guān)。

介紹

3G移動通信，如WCDMA，EDGE和cdma2000，承諾使用手機(jī)和其他無線通信設(shè)備進(jìn)行媒體豐富的高速互聯(lián)網(wǎng)接入。蜂窩基站將無線手機(jī)連接到有線網(wǎng)絡(luò)。為了給這些新應(yīng)用提供帶寬，基站需要處理和分發(fā)成倍增加的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

在基站內(nèi)部，數(shù)據(jù)在背板、電纜和電路板內(nèi)高速移動。低壓差分信號（LVDS）是傳輸此數(shù)據(jù)的首選信號標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)最大限度地減少空間、噪聲和功耗。

本應(yīng)用筆記討論了使用LVDS串行器、解串器、多端口中繼器、交叉點(diǎn)開關(guān)和電平轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘分配應(yīng)用。重點(diǎn)是與3G基站設(shè)計(jì)最相關(guān)的LVDS電路、架構(gòu)和規(guī)格。

LVDS基站基礎(chǔ)知識

LVDS 是由 TIA/EIA-644 和 IEEE? 1596.3 標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。它專為高速、低功耗和低噪聲點(diǎn)對點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)，通常采用100Ω的過平衡受控阻抗介質(zhì)。與其他差分信號標(biāo)準(zhǔn)類似，由于磁場的消除，LVDS輻射的噪聲比單端信號少;它更不受噪聲的影響，因?yàn)樗鳛楣材Ｐ盘?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合到兩根導(dǎo)線上（即兩條線路上出現(xiàn)相同水平的噪聲）。此外，LVDS驅(qū)動器采用電流導(dǎo)引輸出配置（圖1），與其他差分信號標(biāo)準(zhǔn)中使用的電壓模式驅(qū)動器相比，可減少接地反彈并消除直通電流。減小的電壓擺幅（僅±350mV，而正參考發(fā)射極耦合邏輯PECL為±800mV，RS-2為±422V）使LVDS能夠?qū)崿F(xiàn)與PECL相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)速率（>800Mbps），同時(shí)功耗僅為十分之一。這種高速、低功耗和低噪聲的組合使LVDS成為3G基站中分配的理想信令標(biāo)準(zhǔn)。

圖1.與其他差分信號標(biāo)準(zhǔn)中使用的電壓模式驅(qū)動器相比，使用電流導(dǎo)引輸出配置的LVDS驅(qū)動器可減少接地反彈。LVDS驅(qū)動器還消除了擊穿電流。

除了上述優(yōu)點(diǎn)外，LVDS串行器和解串器還將為基站設(shè)計(jì)節(jié)省大量空間和成本。為了滿足3G網(wǎng)絡(luò)所需的帶寬，與2G系統(tǒng)相比，新基站需要更多的卡。對于執(zhí)行擴(kuò)頻、交錯(cuò)和錯(cuò)誤控制技術(shù)所需的大量數(shù)字信號處理的基帶卡尤其如此。隨著這些卡之間的數(shù)據(jù)吞吐量增加，傳統(tǒng)的TTL背板將不再足夠。TTL不能以足夠高的速度進(jìn)行切換，而寬并聯(lián)總線需要大而昂貴的背板，這增加了系統(tǒng)尺寸和成本。MAX9205串行器和MAX9206解串器通過將11條TTL線路（10條數(shù)據(jù)+1條時(shí)鐘）轉(zhuǎn)換為一對高速LVDS來解決這個(gè)問題（圖2）。這種方法將互連復(fù)雜性降低了五倍。在3G系統(tǒng)等卡數(shù)較多的基站中，這兩種設(shè)備可節(jié)省大量空間和成本。

圖2.LVDS串行器與解串器（未顯示）結(jié)合使用，消除了使用標(biāo)準(zhǔn)TTL信令時(shí)所需的寬數(shù)據(jù)總線和相關(guān)的大型昂貴背板。此外，這些LVDS電路以3G網(wǎng)絡(luò)所需的速度切換。

MAX9205串行器將10位寬、并行LVTTL/LVCMOS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為LVDS串行數(shù)據(jù)流。內(nèi)部添加的高狀態(tài)起始位和低狀態(tài)停止位對10位并行輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行框架處理，并確保串行數(shù)據(jù)流中的轉(zhuǎn)換。因此，每個(gè)12位并行輸入傳輸10個(gè)串行位。MAX9205接受16MHz至40MHz的寬參考時(shí)鐘，產(chǎn)生192Mbps （12位x 16MHz）至480Mbps （12位x 40MHz）的串行數(shù)據(jù)速率。但是，由于只有10位來自輸入數(shù)據(jù)，因此實(shí)際吞吐量是參考時(shí)鐘頻率的10倍。MAX9206解串器接收MAX9205的串行輸出，并將其轉(zhuǎn)換回10位寬的并行數(shù)據(jù)。由于解串器從串行數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，因此消除了并行總線時(shí)存在的時(shí)鐘到數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)的偏斜。MAX9205和MAX9206共同構(gòu)成減少卡間互連的完整方案。

將這些功能劃分為兩個(gè)IC，而不是單個(gè)集成SerDes，非常適合通常采用單向鏈路的3G基站。例如，基帶接收卡可能專用于對從無線電收發(fā)器卡接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行信號處理。使用此處描述的方法，基帶卡上只需要反序列化。因此，與獨(dú)立解串器相比，集成 SerDes 會消耗額外的空間并增加成本。

在已經(jīng)采用串行背板的基站中，LVDS多端口中繼器可以進(jìn)一步減少電路板空間和成本。大多數(shù)基站架構(gòu)包含必須將其數(shù)據(jù)廣播或傳輸?shù)蕉鄠€(gè)目標(biāo)卡的卡。例如，許多系統(tǒng)并行使用多個(gè)基帶卡來處理來自單個(gè)無線電收發(fā)器卡的接收數(shù)據(jù)。這種架構(gòu)的暴力實(shí)現(xiàn)要求無線電卡包含與目標(biāo)基帶卡上的解串器一樣多的串行器（圖 3a）。通過使用多端口中繼器，如MAX9150，串行器數(shù)量可減少多達(dá)10：1（圖3b）。當(dāng)與單個(gè)串行器配合使用時(shí)，MAX9150僅用一個(gè)串行器代替10個(gè)串行器。此架構(gòu)僅對指定具有足夠低抖動的多端口中繼器有效。抖動是與事件或信號邊沿理想時(shí)序的偏差，會阻止解串器成功從串行位流中恢復(fù)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。典型LVDS串行器/解串器對的抖動預(yù)算可低至幾百皮秒。信號路徑中的走線、電纜和連接器引起的抖動進(jìn)一步降低了該預(yù)算。因此，串行器和解串器之間的信號路徑中的其他器件必須表現(xiàn)出極低的抖動。MAX9150僅保證120ps （最大值）的峰峰值抖動。

圖 3a.當(dāng)多個(gè)基帶卡處理從無線電收發(fā)器卡接收的數(shù)據(jù)時(shí)，無線電卡通常包含與目標(biāo)基帶卡上的解串器一樣多的串行器。

圖 3b.通過使用像MAX9150這樣的多端口中繼器，無線電收發(fā)器卡上的串行器數(shù)量可以減少多達(dá)10：1。

在高速串行信號路徑的其他部分，基站架構(gòu)通常需要簡單的開關(guān)、多路復(fù)用和重復(fù)功能。與多端口中繼器示例一樣，這些功能必須在對抖動預(yù)算影響最小的情況下提供。MAX9152 2x2 LVDS交叉點(diǎn)開關(guān)在一個(gè)封裝中提供多種功能。它包括兩個(gè)LVDS/LVPECL輸入、兩個(gè)LVDS輸出和兩個(gè)邏輯輸入，用于確定哪些輸入連接到IC內(nèi)部的哪些輸出。它可以被編程為將任何輸入連接到一個(gè)或兩個(gè)輸出。它可用于以下配置：2x2 交叉點(diǎn)開關(guān)、2：1 多路復(fù)用器、1：2 解復(fù)用器、1：2 扇出緩沖器或雙中繼器。這種靈活性使MAX9152非常適合用于容錯(cuò)保護(hù)切換、用于診斷的環(huán)回切換、用于數(shù)據(jù)分配的扇出緩沖以及用于長距離通信的信號再生。MAX9152的超低120ps （最大值）峰峰值抖動確保高速串行鏈路中的可靠通信。

在低速信號路徑中，如時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)和控制總線，LVDS還通過取代TTL和RS-422等舊信號標(biāo)準(zhǔn)來提高性能。在對輻射噪聲具有高靈敏度的基站無線電收發(fā)器卡中，LVDS是分配PLL頻率合成器使用的參考時(shí)鐘的理想信號標(biāo)準(zhǔn)。雖然這些電路不需要LVDS的速度（基站參考時(shí)鐘通常工作在幾十MHz），但它們受益于LVDS的低功耗和低輻射噪聲。用于仲裁、握手和卡間其他外設(shè)通信的低速控制總線也受益于LVDS的噪聲和功耗降低。電平轉(zhuǎn)換器僅用于在LVTTL/LVCMOS和LVDS之間轉(zhuǎn)換信號，為構(gòu)建LVDS時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)和控制總線提供了一種簡單的方法，可以從現(xiàn)有的LVTTL/LVCMOS設(shè)計(jì)中控制總線。Maxim的單線、雙線和四線驅(qū)動器和接收器系列是此類網(wǎng)絡(luò)的理想構(gòu)建模塊，因?yàn)樗鼈儼ㄒ恍┳钚〉模⊿C70和SOT23封裝）和最低的脈沖偏斜器件。（脈沖偏斜是這些器件抖動的主要指標(biāo)。

總結(jié)

通過利用LVDS在時(shí)鐘分配、控制總線、背板和其他高速信號分配領(lǐng)域的優(yōu)勢，3G基站可提供更高帶寬的無線服務(wù)，而無需相應(yīng)增加成本、尺寸和功耗。本文討論的產(chǎn)品不僅通過LVDS信令標(biāo)準(zhǔn)提供這些優(yōu)勢，而且還通過它們支持的架構(gòu)和拓?fù)涮峁┻@些優(yōu)勢。毫無疑問，全面熟悉LVDS技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用對于任何開發(fā)下一代蜂窩基站的工程師來說都是必不可少的。

審核編輯：郭婷