自適應均衡器在LVDS息線(xiàn)長(cháng)距離傳輸中的應用

摘要 自適應均衡囂可自為信號損耗提供補償，使電纜傳來(lái)的串行數字信號可以重新恢復其原有強度。利用這一特點(diǎn)，采用高速串行數字接口(SDI)自適應電纜均衡器廈電纜驅動(dòng)器芯片構建系統，可以擴大I，VDS技術(shù)的數據傳送范圍，以滿(mǎn)足高速率條件下長(cháng)距離傳送的要求。詳細介紹自適應電纜均衡器CLCO12的結構和工作原理；給出以Belden型同軸電纜和五類(lèi)未屏蔽雙絞線(xiàn)為載體進(jìn)行實(shí)驗的結果。
關(guān)鍵詞 自適應均衡器 CLCO12 電纜驅動(dòng)器 BLVDS

引 言
隨著(zhù)各式各樣接入通信設備的應用，數據傳輸的需求急劇增加。系統設計工程師所設計的電路系統，必須支持數據的高速率傳輸。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(chēng)ANSI/TIA/EIA一644總線(xiàn)，是20世紀90年代才出現的一種性能優(yōu)良的數據傳輸和物理層接口技術(shù)，為系統提供了高速數據傳輸、抑制共模噪聲及降低功耗的能力。利用這種技術(shù)，可以設計數據傳輸系統，以確保能夠支持千兆位以上的數據傳輸。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據，可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)或一點(diǎn)對多點(diǎn)的連接；具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點(diǎn)。其傳輸介質(zhì)可以是銅質(zhì)的PCB連線(xiàn)，也可以是平衡電纜。LVDS在對信號完整性、低抖動(dòng)及共模特性要求較高的系統中得到了越來(lái)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(xiàn)式低電壓差分信號傳輸(BLVDS)技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是，確保利用低電壓差分方式傳輸的信號，可獲雙向及多站(開(kāi)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)可以支持數據的高速率傳輸，且功耗遠比同類(lèi)技術(shù)低，因此漸漸成為廠(chǎng)商普遍采用的差分接口標準。市場(chǎng)上的很多產(chǎn)品都需要在低功耗的操作環(huán)境下進(jìn)行高速率數據傳輸，而采用LVDS技術(shù)，可以確保所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品能夠支持高達數百Mbps的數據傳輸速率。有一點(diǎn)要注意的是，IVDS的出現雖然滿(mǎn)足了短距離傳輸條件下數據高速傳輸的要求，但傳統的IVDS不能支持長(cháng)距離傳輸。具體就是，I。vDs串行／解串器接口可以驅動(dòng)，但電纜的長(cháng)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(wèn))，最長(cháng)則不超過(guò)幾米；但目前許多系統都需要具有長(cháng)距離傳送數據的能力，以確?？梢岳瞄L(cháng)達幾百米以上的電纜傳送數據。對于系統設計來(lái)說(shuō)，電纜加長(cháng)之后，便要解決多個(gè)長(cháng)距離傳送的設計問(wèn)題。本文主要討論如何擴大IVDS技術(shù)的數據傳送范圍，以滿(mǎn)足長(cháng)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，采用高速串行數字接口自適應電纜均衡器及電纜驅動(dòng)器芯片。

1 傳輸系統結構
同軸電線(xiàn)和雙絞線(xiàn)是應用很廣泛的信號傳輸載體，同時(shí)也是有損耗的傳輸線(xiàn)。對信號的傳輸損耗與信號頻率的平方根成正比，會(huì )使信號產(chǎn)生失真和畸變，引起數字碼元間的串擾。因此信號在傳送過(guò)程中都會(huì )出現大幅衰減，衰減程度取決于數據傳輸率(頻率)及電纜長(cháng)度。經(jīng)由電纜傳送的低電壓差分信號也會(huì )同樣出現衰減情況，因此這類(lèi)信號只適用于短距離的傳送。

若采用沒(méi)有信號調節功能的LVDs芯片，電纜的長(cháng)度一般不能超過(guò)幾米；但這些系統只要采用設有驅動(dòng)器預加重功能和接收器均衡功能的LVDS集成電路，電纜的長(cháng)度便可最多到數百米。采用LVDS接口芯片的系統如果必須進(jìn)行長(cháng)距離的數據傳送，便應采用專(zhuān)為驅動(dòng)較長(cháng)電纜而設的芯片，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，以及串行數字接口電纜驅動(dòng)器/均衡器芯片組，驅動(dòng)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(lèi)產(chǎn)品)以及串行數字接口電纜驅動(dòng)器/均衡器芯片組(比如CLC001和CLC012，現在國家半導體又推出了一系列這類(lèi)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，有助降低系統成本。此外，串行/解串器還可充分利用低電壓差分信號傳輸的優(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(jiǎn)單的終端設計。

在利用10位的LVDS串行/解串器以及串行數字接口電纜驅動(dòng)器/均衡器芯片組驅動(dòng)，經(jīng)由雙絞線(xiàn)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(gè)區別，就是R1～R6的電阻值。這些電阻值的大小由實(shí)驗決定。只要調控電阻值，便可將信號調節至最理想的均衡狀態(tài)。

圖2中的電纜接收器CLC001為高速驅動(dòng)器，可驅動(dòng)同軸電纜和雙絞線(xiàn)。它采用差分輸入和差分輸出，經(jīng)交流耦合驅動(dòng)同軸電纜。傳輸的信號再經(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的典型驅動(dòng)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(lái)自傳輸線(xiàn)路的共模噪聲．此外，LVDS驅動(dòng)器及接收器可以帶電插入，因為恒流式驅動(dòng)不會(huì )對系統造成任何損害。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振蕩。

2 自適應電纜均衡器的作用
經(jīng)電纜長(cháng)距離傳送的信號都會(huì )出現衰減現象，但只要采用串行數字接口電纜驅動(dòng)器/接收器芯片組，便可避免信號衰減。Comlinear公司的CLC012是負責執行這個(gè)任務(wù)的豐要芯片，其主要工作是均衡電纜傳送的信號。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(xiàn)(或具有類(lèi)似色散損耗特性的介質(zhì))上傳輸的數據提供了一個(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據流的再生。它能自適應地對不同長(cháng)度的電纜和雙絞線(xiàn)進(jìn)行均衡，均衡的長(cháng)度從0 m到相當于對信號在200 MHz時(shí)衰減40dB的長(cháng)度，即300m的Belden型同軸電纜或。120 m的五類(lèi)未屏蔽雙絞線(xiàn)。均衡器可對50 Mbps～650 Mbps；范圍內的數據流進(jìn)行均衡。

CLC012內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(cháng)度成正比的電壓信號，這一單元接收來(lái)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(lái)構成這一控制信號。伺服環(huán)路響應由接在A(yíng)EC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(xiàn)長(cháng)度近似成正比。當這一電壓值超過(guò)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(guò)200 m同軸電纜傳輸的270 Mbps的數據流，其抖動(dòng)的典型值為180 ps。這一優(yōu)越的性能為數據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(cháng)度的電纜進(jìn)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(shí)可以在沒(méi)有信號輸入時(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測輸出OEM，便于觀(guān)察均衡效果。

在整個(gè)防止信號衰減的過(guò)程中，CLC012均衡器是串行數字接口中最重要的元件。它的任務(wù)是從表面上無(wú)價(jià)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(cháng)，例如長(cháng)達300 m的優(yōu)質(zhì)同軸電纜(Belden8281)或長(cháng)達120 m的5類(lèi)無(wú)屏蔽式雙絞線(xiàn)電纜(這樣的長(cháng)度足以令所傳送的200 MHz信號出現40 dB的衰減)，均衡器芯片都可自動(dòng)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(lái)的串行數字信號可以重新恢復其原有強度。圖4以眼圖(eye pattern)方式說(shuō)明不同傳輸速率下均衡前后的效果。

3 系統設計與傳輸性能指標
LVDS系統的設計，要求設計者具備超高速單板設計的經(jīng)驗并了解差分信號的理論。對于利用LVDS串行/解串器及串行數字接口芯片進(jìn)行長(cháng)距離數據傳送的通道來(lái)說(shuō)，以下的幾個(gè)建議有助提高數據傳送的性能：
◆按照LVDS接收器互連線(xiàn)路的阻抗大小，為CLC012芯片提供適當的負載。
◆采用屏蔽雙絞線(xiàn)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(huì )耦合到LVDS線(xiàn)上。
◆使LVDS驅動(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(lái)旁路LVDS設備，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(xiàn)，保持PCB地線(xiàn)層返回路徑寬而短。

另一點(diǎn)非常重要的是，差分線(xiàn)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(diǎn)是作者在實(shí)踐中付出慘重代價(jià)摸索出來(lái)的。
◆不要僅僅依賴(lài)自動(dòng)布線(xiàn)功能，應仔細修改以實(shí)現差分阻抗匹配并實(shí)現差分線(xiàn)的隔離。
◆盡量減少過(guò)孔和其他會(huì )引起線(xiàn)路不連續性的因素。
◆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(xiàn)，并且使差分線(xiàn)對離開(kāi)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(xiàn)對的長(cháng)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(xiàn)對內，兩條線(xiàn)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(xiàn)之間的距離應盡可能保持一致，以避免差分阻抗的不連續性。
◆避免將導致阻值不連續性的90。走線(xiàn)，使用圓弧或45。折線(xiàn)來(lái)代替。

4 傳輸系統結果分析

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(shí)鐘(DS92LV1021ATCLK)加以鎖定.數據傳輸率相當于利用200m電費傳送的480Mbps傳輸速度.測試結果顯示,這兩款電路在操作時(shí)并無(wú)誤碼出現.