數百Mbps數百米：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) 技術可以支持較高的數據傳輸速度，而且功耗遠比同類技術低，因此漸漸成為廠商普遍采用的差分接口標準。市場上很多產品都需要在低功率的操作環境下進行高速數據傳輸，只要采用 LVDS 技術，便可確保所開發的新產品能夠支持高達數百 Mpbs 的數據傳輸速度。

    我們現在甚至可以將 LVDS 技術整合到串行/解串器等集成電路之內。這個發展趨勢顯示，任何系統都可充分利用 LVDS 接口技術，以確保數據可在芯片之間、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。但目前許多系統都需要加強長距離傳送數據的能力，以確保可以利用長達 100 米以上的電纜傳送數據。對于系統設計工程師來說，電纜加長之后，他們便要解決多個長距離傳送的設計問題。本文主要討論如何擴大 LVDS 技術的數據傳送范圍，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字接口(SDI)自適應電纜均衡器及電纜驅動器芯片。

系統之間的信號傳輸

    串行電纜傳送系統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大幅衰減，衰減程度取決于數據傳輸率 (頻率) 及電纜長度。經由電纜傳送的低電壓差分信號也會同樣出現的衰減情況，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/解串器以及串行數字接口電纜驅動器/均衡器芯片組驅動經由同軸電纜傳送的信號。

    系統若采用沒有信號調節功能的 LVDS 芯片，電纜的長度一般不能超過幾米。但這些系統只要采用設有驅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 接口芯片的系統如果必須進行長距離的數據傳送 (數十米以至數百米)，便應采用專為驅動較長電纜而設的芯片，并將之搭配 LVDS 芯片一起使用，以便互相支持。圖 1 所示的便是這類系統的傳輸通道。

    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) 以及串行數字接口電纜驅動器/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的優點，例如卓越的抗噪音干擾能力、低功率操作、低電磁干擾、更寬松的退耦規定以及簡單的終端設計。圖2  圖中所示的通信通道利用 10 位的 LVDS 串行/解串器以及串行數字接口電纜驅動器/均衡器芯片組驅動經由雙絞線電纜傳送的信號。

    經由電纜長距離傳送而來的信號都會出現衰減現象，但只要采用串行數字接口電纜驅動器/接收器芯片組便可避免信號衰減。CLC012 是負責執行這個任務的主要芯片，其主要工作是將經由電纜傳送的信號均衡。在整個防止信號衰減的過程中，CLC012 芯片發揮極重要的作用。即使所用的電纜較長，例如長達 300 米的優質同軸電纜 (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 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字信號可以重新組構，恢復其原有強度。

    圖2 所示的是另一通信通道的結構框圖，圖中所示的 10 位 LVDS 串行/解串器及串行數字接口電纜驅動器/均衡器芯片組可通過雙絞線電纜傳送數據。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由實驗決定。我們只要調控電阻值，便可將信號調節至最理想的均衡狀態。

實驗結果

    圖 1 及圖 2 所示的電路均利用相關芯片的評估套件組建，并曾利用誤碼率測試儀加以測試。測試結果顯示，這兩款電路在操作時并無誤碼出現。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。數據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，對于直流均衡的數據來說，這個設計非常適用。但對于直流非均衡的數據來說，設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絡，網絡會衰減信號邊緣，以降低最高數據傳輸率。

    如何提高性能

    對于利用 LVDS 串行/解串器及串行數字接口芯片進行長距離數據傳送的通道來說，以下的幾個建議有助提高數據傳送的性能。

1. 應按照電纜阻抗的大小為 CLC001 芯片提供適當的負載。

2. 應利用 CLC001 RREF 及 R1 至 R6 等電阻調控電纜內各信號的電平，以便電纜可以發揮最高的均衡效果，以及為電纜提供適當的端接。

3. 應按照 LVDS 接收器互連線路的阻抗大小為 CLC012 芯片提供適當的負載。

4. 應盡量服從印刷電路板的布局布局 -- 詳細規定可參考有關芯片的數據表。

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據傳輸率，而且連接器阻抗必須可以調控

結語

    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，系統設計工程師都可利用 LVDS 串行/解串器驅動信號。這兩款電路都利用有關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，測試結果顯示整個傳送過程沒有誤碼出現。

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