通过低电压差分信号(LVDS)传输高速信号_基站/无线基础结构 高速_中国百科网
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通过低电压差分信号(LVDS)传输高速信号_基站/无线基础结构 高速
低电压差分信号(LVDS)非常适合时钟分配、一点到多点之间的信号传输。本文描述了使用LVDS将高速信号分配到多个目的真个方法。
在一个数字系统中，当各个子系统需要相同的参考时钟源协同工作时，时钟分配非常重要。例如，一个基站的数字信号处理单元(DSP)，在大部分应用中，必须由射频处理单元同步。由锁相环(PLL)产生所需的本振频率，通过模/数转换器锁定到时钟中心频率上。同时，当应用系统中包含射频接收回路时，时钟(包括信号部分)必须尽可能降低传输过程中的电平辐射，使用较低的电平以避免干扰。
将高速信号传输到不同目的端时，可以采用多种策略；在这些方案中有两种极AC端形式：一、用1个源/驱动器驱动所有目标端(称为多节点传输)；二、每个目标端使用独立的源/驱动器(称为多路点到点传输)。图1展示了利用两种不同技术的传输方案的区别。在多节点传输方式中，需要一个具有足够驱动能力的驱动器来驱动所有负载和传输介质(电缆、连接器、背板等)。差分总线通常在最后一个接收器处根据特性阻抗进行终端匹配。必须努力使总线上的各支路尽可能短，以避免影响信号的完整性。在电路板布线密度日益进步的今天，有些情况下很难控制分支长度。
图1. 多节点信号传输答应在单个发送器与多个接收器之间通讯，而多路点到点传输方式无需调整分支回路，消除了分支回路的潜伏干扰题目。
相应地，多路点到点传输方式使用了多个驱动器，只需明确点到点操纵模式，每个驱动器只与单个接收器通讯。采用这种设计架构可以避免信号完整性题目，确保传输介质的阻抗尽可能一致。
下面将要先容的一款低抖动10端口LVDS转接器MAX9150可以用于多路点到点信号传输。
MAX9150 LVDS转接器
MAX9150适用于对电源功耗、电路板空间以及噪声要求苛刻的高速数据或时钟传输应用。图2中的IC能够接收1路LVDS信号，并将其驱动至10路LVDS输出。
图2. MAX9150 LVDS转接器可以将接收到的输进信号驱动至10路输出，MAX9110则将其输进真个CMOS信号转换成差分信号，MAX9111将各自的LVDS差分信号转换成CMOS电平信号。
MAX9150的输进端可以接受幅值最小100mV、最大1V的差分信号，要求输进信号电平在0至2.4V范围内。输出端采用电流激励产生5至9mA电流输出。由于MAX9150输出电流信号，输出信号的差分电平范围由外部终端电阻的阻值决定，每个差分输出端设计为驱动50Ω负载，答应在两端采用100Ω匹配的传输线上以点到点方式传输信号。器件具有120ps抖动(随机性和确定性)，应用于对时序误差敏感的高速互联系统可保证通讯的可靠性，尤其是编码信号中嵌进的时钟信息。高速开关确保400Mbps的数据传输速率和小于100ps的通道间偏差。MAX9150工作电源为3.3V，当传输信号为400Mbps时最大电流消耗为160mA。通过低功耗关断模式，可以将电源电流降低到60μA。当没有输进驱动或出现开路、终端电阻失效或短路时，器件内的失效保护电路可以将输出端置为高电平。
表1夸大了MAX9150的关键参数。
表1. MAX9150的抖动指标
Differential Propagation Delay
Total Peak-to-Peak Jitter
Differential Output-to-Output Skew (same device)
Rise/Fall Time
Maximum Input Frequency
400Mbps minimum
Maxim的其它LVDS器件
表2列出了Maxim公司的一些LVDS器件，这些器件可以与MAX9150配合使用，也可以单独使用。图2给出了其中两种器件与MAX9150配合使用的例子。在这个应用中，MAX9110将CMOS电平转换为LVDS信号提供给MAX9150，在传输线终端，采用SOT23封装的MAX9111接收器将LVDS信号重新转换到CMOS电平。
表2. Maxim提供数目众多的LVDS IC，包括接收器、驱动器、转接器、交叉开关、总线串行器等
Single/Dual LVDS Line Receivers with Ultra-Low Pulse
Skew in SOT23
Single/Dual LVDS Line Drivers with Ultra-Low Pulse Skew
Low-Jitter, 10-Port LVDS Repeater
Single LVDS Line Receiver in SC70
Quad LVDS Receivers with Flow-Through Pinout and Integrated
Termination
Quad LVDS Line Driver
Quad LVDS Line Receivers with Integrated Termination
800Mbps LVDS/LVPECL to LVDS Crosspoint Switch
Bus LVDS Serializers
当信号传输速率达到数十到数百MHz时，相对于TTL信号传输方式，LVDS器件通常是一个更好的选择。其差分特性从根本上增强了抗共模干扰能力，而且降低了噪声。与其它传输方式(如ECL、CML等)相比，低功耗也是该传输方式的一个特色，当然，电路的总体功耗通常取决于所选择的端接技术。基于LVDS技术的集成电路适用于很多应用，包括时钟分配、高达400MHz以上的串行数据信号传输等。上述Maxim的LVDS器件在传输这些信号时，仅产生很低的相位抖动和少量的功耗，具有极低的干扰。这里展示了两种信号传输方式：多节点传输和多路点到点传输方式。每种传输方式都有自身的优点和缺点。
MAX9150芯片构成了高速数据或时钟分配系统的核心，其它LVDS器件(如单路/多路驱动器等)用于完成电路的特定功能。Maxim也同样提供LVDS交叉开关、总线串行器等。
单/双路LVDS线驱动器，提供超低差分偏移，SOT23封装
单/双路LVDS线接收器，提供超低脉冲偏差，SOT23封装
单路LVDS线接收器，SC70封装
四路LVDS线接收器，内部端接，引脚按信号流向排列
四路LVDS线驱动器
四路LVDS线接收器，内部端接
低抖动、10端口LVDS转发器
800Mbps、LVDS/LVPECL至LVDS、2 x 2交叉点开关
10位、总线LVDS串行器
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Mail: Copyright by ；All rights reserved.精彩文章推荐HDwire-取代LVDS的终极方案
TranSwitch所研发的HDwire提供了一个可替代LVDS 的先进方案。HDwire使用进阶的信
号技术，可以用低价且简单的扁平取代多条LVDS缆线。这项技术预计能以少量线材和更简易的系统设计简化面板的相互连接方式。
HDwire接口可包含多达12条、每一条可支持5.0Gpbs的顺向信息信道，和可支持1.25/2.50Gpbs的可选用的反向数据信道。这个接口可以支持每个色彩12位、分辨率4K x 2K、更新频率120Hz(53.5Gpbs)，以及每个色彩12位、分辨率8K x 4K、更新频率30Hz(53.5Gpbs)的显示面板。HDwire提供比其它技术更低的,因此不只简化系统设计还能降低成本。HDwire被设计为可透过FR4 FPCB、FFC软排线和现有的标准缆线，在使用最低功耗、低位错误率(BER)的情况下即可让超高速影像运作。
图3:HDwire系统应用
当我们拿HDwireTM和LVDS解决方案相比，只需要一半频宽(1080p、240Hz、 12位色彩产出、26.7Gbps)的HDwireTM接口，其简单及具成本效益的优势就变得更明显了。
图4:针对Hz电视(SoC板附画面频率变频器)的LVDS解决方案
HDwireTM有一项比LVDS更佳的优势，它的连结包括一条高速反向频道，可以自Tcon板将数据传送到SoC板。一般这个功能是透过使用I2C执行，但是这个通讯协议的频宽量有限，每秒只有数个兆位。HDwireTM采用的反向信道是以和顺向信息信道相同的技术为基础，数据传输速率可达到1.25/2.5Gbps.这个高速反向连结有许多用处，例如可以用来将电视前框上的照相机连接到应用处理器，可以让整体视讯会议的流程更顺畅。触控面板的资料也可以透过反向信道传送，让使用这种新兴功能变的更简单。
使用更便宜的缆线
HDwire技术的关键优势之一就是它可以透过低成本的缆线完成高速的信号传输。排除对高成本LVDS排线的需求，使得HDwire解决方案省下不少成本。TranSwitch的技术展示是使用软排线(FFC)作为高速媒介，HDwire的设计可以透过这种最长达1公尺的简单线材运作。FFC和线材端子的相加成本比具备相同效用的LVDS成本要低很多，不需要降低任何最新款屏幕必备的高分辨率画质就能轻易省下这些成本。
维持低功耗
随着消费者的环保意识日渐增加，电视的消耗功率现在也变成前所未见的热门话题。屏幕尺寸的增加，加上实际的显示技术，意味着现在购买新电视时，屏幕的消耗功率变成一个重要的考量因素。能源之星(Energy Star)在他们最近将于2012年5月发表的规格中(版本5.0)，将32嫉缡拥目弊畲蠊β氏拗莆55W,而50嫉缡釉蚴108W(相较之下，版本3.0的数字高达120W和353W)。这表示在分配系统的功率限额时，电视中的每个电路都会受到严密的检查。
幸好，HDwire技术的功率消耗本来就很低。此设计使用预驱动器，以比不归零编码(NRZ)还低的频率运作，可减少讯号源的功率消耗。这会帮助减少二重像和缆线辐射。此外，采用的讯号传输方法是使用多重讯号层，多数讯号是在低于完全电压的层产生的。这也更加降低了系统的功率消耗。
反向信息信道
除了顺向数据频道之外，HDwire还了反向数据信道，可将数据从面板传送到SoC.此信道可以1.25/2.50Gbps的速度运作，是将整合在电视面框上的相机连接到应用处理器的理
想导管。这个反向信道比目前大多数电视使用的独立I2C连结更具优势，因为它的速度远远超过一个I2C连结可提供的少量的Mbps.此外，因为它是和现有的设计和缆线整合在一起
,因此反向信道可节省额外成本并降低复杂度。
除了HDwire单纯功能上的优点之外，这项技术在(EMI)的也大大的改善。EMI是发射出来的辐射电场。它是因为生产缆线时的小瑕疵所造成的，却会对电视设计者造成大问题。发射出的干扰会造成电视机内部的电路以及邻近的电器受到干涉。因此，降低EMI成为CE产品的关键要求也就不令人意外了。
一条双绞线共享讯号发射出的辐射电场强度可以下列公式表示：
　　E =从距离线材R的位置测出的电场强度[V/m]
f = 共享电流零件的正弦波频率[Hz]
Icomm = 共享电流[A]
Len = 散发辐射的双绞线长度[m]
R =从线材到电场量测位置的距离[m]
因为线材不是完美的(例如，差分对内延迟差)，差动发射讯号造成共享讯号(SCD11)。差动发射漏电至到共享讯号，可以透过散射参数SCD11, SCD22 , SCD21 和 SCD12量测出来。根据前述公式，共模讯号辐射成为共模讯号的EMI.共模讯号的EMI比差模讯号的EMI更强，在EMI量测中更加重要。
HDwireTM使用先进的信号传输技术，和其它技术使用的不归零编码(NRZ)相比，EMI可大幅降低。分析显示，和NRZ相比，EMI辐射可降低约5.5dB,降低对抑制EMI技术的需求，也可以帮助简化电视设计。EMI辐射和发射器频谱及频宽具有等比例的关系，HDwireTM的EMI表现改善可以归因为以下几项重要因素：
- 信号传输频宽比NRZ少
- 功率强度比NRZ低
- 升/降时间比NRZ慢
下图说明EMI的改善成果
图5:HDwire EMI表现与NRZ EMI表现之比较
为了判定EMI成果，首先必须要使用分析仪量测一般双绞线的S参数。这个S参数会使用在Matlab的仿真中，以决定产生共模EMI的差模-共模讯号的效用。从上图中可看出结果显示HDwire信号传输在关键的2.5GHz-3.5GHz频率产生非常少的EMI.
HDwire成本优势
HDwire优于LVDS的技术优势已经在前述文章中详加讨论过了。不过，许多电视制造商感兴趣的是转换到这项新技术可省下的成本。下图显示出一台4Kx2K电视的HDwire和LVDS的一般生产成本的比较。
图6:使用HDwire的4K电视系统的节省成本
确切减少的成本无疑地是取决于许多变量(例如数量)，但是上述图标可用来说明哪些部份可省下成本。使用HDwire桥接IC结合现有的SoC和Tcon芯片可以减少多达一半的零件成本。 不过，当个别整合HDwire发射器和接收器IP(智能财产权)核心在SoC和Tcon时，可能省下的成本会大大地增加。
HDwire特色功能列表
下图是HDwire桥接IC技术的部份关键特色(图标为接收器)：
- 整合6条顺向信息信道(可扩充至12条)，每条信道传输率5Gbps,以及1条反向信息信道
- 支持最大达100cm的FPCB,BER低于10-12
- 符合显示面板的大范围像素时脉
- 支持60Hz、120Hz和240Hz的面板更新频率
- 异步HDwire输入和4信道LVDS输出- 虚拟随机模式产生电路(PRBS)
- 支持低摆幅LVDS以降低EMI和功耗- 整合8051 MCU和RAM及ROM- 功率下降模式
图7: HDwire电路图及特色表
HDwire系统
下图8说明一般的HDwire系统，显示如何将HDwire桥接IC整合到现有的板子设计中以支持此新接口。
图8: 一般使用桥接IC的HDwire系统
TranSwitch的HDwire产品也可以透过智能财产权(IP)核心的方式提供。让SoC和Tcon厂商可以将此新技术整合到他们的IC中，代表这些装置可以供应给内含HDwire的电视/面板制造商。如此的整合方式带来的成本优势及附加价值对生产商将会非常有益。
竞争力分析
既然已知LVDS的限制，那么出现其它与LVDS竞争的技术也就不足为奇了。以下是作者写作本文时为作者所知的可替代LVDS的技术：
\ V\by\One / V\by\One HS
V-by-One / V-by-One HS
V-by-One是由Thine电子公司研发的技术，用以取代LVDS.虽然目前V-by-One的市场占有率还很小，但是已经有一些电视制造商转换到这个相对新的技术。是其中一个制造商，他们在2011年宣布改用V-by-One.
Thine意识到显示器格式需要更大的频宽，在2011年12月发表V-by-One 的1.4版 V-by-One HS.此规格的HS版本支持最高4Gbps数据传输率(有效传输率3.2Gbps)。
这项技术的关键特色如下：
&可扩充顺向资料和时脉的Serdes组(序列器/解除序列器)数量，目前IC支持2条顺向信道。
&支持最高4K x 2K、更新频率240Hz、每个色彩12位(使用于多个IC上的32条信道)
&嵌入式时脉，接收器不再需要参考时脉。
嵌入式DisplayPort(eDP)是VESA推出的以DisplayPort标准为基础的技术，用以取代LVDS.1.0版本于2008年12月推出，2011年2月发表1.3版本。eDP似乎是在笔电市场较有进展，在电视领域好象不太成功。
这项技术的关键特色如下：
&支持最高顺向信道的4组Serdes及时脉，每组传输速率5.4Gbps(有效数据传输率为每组4.3Gbps)。
&有1条做为控制功能使用的1Mbps的回传信道
&目前支持的最大面板分辨率为8位4Kx2K@60Hz.
iDP(内部DisplayPort)是另一个VESA标准，此规格的版本1于2010年4月发表，用以取代LVDS.此技术是以简化的DP通讯协议为基础。
iDP的关键特色如下：
&每条信道数据传输率固定为3.24Gbps
&没有AUX信道
&嵌入式时脉(8B10B编码)
&弹性频宽(每数据库最多16组，可超过1个数据库)
&根据VESA网站资料显示，iDP是以大型屏幕显示器内的连接为目标，而eDP则是针对笔记型的GFx和面板间的连接。
自从iDP标准在2010年第一次发表之后，就没有其它新版本继续发表。而且 Micro网站上和iDP有关的最新新闻发布是2010年11月(LVDS-iDP
ICs)。因此，这项技术看来似乎是已经暂停了。
下列表为和LVDS相关的每项技术的比较表
表：面板互相连接之技术比较
HDwire的每个IC总计有30Gbps的原始频宽(多芯片结构可扩充至60Gbps)，提供比其它任何竞争者更多的产量。在同类型技术中，反向影像资料信道是一个独特的特色，让HDwire增添更多产品价值。使用嵌入式时脉，不需要在接收器中使用振动器，所有缆线中的排线都用来传输资料，因此可减低传输的固定成本并简化接收器时脉结构。
TranSwitch HDwire产品线
为了要满足面板连接的不同选择，TranSwitch研发了一系列的HDwire产品以符合CE产业的需求：
-HDwire发射器桥接IC,用于SoC板
-HDwire接收器桥接IC,用于Tcon板
-HDwire发射器IP核心，用于整合SoC IC
-HDwire接收器IP核心，用于整合Tcon IC
上述每项产品都提供相同的基本功能，也就是：
-支持多达6条顺向信息信道(可扩充至12条)，每一条信道有5Gbps的原始数据传输率
-单一反向数据传输，传输率1.25/2.50Gbps.
-低EMI辐射
-支持FR4 PCB、FFC软排线和现有的标准线材
HDwire技术展示
TranSwitch在2012年CES展出他们的解决方案，也可以透过预约的方式于公司位于以色列的研发中心体验这项新技术。展示是使用TSMC 65nm制程的HDwireTM模拟芯片和Xillinx FPGAs数字设计，可透过单一条8线的FFC缆线运作4个1080p-60Hz影像输入源。此设定等同于4Kx2K-60Hz位率的显示器，足以说明HDwire可以轻松为下一世代的电视降低成本和复杂性。
图9:HDwire技术展示
随着更高分辨率的电视和播放格式的推出，对于可取代LVDS的需求已明显增加。这些播放格式所需要的频宽表示需要多条LVDS排线，因而增加了电视的生产成本。目前市场上有不少互相连接技术，但TranSwitch的HDwire解决方案提供无可匹敌的位率，结合了具附加价值的特色和杰出的EMI表现。HDwire可以透过单一低价缆线运作，是真正能取代LVDS的终极解决方案。
& &来源：电子工程网
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