高速LVDS收發(fā)器的設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

陳 權(quán)，章堅(jiān)武

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

在被稱為信息化時(shí)代的今天，數(shù)據(jù)傳送量越來越大，傳輸速度也越來越快;另外，隨著電子產(chǎn)品便攜式的發(fā)展，低功耗也成為了一個(gè)突出要求［1］。由于低電壓差分信號(hào)(Low-Voltage Differential Signaling，LVDS)傳輸技術(shù)可以支持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且功耗遠(yuǎn)比同類技術(shù)低，因此漸漸成為廠商普遍采用的差分接口標(biāo)準(zhǔn)［2］。本文提出了一種在5類雙絞線上高速傳輸LVDS信號(hào)的設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)方案。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在100m的5類雙絞線上傳送144Mbps傳輸速率，完成了LVDS發(fā)送器和接收器的設(shè)計(jì)。在發(fā)送器端，把FPGA(XC3S50AN)產(chǎn)生的144Mbps的LVDS信號(hào)以及72M頻率的LVDS時(shí)鐘信號(hào)(同步時(shí)鐘)送至驅(qū)動(dòng)器芯片clc001處以提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，然后通過5類雙絞線發(fā)送出去;在接收器端，把5類雙絞線上接收的信號(hào)通過均衡器芯片clc012做均衡補(bǔ)償，再把補(bǔ)償后的信號(hào)送至FPGA做接收。整個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)制板實(shí)現(xiàn)，采用1.2V/3.3V/5V的供電電壓，能夠達(dá)到在5類雙絞線上144Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本方案實(shí)現(xiàn)LVDS發(fā)送器和接收器的設(shè)計(jì)，采用FPGA和LVDS芯片作為主要芯片，達(dá)到遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在144Mb/s速度下傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸距離為100m，因此該設(shè)計(jì)主要解決的問題是延長傳輸距離。通常串行電纜傳輸系統(tǒng)采用同軸電纜或者雙絞線，但無論采用什么類的電纜，信號(hào)在傳輸過程中都會(huì)產(chǎn)生大幅度的衰減，衰減程度與數(shù)據(jù)傳輸率以及電纜長度有關(guān)。由電纜傳輸LVDS信號(hào)同樣也會(huì)產(chǎn)生衰減情況，因此信號(hào)只能傳輸較短的距離(一般只有幾米)。為達(dá)到百米雙絞線傳輸數(shù)據(jù)的目的，在傳輸鏈路中必須添加驅(qū)動(dòng)器芯片和均衡器芯片，以增強(qiáng)信號(hào)的完整性［3］。

本設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)傳輸由2路數(shù)據(jù)信號(hào)和一路時(shí)鐘信號(hào)組成，通過兩路數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，每路72Mb/s，同時(shí)傳輸時(shí)鐘信號(hào)使得接收端和發(fā)送端時(shí)鐘同步。由于驅(qū)動(dòng)器芯片clc001和均衡器芯片clc012均為單路差分輸入和單路差分輸出，因此需要用到3片clc001和3片clc012。硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件平臺(tái)框圖

發(fā)送器端采用Xlinx公司的FPGA(XC3S50AN)芯片，F(xiàn)PGA生成速率為144Mb/s的LVDS信號(hào)，然后將LVDS信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)器芯片clc001以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，最后通過5類雙絞線傳輸?shù)浇邮掌鞫?，在此過程中芯片clc001可增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，使其能在較長電纜上無失真?zhèn)鬏敗?/p>

經(jīng)由100m雙絞線傳送的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的衰減現(xiàn)象，在此clc012發(fā)揮了極其重要的作用。即使所用的電纜較長，例如長達(dá)300m的優(yōu)質(zhì)同軸電纜(Belden 8281)或長達(dá)120m的5類非屏蔽式雙絞線電纜(這樣的長度足以令所傳送的200MHz信號(hào)出現(xiàn)40dB的衰減)，均衡器芯片都可自動(dòng)為信號(hào)損耗提供補(bǔ)償，恢復(fù)其原有的強(qiáng)度［4］。

接收端的LVDS信號(hào)經(jīng)過均衡處理后送入FPGA(XC3S50AN)進(jìn)行接收，并把接收到的LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端CMOS信號(hào)。在圖1中可看到一組差分的時(shí)鐘信號(hào)通過雙絞線從發(fā)送端送至接收端，這組時(shí)鐘是同步時(shí)鐘，有了這組時(shí)鐘，在接收端可以直接通過采樣獲得數(shù)據(jù)，避免了異步數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)，使得verilog編程簡單化。

LVDS電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是阻抗匹配問題。一般一對LVDS信號(hào)之間并聯(lián)一個(gè)100Ω的電阻來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配［5］，在雙絞線連接處同樣也要設(shè)計(jì)好阻抗匹配電路，以減小信號(hào)反射。具體設(shè)計(jì)電路如圖2、3所示。

圖2 發(fā)送端clc001電路及阻抗匹配設(shè)計(jì)

圖3 接收端clc012電路及阻抗匹配設(shè)計(jì)

1.2 4B/5B 編碼

本設(shè)計(jì)方案發(fā)送數(shù)據(jù)采用4B/5B編碼方式。4B/5B編碼方案是把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成5位符號(hào)，供傳輸。這些符號(hào)保持線路的交流(AC)平衡;在傳輸中，其波形的頻譜最小。信號(hào)的直流(DC)分量變化小于額定中心點(diǎn)的10%。4B/5B編碼的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分組，每4bit看成一組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)5bit碼。5bit碼共有32種組合，但只采用其中的16種對應(yīng)4bit碼的16種，其他的16種或者未用或者用作控制碼，以表示幀的開始和結(jié)束等。4B/5B編碼提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。4B/5B編碼表如表1所示。

表1 4B/5B編碼表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

發(fā)送端由計(jì)算機(jī)通過串口輸入96位數(shù)據(jù)至FPGA，然后FPGA在這96位數(shù)據(jù)前加上24位數(shù)據(jù)頭，并將整個(gè)數(shù)據(jù)包循環(huán)發(fā)送出去;在接收端判決同步頭，如果正確，則接收同步頭后的96位數(shù)據(jù)并存入一個(gè)buffer中，然后計(jì)算機(jī)通過串口調(diào)試軟件讀取這個(gè)buffer中的數(shù)據(jù)，并與發(fā)送數(shù)據(jù)作對比，發(fā)現(xiàn)完全一致，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)如下:

若發(fā)送的96位數(shù)據(jù)為CF DC ED FE AF A9 C8 06 C2 AD 0F CC，接收數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 接收數(shù)據(jù)

若發(fā)送的96位數(shù)據(jù)為F0 F0 F0 F0 FF FF F0 F0 F0 F0 F0 F0，接收數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 接收數(shù)據(jù)

由以上實(shí)驗(yàn)可得接收數(shù)據(jù)完全正確。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證方案可行，能夠很好地滿足應(yīng)用要求。本設(shè)計(jì)方案用于CDMA2000高層室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于5類雙絞線遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖VDS收發(fā)模塊，在傳輸距離為100m，傳輸介質(zhì)為5類非屏蔽雙絞線的條件下，實(shí)現(xiàn)了144Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸，性能可靠穩(wěn)定。

［1］ 黃曉敏，沈緒榜.LVDS驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2004.

［2］ 王建軍，李少青，歐陽干.一種高速LVDS收發(fā)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與工藝學(xué)術(shù)年會(huì)，2007，(10):227－230.

［3］ 雷建武.高速LVDSI/O接口電路的全定制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.長沙:國防科技技術(shù)大學(xué)，2006.

［4］ Davor Glisic.數(shù)百M(fèi)bps@數(shù)百米擴(kuò)展LVDS的傳輸距離［J］.電子產(chǎn)品世界，2004，(21):123－124.

［5］ 謝詹奇.高速LVDS收發(fā)器的研究與設(shè)計(jì)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.