Характеристика технологии передачи информации дифференциальными сигналами малых напряжений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

LVDS означает передачу информации дифференциальными сигналами малых напряжений ( Low Voltage Differential Signaling ). Это направление передачи данных использует очень малые перепады дифференциального напряжения (до 350 мВ) на двух линиях печатной платы или сбалансированного кабеля.

Сегодня популярность дифференциального метода передачи с использованием сигналов низкого уровня (Low-Voltage Differential Signaling - LVDS) постоянно растет. Объясняется это достаточно просто: высокая скорость передачи при малых энергозатратах. Кроме того, компонентам LVDS-интерфейса присущи и такие достоинства, как возможность работы при низком напряжении питания, малые шумы, высокая помехоустойчивость, надежная передача сигналов и, наконец, пригодность этих усторойств к интеграции. Вот почему схемы LVDS-интерфейса находят спрос в любом секторе рынка, где требуются изделия с высоким быстродействием.

Совершенствование этой технологии позволило поддержать многоточечную шину и еще более снизить напряжение. Сегодня конструкторы систем могут выбирать как обычные LVDS-микросхемы, так и LVDS со скоростной многоточечной шинной архитектурой (Bus LVDS или LVDSM), а также микросхемы многоточечного полнодуплексного обмена информацией (Multipoint-LVDS - M-LVDS)*. Эти варианты LVDS-технологии достаточно часто применяются в одной системе. Правомерно ли такое сосуществование? Какие характеристики должны учитывать проектировщики, пытающиеся смешивать эти похожие, но, тем не менее, отличающиеся друг от друга LVDS-устройства?

По мере роста нашей зависимости от услуг цифровой техники увеличивается и объем обмена информацией, а требования к расширению полосы пропускания постоянно обгоняют выделяемые для связи диапазоны. Характеристики традиционных шинных иерархических структур совместного пользования и средств подключения, предложенных еще в 70-е годы прошлого столетия для быстродействующих ПК и встроенных систем связи, достигли предельных возможностей. И это несмотря на постоянное совершенствование полупроводниковых приборов. Следовательно, проблема не только в характеристиках компонентов, а и в ограничениях пропускной способности систем, - как старших, так и средних, и младших моделей.

Многие ведущие компании в стремлении решить эту проблему расширяют полосу пропускания за счет перехода к многоточечному формату и оптимизируют пропускную способность узлов сети. Но это не единственный путь решения проблемы. Появились и постоянно совершенствуются альтернативные решения, различие между которыми зачастую стираются. К таким решениям и относится LVDS-технология, предложенная компанией National Semiconductor еще в 1994 году. LVDS означает передачу информации дифференциальными сигналами малых напряжений (до 350 мВ) по двум линиям печатной платы или сбалансированному кабелю. Основные компоненты LVDS-интерфейса - источник тока (драйвер шины) номиналом 3,5 мА, нагруженный на линию передачи дифференциального сигнала сопротивлением 100 Ом, и приемник.

Поскольку входной импеданс приемника большой, для предотвращения отражений параллельно его входу включается 100-Ом резистор-терминатор, падение напряжения на котором при протекании тока линии составляет 350 мВ. В сравнении с обычными однопроводными системами дифференциальный метод благодаря ослаблению синфазного сигнала обеспечивает лучшую помехоустойчивость и, соответственно, работу при меньших значениях напряжения, меньшую потребляемую мощность, меньшую чувствительность к электромагнитным помехам и большую скорость передачи. К техническим ограничениям этой технологии относятся время установления сигнала передатчика, среда распространения сигнала и качество сигнала, которые зависят от системы, в которой эта технология применяется.



1. Интерфейс LVDS и его применение

1.1 Интерфейс LVDS

LVDS стала популярна в конце 90-х годов XX века. До того времени компьютеры были слишком медленны, чтобы требовать столь высоких скоростей передачи данных, используя для передачи данных большое количество проводников (см. напр. ATA). Однако, расширение использования мультимедиа и суперкомпьютеров привело к проявлению широкого интереса к данной системе, так как подобные системы нуждались в передаче больших объёмов данных на расстояния порядка нескольких метров.

LVDS используется в таких компьютерных шинах как HyperTransport, FireWire, USB 3.0, PCI Express, DVI, Serial ATA, SAS и RapidIO. Также поддерживается в SCSI, начиная с версии Ultra-2 SCSI для увеличения допустимых длин проводов и скоростей.

В последнее время среди всевозможных шинных и интерфейсных решений все чаще выделяют скоростной и достаточно неприхотливый интерфейс LVDS. Его применение позволяет достичь скорости передачи до 400-600 Мбит/c по одной паре, причем практически без применения всевозможных экзотических элементов. В этой статье рассматривается не только сам интерфейс LVDS, но и вопросы его применения, построения LVDS-каналов и интеграцию их в состав устройства. Причем основное внимание уделяется не предельным показателям, достигнутым в лабораторных условиях, а именно рекомендациям по проектированию реальных решений на основе доступных компонентов, которые могут быть применены в реальных устройствах, чтобы помочь разработчикам в решении проблем.

Проблема как передать данные из точки А в точку В существовала всегда. С развитием электроники она только расширилась и переросла в проблему как передать требуемый объем данных на требуемое расстояние с требуемой скоростью. Мощность устройств растет, скорость обмена и разрядность растут. Расстояние для скоростной шины уже давно является достаточно серьезной проблемой. Современные микросхемы и построенные на их базе устройства развивают все большую мощность и скорость обработки. С увеличением скорости и разрядности все острее встает проблема обмена данными как между микросхемами, так и между модулями в составе устройства. Существующие методы предлагали либо многоразрядные параллельные шины с достаточно "капризными" сигнальными системами, либо, в случае с междумодульным и междусистемным обменом -- всевозможные ухищрения, вплоть до дорогих оптических систем передачи.

Как вариант транспорта для межмодульного и межкорпусного обмена мы рассмотрим стремительно набирающий популярность интерфейс LVDS. Созданный как достаточно специфический стандарт обмена для подключения LCD-матриц в мобильных компьютерах, интерфейс LVDS показал себя недорогим и удобным решением. В его силах организация сверскоростного обмена между микросхемами на плате, минимизация количества линий за счет перевода из параллельной в последовательную передачу по LVDS, обеспечение скоростного межмодульного соединения на расстояние до нескольких метров по кабелю, организация скоростных шинных решений.

При этом LVDS-каналы не требуют каких-либо специфических и дорогостоящих материалов, а просто огранизуются на обычной печатной плате и работают по недорогим кабелям, таким как, например, широко известный и доступный кабель CAT5.

Интерфейс LVDS использует дифференциальную передачу сигналов с малыми сигнальными уровнями. На рис. 1 показана схема передачи одного канала LVDS. Передатчик управляет дифференциальной линией. В линию выдается токовая посылка с током 3,5 мА. Нагрузкой линии служат параллельно включенные дифференциальный LVDS-приемник и 100 Ом резистор. Сам приемник имеет высокое входное сопротивление, и основное формирование сигнала происходит на нагрузочном резисторе. При токе линии 3,5 мА на нем формируется падение напряжения 350 мВ, которое и детектируется приемником. При переключении направления тока в линии меняется полярность напряжения на нагрузочном резисторе, формируя состояния логического нуля и логической единицы.

Используемая схема передачи имеет целый ряд преимуществ.

LVDS-интерфейс имеет высокую скорость передачи данных. Определенная стандартом максимальная скорость составляет до 622 Мбит/с, что сравнимо с оптическим интерфейсом. При этом реальное быстродействие LVDS-канала ограничивается двумя факторами: скоростью подачи и съема данных и параметрами среды передачи.

Используемый дифференциальный метод передачи сигналов позволяет максимально снизить влияние внешних наводок. Малое изменение напряжения, симметричные линии передачи и низкое нарастание напряжения (1 В/нс) обусловливают малый уровень наводок от самого интерфейса. В свою очередь, малый уровень перекрестных наводок и низкая чувствительность к внешним наводкам позволяют использовать высокую плотность соединений как на печатной плате, так и в кабеле. Метод передачи LVDS не зависит от напряжения питания и работает при напряжении питания передатчика и приемника 5 В, 3 В или 2,5 В. При этом сопряжение устройств с разным напряжением питания не является проблемой.

Используемый метод передачи позволяет также существенно снизить энергопотребление интерфейса. На 100 Ом нагрузке LVDS при падении напряжения 400 мВ составляет 1,2 мВт. Для сравнения, интерфейс RS-422 имеет рассеиваемую мощность на нагрузке порядка 90 мВт, что в 75 раз больше.

Следует отметить и простоту терминирования сигнальных LVDS-линий -- для этого требуется всего один резистор для каждой пары, и все. Для сравнения, другие скоростные методы требуют пары резисторов, один из которых подключается на землю, а второй к питанию, причем зачастую не напрямую, а через специальный источник.Метод передачи интерфейса LVDS.

1.2 Методика передачи интерфейса LVDS

LVDS-интерфейс описывается двумя стандартами: ANSI/TIA/EIA-644 и IEEE 1596.3. TIA-644 -- общий стандарт. Он описывает электрическую часть интерфейса -- выходные и входные параметры приемника. Стандарт не включает в себя функциональное описание, протокол обмена или полные характеристики кабеля, поскольку все это зависит от приложения.

Стандарт определяет рекомендуемую максимальную скорость передачи 655 Мбит/c (при определенных граничных условиях) и теоретическую скорость 1923 Мбит/c при использовании линии с нулевыми потерями. Максимальная скорость передачи определяется в зависимости от требуемого качества сигнала на приемном конце и типа и длины используемой среды передачи.

Стандартом также определяются минимальные граничные требования к среде передачи, поведение приемника и передатчика при выходе параметров за граничные значения и ряд конфигурационных определений, такие как работа на несколько приемников.

Измерение качества сигнала при передаче по LVDS-интерфейсу

Дальность и скорость передачи данных по LVDS-каналу определяются параметрами самого канала. При полном отсутствии каких-либо помех эти величины достигают предельных значений. Однако на практике условия работы всегда отличаются от идеальных, поэтому существуют ограничения на скорость и дальность передачи данных.

Рассмотрим основные виды помех и искажений при работе по LVDS и методы их оценки на передаваемые данные, определяющие качество LVDS-канала.

Поскольку LVDS-канал является дифференциальным каналом, то наиболее распространенным и наглядным интегральным методом оценки искажений сигнала служит так называемая глаз-диаграмма.

Центральный глаз диаграммы и определяет качество канала -- чем он больше, тем лучше качество канала. Для количественной оценки применяется параметр, называемый "Процент дрожания" (% Jitter), который определяется по приведенной на рис. 2 формуле как остаточный процент от ширины символа, детектируемый LVDS-приемником.

Глаз-диаграмма

Указанный на глаз-диаграмме разброс фронтов представляет наложенные друг на друга максимальные искажения фронтов сигнала, которые определяются целым рядом факторов. Самый первый фактор -- это межсимвольная интерференция. Затухание уровня сигнала и всевозможные искажения среды передачи делают различными время нарастания и спада фронтов передаваемого сигнала. Кроме того, фронты искажают и неравномерность частотной характеристики канала.

Междусимвольные искажения

Другим очень важным фактором, влияющим на качество сигнала, является отражение сигнала на приемном конце тракта и на всем его протяжении. Нарушение правил терминирования линии или непрерывности импеданса является весьма существенным фактором, влияющим на искажения сигнала.

Следующим фактором, вносящим искажения в сигнал, является взаимовлияние как соседних LVDS-каналов, так и влияние на LVDS-канал соседних линий. Для уменьшения этого влияния требуется специальные меропри- ятия, например по трассировке платы, которые будут рассмотрены ниже. Из оставшихся факторов отметим асимметрию выходных уровней на приемном конце и временной разброс фронтов на выходе передатчика.



1.3 Состав LVDS-канала

LVDS-канал состоит из передатчика, LVDS-приемника и соединительных линий -- среды передачи, которая соединяет выход передатчика с входом приемника.

Достигаемые скоростные параметры LVDS-канала определяются, кроме параметров приемника и передатчика, еще и соответствием среды передачи идеальным параметрам стандарта. При полном соответствии всех параметров легко достигается определенная стандартом скорость 622 Мбит/с. Мало того, уже существуют данные реальных тестовых испытаний, на которых достигается максимально возможная скорость передачи, превышающая 1 Гбит/c. Такие параметры достигаются при максимальном приближении к требуемым по стандарту значениям параметров среды передачи.

Среда передачи LVDS-канала состоит из трех элементов -- соединительных линий на печатной плате, разъемов, соединяющих печатную плату с кабелем, или печатные платы между собой, и кабеля, по которому передаются LVDS-сигналы. Возможны варианты отсутствия одного или нескольких из этих элементов (ситуация улучшается) или повторения нескольких (ситуация ухудшается), но в любом случае все составляющие среды передачи от выхода LVDS-передатчика до входа LVDS-приемника должны образовывать согласованную систему с вполне определенными параметрами.

Соответственно, требования к LVDS-каналу можно разбить на требования к электрической схеме, требования к разводке печатной платы, требования к разъему и требования к соединительному кабелю.

Разводка печатной платы

Элементом среды передачи, который практически нельзя исключить, является печатная плата. На печатной плате в любом случае устанавливаются как приемник, так и передатчик LVDS, терминирующие цепи, разъем или площадки для подсоединения кабеля. В конце концов, дорожки печатной платы и устанавливаемые на них дополнительные элементы образуют согласующий комплекс, которым разработчики пытаются устранить все остальные огрехи систем передачи.

Напомним, что печатная плата одновременно является и тем самым "узким местом", допущенные ошибки и просчеты в котором требуют для исправления больших как финансовых, так и временных затрат, причем исправление этих просчетов на месте подручными средствами, как следует из законов Мерфи, практически невозможно.

Поэтому надо очень тщательно подходить к вопросу проектирования печатных плат, просчитывать все параметры, по возможности просчитывать и моделировать полученные цепи. Время на расчет, проектирование и моделирование топологии печатных плат, а также затраты на САПР, который все это качественно выполнит, позволит избежать массы проблем на этапе запуска устройства. В отечественных условиях немаловажен и подготовительный этап.

Исходя из собственного опыта проектирования, а также из опыта оказания консультационных услуг, можно дать следующую настойчивую рекомендацию: ПЕРЕД началом проектирования печатной платы крайне рекомен- довано заранее, до начала проектных работ, выбрать изготовителя печатной платы и выяснить допустимые проектные нормы (для проверки, могут ли изготовить то, что вы спроектируете), параметры используемого для изго- товления материала (требуется для расчета) и, что немаловажно, -- наличие этого материала на предполагаемый момент заказа печатных плат. Рекомендуется подобрать несколько изготовителей, которые могут изготовить печатные платы с одинаковыми нормами из материала со сходными параметрами, дабы иметь резервные варианты на случай, например, отсутствия требуемого текстолита, ремонта или излишней загрузки линейки.

Вернемся к требованиям разводки печатных плат для LVDS-каналов. Начнем с общих требований.

Печатная плата должна быть как минимум четыре слоя: LVDS-сигналы, земля, питание, TTL-сигналы. Выделенные слои земли и питания -- обычное требование к высокоскоростным дизайнам. Непрерывный слой земли требуется также для обеспечения определенного контролируемого импеданса для LVDS-линий.

Разделение сигналов логики CMOS/TTL и сигналов интерфейса LVDS снижает наводки на LVDS-линии. Идеальное решение -- разнесение их по разным слоям, которые разделены слоями земли и питания.

Приемопередатчики LVDS должны располагаться как можно ближе к соединительным разъемам, что уменьшает влияние возможных несогласованностей линии на печатной плате, а также уменьшает наводки от остальных цепей. Такое расположение, совместно с уравниванием длины линий, также помогает снизить разброс фронтов.

Далее общие рекомендации по питанию: подводящие цепи по земле и питанию должны быть как можно шире и короче. Рекомендуется установка танталовых или электролитических конденсаторов емкостью 4,7-10 мкФ. Рабочее напряжение танталовых конденсаторов, что важно, не должно быть меньше 5-кратного напряжения питания, то есть не менее 25 В (рекомендовано 35 В) для 5 В питания.

На каждый LVDS-корпус должен быть установлен один или два (0,1 мкФ и 0,01 мкФ) параллельных многослойных керамических конденсатора (MLC). Для многоканальных приемопередатчиков или для схем формирования тактовой частоты (с PLL) рекомендуется устанавливать по конденсатору на каждый вывод питания. Рекомендуется устанавливать конденсаторы как можно ближе к выводу питания для уменьшения паразитных эффектов и улучшения частотной характеристики. Также рекомендуется использовать двойные переходные отверстия для уменьшения индуктивных эффектов.

Теперь перейдем к требованиям по разводке собственно сигнальных LVDS-линий. Сигнальная дифференциальная LVDS-пара должна быть разведена от передатчика к приемнику со строгим соблюдением определенных требований: во-первых, по всей длине линии должен быть выдержан согласованный импеданс 100 Ом. Во-вторых, длина линии должна быть минимальна, а длина проводников одинакова, для уменьшения разброса фронтов. Кроме того, линия должна содержать как можно меньше (в идеале вообще не иметь) переходных отверстий, поскольку каждое отверстие нарушает параметры линии. Крайне нежелательно использовать при разводке поворотов на 90°, которые существенно увеличивают электромагнитные помехи и перекрестные наводки. Старайтесь обойтись углами 45°.

Существуют три основных варианта разводки LVDS-линий: открытая линия (micrоtrip), и два варианта закрытой линии -- горизонтальная и вертикальная.

1.4 Разводка LVDS-линий

Конфигурация согласованных линий

Открытая линия представляет собой две сигнальные полосы, размещенные над сплошным слоем земли. Такая линия позволяет провести трассу от приемника к передатчику или от передатчика к разъему без переходных отверстий, что существенно облегчает моделирование и исключает из требований к изготовлению печатных плат параметры переходных отверстий. Недостатком открытой конфигурации является то, что для ее разводки можно использовать только две внешние стороны печатной платы. Ее параметры рассчитываются по следующей формуле:

При трассировке согласованной линии не стоит забывать и об электромагнитной совместимости, перекрестных и прочих наводках. Рекомендуется соблюдение следующих соотношений SМинимизация расстояния между линиями в согласованной паре, кроме уменьшения EMI, служит и для уменьшения влияния общих наводок, а также максимальной согласованности параметров и условий работы каждой из дорожек.

В качестве примера уже рассчитанной открытой линии рассмотрим приведенный на рис. 7 пример геометрии согласованной линии, рекомендуемая TI-конфигурация для одного из своих LVDS-буферов.

Пример геометрии согласованной линии

На приемном конце линии также требуется согласованное соединение. Причем терминирующие резисторы должны быть расположены как можно ближе к приемнику. Для скоростных применений это расстояние должно составлять не более 7 мм (максимум 12 мм). Для более низких скоростей допускается увеличение дистанции между приемником и согласующим резистором до 20-30 мм.

Следующим типом согласованной линии является закрытая линия (рис. 6 б). В этом случае сигнальная пара располагается внутри пакета платы между двумя слоями земли.

Такое решение позволяет использовать для разводки LVDS-сигналов несколько слоев, а также улучшает экранировку сигнальной пары. В данном случае требуется применение переходных отверстий.

При построении шинных соединительных решений может использоваться еще один тип -- вертикальная закрытая линия. Такая разводка очень удобна при трассировке соединительных панелей.

В заключение отметим, что удобство применения и высокие характеристики определяют активное применение LVDS в разработках. Для различных областей применения выпускается широкий ассортимент компонентов.

Так, Texas Instruments выпускает и скоростные приемопередатчики для всевозможных применений -- от 5-выводного одноканального SN65LVDS1DBV до многоканального SN65LV387. От скоростных NS65LVDS93/94, обеспечивающих пропускную способность до 1,82 Гбит/c до бюджетного набора MuxIt (SN65LVDS15x), позволяющего легко и просто "свернуть" параллельную шину в скоростной LVDS-канал и "развернуть" ее на приемном конце.



2. Скорость обмена. Системная производительность интерфейса LVSD

2.1 Повышение скорости обмена интерфейса LVSD

Производительность системы зависит от скорости обмена данными между входящими в нее устройствами. В последнее время для повышения скорости обмена все чаще используют быстродействующие интерфейсы, поддерживающие дифференциальный метод передачи с использованием сигналов низкого уровня (Low-Voltage Differential Signaling - LVDS) и многоточечный двунаправленный способ обмена информацией (Multipoint-LVDS - M-LVDS). Эти методы позволяют организовать сверхскоростной обмен между микросхемами на печатной плате и установить эффективное взаимодействие между блоками и стойками. Кроме того, применение таких методов обеспечивает значительное уменьшение числа соединительных проводников и габаритов разъемов при увеличении надежности и снижении стоимости всего комплекса.

Существуют различные варианты обмена данными между устройствами (рис.1). Простейший из них, как следует из названия, Simplex (точка-точка) позволяет передавать информацию только в одну сторону и только одному приемнику. На приемной стороне тракта передачи обязательно наличие согласующего резистора (терминатора). Вариант Multidrop предполагает применение одного передатчика и нескольких приемников, каждый из которых располагается рядом с основной линией передачи. И в этом случае необходим только один резистор для устранения отраженных сигналов. Полудуплексный режим позволяет организовать двухсторонний обмен данными, но с разделением во времени, т. е. в любой момент времени информация передается только в одном направлении (отсюда и приставка "полу-").

В полудуплексном режиме обмен точка-точка происходит только между двумя устройствами. При многоточечном полудуплексном режиме (half-duplex multipoint) двухсторонний обмен возможен между любыми устройствами, но опять же с условием временного разделения потоков информации. В этом случае терминальные резисторы должны быть установлены на обеих сторонах основного канала передачи и приема. Основное назначение любого последовательного интерфейса - "сворачивание" параллельного кода в скоростной последовательный канал и "разворачивание" последовательного кода в параллельный на приемной стороне.

Каждый тип интерфейса, как видно из кривых соотношения скорости обмена и допустимого расстояния (рис.2), имеет свою нишу и предназначен для определенных областей применения. При расстояниях до 30 м и скоростях передачи менее 50 Мбит/с обычно используют интерфейсы стандартов TIA/EIA-422 (RS-422, multidrop) и TIA/EIA-485 (RS-485, multipoint). Их положительные качества - выходные дифференциальные сигналы высокого уровня, наличие чувствительных приемников, работоспособность при уровнях помех до 7 В - гарантируют эффективный обмен данными между удаленным оборудованием.

Передачу и прием со скоростью около 10 Гбит/с обеспечивают микросхемы типа ECL или PECL (положительная эмиттерно-связанная логика). Однако при этом высокая скорость обмена достигается за счет роста стоимости и существенного увеличения потребляемой мощности. А экономичность интерфейса имеет немаловажное значение. Вот почему при скоростях передачи выше 50 Мбит/с, а также в устройствах, где важно низкое потребление энергии, применяют LVDS- или M-LVDS-интерфейсы, занимающие лидирующие позиции по этому параметру (рис.3). Благодаря токовому выходу оконечного каскада (рис.4) потребляемая мощность интерфейсов этого типа практически не зависит от скорости передачи информации.

К тому же, LVDS- или M-LVDS-интерфейсы, как видно из рис.2, работоспособны при самых низких значениях напряжения питания. Работа с сигналами низкого уровня и дифференциальная схема передачи существенно облегчают решение проблемы электромагнитной совместимости, что добавляет очки в пользу LVDS-и M-LVDS-интерфейсов. Эти достоинства особенно важны для автономных и портативных устройств.

Обширную номенклатуру микросхем LVDS-интерфейсов предлагает фирма Texas Instruments (рис.5). Они поддерживают скорость обмена данными до 2 Мбит/c. Но, подобно спортивному скоростному автомобилю, которому необходима специальная трасса, эти интерфейсы для обеспечения сверхвысоких скоростей обмена требуют тщательного проектирования всего тракта передачи и приема.

LVDS-интерфейсы (один передатчик - несколько приемников, стандарт TIA/EIA-644) не позволяют, подобно интерфейсам

RS-485 (стандарт TIA/EIA-485), напрямую организовывать двунаправленный многоточечный обмен. Для поддержки многоточечного полудуплексного режима "несколько передатчиков - несколько приемников на одной шине" фирмами Texas Instruments и National Semiconductor создан многоточечный M-LVDS-интерфейс (стандарт TIA/EIA-899-2001), с помощью которого возможен двухсторонний обмен данными. M-LVDS-интерфейс - это высокоскоростной экономичный многоточечный интерфейс стандарта RS-485, позволяющий создавать сеть, содержащую до 32 узлов, со скоростью обмена до 500 Мбит/c.

Для создания скоростной шинной архитектуры M-LVDS на фирме Texas Instruments также разработаны интерфейсные микросхемы LVDM с более высоким - в два раза - токовым выходом, чем у LVDS, что необходимо при работе на линию с двумя согласующими резисторами (полудуплексный обмен), - рис.6. У фирмы National Semiconductor подобные микросхемы называются BusLVDS или BLVDS. Выходной ток микросхем LVDM- и BusLVDS-интерфейсов составляет 8-10 мА, M-LVDS - примерно 11 мА.

В номенклатуру микросхем интерфейсов фирмы Texas Instruments входят и LVDT-интерфейсы (буква "Т" обозначает наличие в микросхеме встроенного согласующего резистора - терминатора - с сопротивлением ~100 Ом). Следует учесть, что LVDT-микросхемы можно устанавливать только на оконечных (основных) узлах основного тракта, так как на промежуточных узлах согласующие резисторы не нужны.

LVDS- и M-LVDS-каналы легко создаются на печатной плате или с помощью широко распространенного кабеля CAT5. Рассмотренные скоростные интерфейсы выпускаются многими известными компаниями, что значительно расширяет выбор при построении скоростной сети различного уровня сложности.

2.2 Соединительные кабели

Соединительные кабели являются важной частью LVDS-канала. От их параметров во многом зависит скорость и надежность передачи данных. При выборе кабеля желательно соблюдать ряд рекомендаций. Всегда надо помнить, что кабель и соединительные разъемы должны образовывать согласованную систему передачи с дифференциальным сопротивлением, максимально приближенным к 100 Ом. Для передачи дифференциального интерфейса LVDS желательно использовать сбалансированные симметричные кабели типа витой пары. Такие кабели позволяют достичь лучшего качества передаваемого сигнала за счет постоянного сопротивления и идентичности влияния внешних наводок, которые подавляются на приемном конце, на витую пару. Кроме того, симметричные пары имеют меньшее излучение, что благоприятно сказывается как на общем уровне наводок системы, так и на качестве передачи за счет снижения уровня перекрестных наводок.

Стандартом LVDS тип и параметры кабеля и соединителей жестко не регламентируются. Однако в нем есть ссылки на сопутствующие документы, определяющие требования к параметрам кабеля, разъемов, разбивки по контактам и т. п.

Выбор типа кабеля во многом зависит от требуемой дальности и скорости передачи. На дистанциях до 0,5 м. подходят практически все типы кабелей. С соблюдением ряда требований, которые будут раскрыты ниже, можно использовать недорогие и популярные плоские кабели (шлейфы) и распространенные в портативных устройствах ленточные кабели.

Плоский кабель (шлейф), хотя и не является идеальным решением для высокоскоростных интерфейсов, однако имеет реальное применение. Для плоского кабеля рекомендации просты и очевидны из рисунка 8. Сигнальные линии одной дифференциальной пары должны располагаться рядом. Между разными парами помещается разделительный заземленный провод. Не рекомендуется располагать сигнальные линии крайними -- для них должно быть сделано обрамление из заземленных проводов. Общая рекомендация -- кабель желательно поместить в заземленный экран.

При использовании ленточного кабеля следует соблюдать те же правила, что и для согласованной линии на печатной плате.

На дистанциях от 0,5 до 10 м. очень хорошо зарекомендовали себя широко используемые недорогие и доступные кабели типа витая пара -- CAT3, CAT5 и CAT5Plus. Получаемые с использованием таких кабелей параметры линии позволяют передавать данные с удовлетворением всех требований стандарта по одной паре со скоростью до 400 Мбит/c на расстояние до 10 м. В качестве примера приведем данные по разбросу фронтов для неэкранированного кабеля CAT5.

Очевидно, что для согласованной симметричной линии качество мало зависит от длины линии, а в гораздо большей степени от ее частотных параметров, в данном случае граничной частоты.

Теперь рассмотрим доступность таких кабелей. Кабель типа CAT5 -- тот самый кабель, который применяется при построении сетей Ethernet и содержит пять витых пар. Он имеется в продаже и стоит около 0,3 $ за метр. Если по одной паре можно обеспечить передачу на скорости до 400 Мбит/c, то скорость передачи по пяти парам эквивалентна практически 2 Гбит/c на расстояние 10 м. Это данные для базового типа кабеля CAT5 с параметрами, определенными до 100 МГц, а ведь уже существуют кабели CAT5+ с параметрами, определенными до 350 МГц, и кабели типа CAT6. Последний тип кабелей выпускается во всевозможных модификациях с экранированием и без, также для различных условий эксплуатации. Его использование также подразумевает наличие разнообразного и массово выпускаемого ассортимента разъемов и сопутствующих монтажных материалов и инструментов, а также наличие наработанных решений по разводке и монтажу.

Еще одним менее распространенным, но применяемым в скоростных решениях является попарно экранированный (twin-ax) кабель.

Он обеспечивает большее разделение пар и лучшие условия передачи, что позволяет достигать предельно возможных для стандарта значений скорости, дальности и надежности передачи.

2.3 Соединительные разъемы

При построении LVDS-линков можно использовать различные типы соединительных разъемов. Конкретный тип разъема определяется требуемыми параметрами линии, скоростью передачи и типом используемого кабеля.

Необходимо учитывать, что LVDS -- скоростной интерфейс, использующий достаточно высокие частоты, и поэтому требуется выбирать соответствующие разъемы. Рекомендуется группировать пары LVDS-линий для уменьшения как внешних наводок на LVDS- канал, так и электромагнитных излучений. LVDS -- дифференциальный интерфейс, и оба его провода должны располагаться в максимально идентичных условиях.

Далее отметим характерную именно для LVDS особенность выбора расположения сигнальных линий на контактах разъема -- различные выводы разъемов могут иметь различную длину, что приводит к потенциальным искажениям LVDS-сигнала, как показано на рис. 11. При построении LVDS-линий, особенно скоростных, рекомендуется выбирать для проводов одной пары максимально идентичные по длине выводы.

На разъеме LVDS-линии расположены правильно, а на нижнем разница в длине выводов разъема может вызвать потенциальные искажения. В настоящее время существуют даже специально разработанные для LVDS разъемы, у которых выводы разбиты на пары и разделены экранирующими контактами.

Как иллюстрацию влияния приведенных выше правил приведем пример тестовых испытаний, проведенных фирмой AMP для своих разъемов серии MICTOR. При этом тестировании проводились оценки взаимовлияния LVDS-пар при различном взаимном расположении их на разъеме.

Для каждого из трех случаев измерялся уровень взаимных наводок на ближнем и дальнем конце кабеля, которые и показаны на рис. 14. При этом на соседние пары подавались сигналы со сдвигом 0,05 нс амплитудой 400 мВ и временем нарастания/спада (1/9) 0,25 нс.

Еще одним из факторов, определяющих быстродействие LVDS-интерфейса, а также одной из проблем разработки скоростных каналов является проблема подвода потока данных, как правило, по-обычному TTL или LVTTL-интерфейсу к LVDS-передатчику. Для решения этой проблемы уже выработан ряд технологических приемов. Во-первых, наборы для построения LVDS-каналов строятся уже не на базе отдельных LVDS-передатчиков, а на базе микросхем сериалайзеров -- параллельно-последовательных преобразователей, преобразующих сигналы от нескольких параллельно подводимых линий в один высокоскоростной LVDS-канал. На приемном конце, в свою очередь, устанавливается десериалайзер -- чип обратного преобразования из последовательного канала в параллельный.

Использование, например, 10-разрядного сериалайзера позволяет при канале со скоростью 622 Мбит/c снизить частоту подводимых данных до 62,2 МГц, что вполне приемлемо с точки зрения использования TTL-интерфейса.

Еще одним вариантом решения проблемы подачи и снятия данных для LVDS является интеграция LVDS-приемников и передатчиков непосредственно в состав устройств источников и приемников данных. Так, производитель программируемой логики фирма Xilinx интегрирует в состав FPGA последних семейств определенное количество LVDS-портов. Такой вариант имеет и еще одно функциональное преимущество: сочетание в одном корпусе программируемой логики и LVDS-интерфейсов позволяет легко выполнять построение LVDS-каналов требуемой архитектуры, скорости и типа внешнего интерфейса.

2.4 Шинные LVDS-решения

Возможность подключения на одну пару нескольких приемников и нескольких передатчиков позволяет организовывать на базе LVDS-стандарта шинные решения с использованием всех его преимуществ. На рис. 15, в, каждая линия шины представляет собой согласованную 100-омную линию с терминаторами на концах. На эту линию подключается несколько LVDS-приемников и несколько LVDS-передатчиков. При таком включении по одной паре LVDS возможна организация двухстороннего полудуплексного канала, то есть в каждый момент времени активен только один из передатчиков. Для удобства построения шин выпускаются микросхемы, которые включают в себя и передатчик и приемник для каждой пары внешних LVDS-выводов.

Применение LVDS

Рассмотрев особенности построения самих LVDS-каналов, приведем несколько конкретных примеров LVDS-решений.

Скоростной многоканальный LVDS-линк на базе FPGA Virtex-E фирмы Xilinx

Для примера приведем структуру построения скоростного 622 Мб/с LVDS-канала на базе ПЛИС Xilinx серии Virtex-E. Особенностью данного примера является передача параллельного потока данных, непосредственно между ПЛИС Xilinx с использованием встроенных LVDS-приемопередатчиков.

Терминирование передатчиков со стороны источника приводит уровни в полное соответствие со стандартом LVDS и согласует выходы с используемой в данном примере 50-омной несимметричной или 100-омной симметричной линией. Параллельные терминаторы на приемном конце в соответствии со стандартом LVDS представляют собой 100-омные резисторы.

Для обеспечения лучших условий приема тактовый сигнал задерживается на 1,1 нс с использованием специальной разводки платы или дополнительного внешнего буфера с соответствующей задержкой.

На приемном конце сигнал принимается дифференциальными LVDS-приемниками и подается на триггеры, которые защелкивают данные по принятому тактовому сигналу частотой 311 МГц.

Отметим, что использование такой высокой скорости передачи требует весьма тщательного подхода к выполнению схемы и к разводке печатной платы.

Благодаря своим высоким характеристикам интерфейс LVDS находит все большее применение в бюджетных разработках. Все большей популярностью пользуются наборы решений для замены параллельных TTL-линий высокоскоростным последовательным LVDS-каналом. Примером такого решения может служить набор MuxIt, выпускаемый Texas Instruments. Набор включает в себя три микросхемы:

передатчик сериалайзер SN65LVDS151;

приемник десериалайзер SN65 LVDS152;

умножитель частоты SN65LVDS150.

Передатчиком SN65LVDS151 от 4 до 10 разрядов данных преобразуются в последовательный канал и передаются через LVDS-линк. Параллельный тактовый сигнал используется умножителем частоты SN65LVDS150 для генерирования скоростного тактового сигнала, который используется для передачи данных и передается на приемный конец системы по отдельному LVDS-линку. Сигналы M1...M5 используются для определения количества разрядов данных, преобразуемых в LVDS-канал. Параллельные данные загружаются в сдвиговый сигнал передатчика по низкочастотному тактовому сигналу. Из сдвигового сигнала данные выдаются в LVDS-линк по синтезированному умножителем частоты высокочастотному тактовому сигналу.

На приемном конце канала данные по принятому высокочастотному тактовому сигналу загружаются в сдвиговый регистр приемника SN65LVDS152, где приводятся к параллельному виду и выдаются на параллельные выходы данных D0 -- D9. Принятый тактовый сигнал также используется умножителем частоты SN65LVDS150 для восстановления исходного низкочастотного тактового сигнала. Компоненты набора MuxIt образуют законченное решение для преобразования параллельной шины в LVDS-канал и обратно.

Умножитель частоты допускает коэффициент умножения до 40, что позволяет последовательно объединять в один канал до 4 сериалайзеров, преобразуя в один последовательный канал 40-разрядную параллельную шину. Кроме того, возможно параллельное подключение нескольких сериалайзеров и десериалайзеров для образования единого более скоростного линка с несколькими каналами данных и одним тактовым каналом. Сочетание параллельного и последовательного подключения элементов набора позволяет подобрать оптимальную конфигурацию системы для получения оптимального сочетания пропускной способности канала и количества линий передачи. Компоненты набора MuxIt могут поддерживать и многоточечный шинный режим работы.

Существуют и одночиповые решения, рассчитанные на фиксированную конфигурацию LVDS-канала. Примером такой пары для передачи точка -- точка до 28 параллельных линий по пяти LVDS-каналам может служить пара из передатчика/сериалайзера SN65LVDS93 и приемника/десериалайзера SN65LVDS94.

Совместно эти две микросхемы образуют канал со скоростью передачи до 1,82 Гбит/c (именно 1,82 Гигабита в секунду, то есть 227,5 Мегабайта в секунду). При этом входная тактовая частота параллельной шины может достигать 65 МГц. Микросхемы SN54LVDS93/94 используют питание напряжением 3,3 В, но при этом их входы являются совместимыми с уровнями TTL- логики 0,5 В. Типичная потребляемая мощность в рабочем режиме составляет около 250 мВт.

Еще одним интересным решением по интеграции LVDS-каналов является предлагаемый TI набор из одиночных LVDS-приемника и LVDS-передатчика, каждый из которых выпускается в корпусе SOT-23, -- SN65LVDS1/ S2/T2 .

Основные параметры передатчика:

возможность горячего подключения;

скорость обмена до 630 Мбит/с;

типичная потребляемая мощность на частоте 200 МГц составляет 25 мВт;

задержка передачи сигнала 1,7 нс;

5В-совместимые входы.

Основные параметры приемника:

встроенный терминирующий резистор на 100 Ом;

защита от обрывов по входу;

скорость обмена до 400 Мбит/с;

время задержки распространения сигнала -- 1,7 нс.

Приемник и передатчик этой серии представляют собой законченные узлы, которые позволяют преобразовать к LVDS любую, даже одиночную линию.



Заключение

интерфейс дифференциальный сверхскоростной информационный

Изделия LVDS технологии изменяют наши представления о скоростях, мощности, шума, и цен в области высокопроизводительной передачи цифровой информации. Поэтому, LVDS не только улучшает существующие достижения но и открывают новые перспективы в развитии цифровой техники.

Стандарт LVDS предоставляет разработчику возможность никак не жертвовать необходимыми характеристиками системы. При использовании этого стандарта данные передаются на высокой скорости, потребляется немного электроэнергии, система устойчива к шумам также создается немного электромагнитных помех.

Новые виды LVDS наилучшим образом дополняют изначальный стандарт также позволяют использовать его в еще большем числе прикладных систем. В ближайшее пора скорости передачи данных будут вырастать, но напряжение кормления падать. В условиях понижения энергопотребления, уменьшения электромагнитных также перекрестных помех тенденция к уменьшению амплитуд, исток которой положило создание LVDS, скорее всего сохранится в последующие годы.



Список литературы

1. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации/ В. Л. Бройдо-СПб.: Питер, 2008. - 688 с.: ил. Стр.- 441, 526.

2. Куроуз Дж., Росс К. Компьютерные сети. 2-е изд. - СПб.: Питер 2004.- 765 с.: ил

3. И.П.Норенков В.Б.Маничев - "Основы теории и проектирования САПР". Москва : Издательство "Высшая школа". 1990 г. - стр. 22, 25.

4. Стандарты и протоколы Интернета /пер. с англ.-М.: Издательский отдел "Русская редакция" ТОО "Channel Traing ltd.", 1999.-384с.: ил. Стр.-13-23, 28, 29, 34, 35.

5. По материалам сайта: http://www.stroinauka.ru/d26dr8133m7rr4616.html

6. По материалам сайта: http://www.dics.com.ua/dics_home.php

7. По материалам сайта: http://y-dom.com.ua/i99l0.html

8. По материалам сайта: http://yakorev.com.ru/udom1.html

9. По материалам сайта: http://www.housecontrol.ru/function.php

10. По материалам сайта: http://www.hifinews.ru/article/details/4737.htm Автор: Евгений Курышев.

11. По материалам сайта: http://yakorev.com.ru/smart1.html

12 По материалам сайта: http://share.auditory.ru/2009/Vladislav.Baturin/IPU.doc

13. По материалам сайта: http://www.ttvs.kz/index.php?p=dictionaryм

Размещено на Allbest.ru

...