（微電子學與固體電子學專業(yè)論文）18v千兆以太網(wǎng)接收器模擬前端設(shè)計.pdf

摘要 摘要 本文著重介紹用于1 8 v 電源電壓下的千兆以太網(wǎng)接收器系統(tǒng)中的模擬接收 器的設(shè)計，并且給出了電路最終的版圖，驗證及部分測試的結(jié)果。 文章首先簡單介紹了1 0 0 0 b a s e - t 的基本知識，然后根據(jù)1 0 0 0 b a s e t 的要求， 建立接收器系統(tǒng)中雙絞線、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字均衡器的模型，通過系統(tǒng)仿真， 確定模擬接收器各個模塊的參數(shù)；再給出了最終電路的具體設(shè)計，電路主要分為 三個部分，預處理電路，基帶漂移補償電路和可變增益放大電路，主要實現(xiàn)回波 消除、基帶漂移補償、電路增益自動控制、高頻補償和低通濾波等功能。給出了 電路的版圖，以及后仿真、測試等驗證結(jié)果。電路的驗證結(jié)果表明，電路可以很 好的實現(xiàn)回波消除的功能，能夠?qū)τ捎诨鶐埔鸬男盘柺д娼o以補償，可以 提供1 6 級不同的增益并能進行頻率補償。文章最后總結(jié)了模擬接收器設(shè)計，并 對將來的工作給出了一定的建議。 最后的電路使用上海中芯國際( s m i c ) 0 1 8 刪1 p 6 m 標準c m o s 工藝實現(xiàn)， 電源電壓1 8 v 。芯片面積大小為3 2 0 u m 8 8 0 u m ，功耗約為3 6 m w 。 關(guān)鍵字：千兆以太網(wǎng)；接受器；回波消除；基帶漂移補償；可變增益放大器 中圖分類號：t n 4 9 2 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h ed e s i g no ft h e1 8 vs u p p l ya n a l o gr e c e i v e ru s e di n t h eg i g a b i te t h e r n e ts y s t e m t h el a y o u to ft h ef n a lc i r c u i t ，t h ev e r i f i c a t i o na n ds o m e t e s ta r eg i v e ni nt h el a s tp a r to f t h ep a p e r f i r s tw ei n t r o d u c et h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h e10 0 0 b a s e tt h e n ，b a s e do nt h e c r i t e r i o no ft h e10 0 0 b a s e t ，w em o d e lt h et w i s t e dp a i 5a d ca n dt h ee q u a l i z e r , s i m u l a t et h ew h o l es y s t e ms ot h a tw ed e c i d et h eg u i d e l i n eo ft h ee a c hp a r to ft h e a n a l o gr e c e i v e nw et h e np r e s e n tt h ed e s i g no ft h ew h o l ec i r c u i tw h i c hm a i n l y i n c l u d e st h r e ep a r t s - 一t h ee c h oc a n c e l l e r , t h eb a s e l i n ew a n d e rc a n c e l l e r , t h ev a r i a b l e g a i na m p l i f i e r t h ec k c u i tm a i n l yr e a l i z e st h ef u n c t i o n so ft h ec a n c e l i n go ft h ee c h o ， t h ec a n c e l i n go ft h eb a s e l i n ew a n d e r , t h ea u t oc o n t r o l l i n go ft h eg a i n t h el a y o u to f t h ec i r c u i ta n dt h ev e r i f i c a t i o ns u c ha ss i m u l a t i o na n dt e s ta r eg i v e ni nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h ev e r i f i c a t i o no f t h ec i r c u i t ，t h ec i r c u i tc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n sn e e d e d w e l l a tl a s t ，w ed i s c u s st h ew h o l ew o r ko ft h ep a p e r ，a n dg i v es o m ea d v i s e sf o rt h e f u t u r ew o r k t h ec i r c u i ti si m p l e m e n t e db yt h es m i cs t a n d a r d1 p 6 mc m o st e c h n o l o g y t h e w h o l ea r e ai s3 2 0 u m 8 8 0 u ma n dt h ep o w e rd i s s i p a t i o ni sa b o u t3 6 m w k e y w o r d s ：g i g a b i te t h e m e t ，r e c e i v e r , e c h oc a n c e l l e r , b a s e l i n ew a n d e rc a n c e l l e r v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r 4 flk，l；i 第一章 第一章引言 科學技術(shù)的不斷發(fā)展使得數(shù)字化時代快速來臨，人們對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求不斷 增加。龐大的信息化系統(tǒng)工程涉及信息的產(chǎn)生，處理，傳送和接收等過程。在計 算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的今天，數(shù)字化和數(shù)字通信得到廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)的傳 送與接收成為十分關(guān)鍵的技術(shù)。在局域網(wǎng)技術(shù)中，以太網(wǎng)規(guī)范是目前市場的主流。 在最近的2 5 年問，以太網(wǎng)已從4 8 0 0 b p s 爭用型無線信道傳輸系統(tǒng)發(fā)展到最普及 的局域網(wǎng)絡(luò)標準，并能在無屏蔽的雙絞線上每秒傳輸1 0 0 0 兆位的信息。在傳輸 速率日漸提高的同時，集成電路的飛速發(fā)展使得整個以太網(wǎng)系統(tǒng)可以在芯片上得 以實現(xiàn)。以太網(wǎng)芯片所使用的工藝越來越先進，0 3 5 u m 的工藝已不再是主流， 取而代之的是0 1 8 u m 甚至是0 1 3 u m 的半導體工藝；芯片所使用的電壓也越來越 低。從以前的5 v ，3 3 v 到現(xiàn)在的1 8 v ，甚至是1 2 v 。 1 1 以太網(wǎng)發(fā)展歷程 1 9 7 3 8 2 ：以太網(wǎng)的產(chǎn)生與d i x 聯(lián)盟 1 9 7 3 年，位于加利福尼亞p a l o a l t o 的x e r o x 公司提出并實現(xiàn)了最初的以太 網(wǎng)。r o b e r tm e t c a l f e 博士被公認為以太網(wǎng)之父，他研制的實驗室原型系統(tǒng)運行速 度是2 9 4 兆字節(jié)每秒( 3 m b s ) 。這個實驗性以太網(wǎng)( 在x e r o x 公司中被稱為 “x w i r e ”) 用在了x e r o x 公司早期的一些產(chǎn)品中，包括世界上第一臺配備網(wǎng)絡(luò) 功能、帶有圖形用戶接口的個人工作站- x e r o x a l t o x e r o x 沒能成功地將a l t o 或 3 m b s 以太網(wǎng)商品化。這兩項實驗性技術(shù)幾乎完全保留在x e r o x 公司內(nèi)部，沒有 向外部傳播。 1 9 7 9 年，x e r o x 與d e c 公( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ) 聯(lián)合起來，致力 于以太網(wǎng)技術(shù)的標準化和商品化，并促進該項技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中的應(yīng)用。這是一 個很理想的組合：x e r o x 擁有專利和技術(shù)，而d e c 是當時最大的網(wǎng)絡(luò)計算機供 應(yīng)商。為了能確保容易地將商品化以太網(wǎng)集成到廉價芯片中，在x e r o x 的要求下， i n t e l 公司也加入了這個聯(lián)盟，負責提供這方面的指導。由它們組成的 d e c i n t e l - x e r o x ( d i 三駕馬車，1 9 8 0 年9 月開發(fā)并發(fā)布了1 0 m b s 版的以太網(wǎng) 標準 d i x 8 0 。這個標準所支持的唯一一種物理介質(zhì)是粗同軸電纜。1 9 8 2 年，發(fā) 布了該標準的第2 版。這一版以太網(wǎng)對信令做了略微修改，并增加了網(wǎng)絡(luò)管理功 第一章 能 d i x 8 2 。與d i x 工作同步的是，i e e e 成立了如今聞名的8 0 2 計劃，其目標 是為l a n 技術(shù)標準化提供廣泛的工業(yè)框架。8 0 2 的第一次會議于1 9 8 0 年2 月在 加利福尼亞的舊金山召開。當8 0 2 委員會意識到無法將所有l(wèi) a n 統(tǒng)一到一個標 準上時( 而這恰恰是8 0 2 的初衷) ，該委員會被分成了幾個工作組( w g ) ，每個工作 組從事不同的l a n 技術(shù)研究。i e e e8 0 2 3 研究基于以太網(wǎng)技術(shù)的標準，i e e e 8 0 2 4 和i e e e8 0 2 5 工作組分別研究令牌總線與令牌環(huán)技術(shù)。 1 9 8 2 - 1 9 9 0 ：1 0 m b s 以太網(wǎng)發(fā)展成熟 1 9 8 3 年6 月，i e e e 標準委員會通過了第個8 0 2 3 標準。這個標準與d i x 以太網(wǎng)標準相比，除了在一些不太重要的方面有所差別外，基本上使用的是相同 的技術(shù)。實際上，兩項標準文本的許多內(nèi)容是相同的。在8 0 年代隨后的幾年中， 隨著以太網(wǎng)市場的擴大，在這項基本標準中又增加了一系列中繼器規(guī)范并可支持 多種物理介質(zhì)：適用于廉價桌面設(shè)備的細同軸電纜以及用于建筑物之間連接的光 纖等。 隨著非屏蔽雙絞線結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)的廣泛使用，大多數(shù)以太網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié) 構(gòu)發(fā)生了變化。在2 0 世紀8 0 年代期間，多數(shù)以太網(wǎng)都采用物理總線拓撲結(jié)構(gòu)， 使用粗或細的同軸電纜。這種模式與采用星型拓撲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化布線是不兼容 的as y n o p t i c sc o m m u n i c a t i o n s 公司認識到這是一個機遇，便開發(fā)了在雙絞線上 傳輸1 0 m b s 以太網(wǎng)信號的技術(shù)。該公司的一些發(fā)起人來自于最初開發(fā)以太網(wǎng)的 x e r o xp a l oa i m 研究中心。他們的產(chǎn)品l a t f i sn e t 在商業(yè)上獲得了成功，使這項 技術(shù)走向了標準化。i e e e 于1 9 9 0 年9 月通過了使用雙絞線介質(zhì)的以太網(wǎng) ( 1 0 b a s e - t ) 標準，該標準很快成為辦公自動化應(yīng)用中首選的以太網(wǎng)技術(shù)。 1 9 8 3 - 1 9 9 7 ：l a n 網(wǎng)橋接與交換 d e c 在8 0 年代初開發(fā)了第一個透明l a n 網(wǎng)橋，并于1 9 8 4 年發(fā)布了商品化 產(chǎn)品。雖然開始時網(wǎng)橋的性能不高、價格較貴，但它非常容易安裝和使用，與當 時其他產(chǎn)品( 如網(wǎng)絡(luò)互連路由器) 相比，具有較好的性能價格比。網(wǎng)橋成為多個以 太網(wǎng)互連的主流設(shè)備。在8 0 年代中期，許多新老制造商提供了各種各樣的網(wǎng)橋 產(chǎn)品。1 9 8 7 年，國際上開始研究把不同供應(yīng)商的l a n 通過網(wǎng)橋連接在一起的工 業(yè)標準，結(jié)果便是1 9 9 0 年出現(xiàn)的i e e e8 0 2 1 d 標準。 1 9 9 1 年，k a l p a n a 公司成立，它致力于開發(fā)一種新型的以太網(wǎng)網(wǎng)橋。這種網(wǎng) 橋可以連接量的設(shè)備，所有端口可同時以全容量工作。這些作為“l(fā) a n 交換機” 出售的設(shè)備，不僅很快在傳統(tǒng)的l a n 互連中流行，而且還用于連接高性能專用 計算機。之后，又有許多其他公司加入了交換機市場，導致交換機的價格迅速下 降。使用交換機后計算機可以專用l a n 的帶寬，而不再是多個設(shè)備共享一份 塑二童 一一 帶寬。這省去了訪問控制機制，并且實現(xiàn)了“全雙工以太網(wǎng)”。1 9 9 5 年，i e e e 8 0 2 3 委員會開始研究全雙工操作的標準，并在1 9 9 7 年通過了一項標準 i e e e 9 7 。 1 9 9 2 1 9 9 7 ：快速以太網(wǎng) 計算機性能和應(yīng)用需求的增長，要求網(wǎng)絡(luò)容量也同時增長。交換式l a n 給 每個桌面機帶來了更大的帶寬，它們不必再與其他用戶共享一個信道。當然，大 多數(shù)網(wǎng)絡(luò)使用服務(wù)器，這些服務(wù)器仍然由許多用戶共享。由于每個用戶擁有專用 帶寬，因此對服務(wù)器的帶寬需求變得越來越大。1 9 9 1 1 9 9 2 年間，g r a n dj u n c t i o n 網(wǎng)絡(luò)公司認識到要使桌面交換機真正達到實用，它們與共享資源( 如服務(wù)器和主 干網(wǎng)連接) 之間就需要有一種更高速的連接。因此，該公司開發(fā)了一種高速以太 網(wǎng)，這種網(wǎng)的基本特征，如幀格式、軟件接口、訪問控制方法等，與以往以太網(wǎng) 相同，但是運行速度達到1 0 0 m b s 。這是一個巨大的成功，并且孕育了另一項工 業(yè)標準。隨后提出的快速以太網(wǎng)標準 i e e e 9 5 1 促使一批高容量以太網(wǎng)產(chǎn)品的誕 生。注意，這是從最初d i x 規(guī)范提出后的1 5 年里，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率的第一次提 升1 1 9 9 6 一今：千兆以太網(wǎng) 在快速以太網(wǎng)的官方標準提出后不到一年，對干兆以太網(wǎng)的研究工作也開始 了，這種網(wǎng)的速率可達到1 0 0 0 m b s 。快速以太網(wǎng)滿足了1 5 年來人們對網(wǎng)絡(luò)容量 不斷膨脹的需要，它以驚人的速度在新安裝和升級的l a n 中得到廣泛的部署。 然而交換技術(shù)與快速以太網(wǎng)的結(jié)合無疑對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和圓區(qū)主干網(wǎng)施加了更大 的壓力。千兆以太網(wǎng)正是為滿足這種需要而發(fā)展起來的。許多公司開發(fā)并出售了 專用的1 0 0 0 m b s 以太網(wǎng)產(chǎn)品。1 9 9 6 年i e e e s 0 2 3 成立了一個標準開發(fā)任務(wù)組， 1 9 9 8 年完成并通過了標準 i e e e 9 8 1 。研究工作又向支持桌面應(yīng)用的雙絞線千兆以 太網(wǎng)技術(shù)方面拓展。 1 2 1 0 1 0 0 b a s e t 簡介 最早的以太網(wǎng)出現(xiàn)于2 0 世紀7 0 年代末，8 0 年代中期由i e e e 制訂的8 0 2 3 標準【8 ，是在x e r o x 、d e c 、i n t e l 三家公司開發(fā)的以太網(wǎng)基礎(chǔ)上制訂的。以太 網(wǎng)采用有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問f c s m a c d ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l ya c c e s s w i t hc o l l i s i o nd e t e c t ) 的介質(zhì)訪問控$ j ( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 機制，管理各 個節(jié)點設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)總線上發(fā)送信息。初期的以太網(wǎng)是由同軸電纜構(gòu)成的總線型拓 撲的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信速率為1 0 m b s 。用同軸電纜安裝局域網(wǎng)在敷設(shè)電纜布線時， 不很方便，特別是使用粗同軸電纜的情況。8 0 年代后期，由i e e e 發(fā)展和制訂了 第一章 一種稱為1 0 b a s e t 的新型以太網(wǎng)標準，使用u t p 電纜布線，并且使用集線器 提供連接節(jié)點設(shè)備的端口，把原來的以太網(wǎng)在物理上總線型的拓撲，改變成星型 的拓撲，但是在邏輯上仍是總線型的，從集線器到節(jié)點設(shè)備的接線距離限在1 0 0 m 以內(nèi)。 1 0 b a s e t 以太網(wǎng)出現(xiàn)以來，由于電纜布線和建筑物內(nèi)的電話布線相兼容， 并且安裝和拆除節(jié)點設(shè)備很是方便，所以很快得到普及應(yīng)用，目前絕大多數(shù)的傳 統(tǒng)以太網(wǎng)都是以1 0 b a s e t 的形式使用的。 在以太網(wǎng)技術(shù)演變過程中，很重要的進展是在上世紀9 0 年代引入的快速以 太i n ( 1 0 0 b a s e - t x ) 技術(shù)。這種技術(shù)保持了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的c s m a c d 特性，因而與 傳統(tǒng)以太網(wǎng)兼容，保護了原有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的投資，同時又使以太網(wǎng)的技術(shù)性 能得以大幅度的提升，提高了它的使用價值。1 0 0 b a s e t x 使用和傳統(tǒng)以太網(wǎng) 1 0 b a s e t 相類似的集線器，但是網(wǎng)絡(luò)布線要使用品質(zhì)更好的5 類u t p ( 1 0 b a s e t 可以使用3 類u t p ) ，接線長度也是1 0 0 m 。由于1 0 0 b a s e t x 具有l(wèi) o 倍于1 0 b a s e t 的帶寬，因此在相同的時間間隔內(nèi)，1 0 0 b a s e t x 網(wǎng)絡(luò)能夠傳送1 0 倍于1 0 b a s e t 網(wǎng)絡(luò)所能傳送的數(shù)據(jù)量。1 0 0 b a s e t x 技術(shù)于1 9 9 5 年制訂成標準( 8 0 2 3 u ) 。近 幾年來作為提高傳統(tǒng)以太網(wǎng)的手段，單獨使用或者和傳統(tǒng)的以太網(wǎng)配合使用，已 成為主流以太網(wǎng)接入模式。由于以太網(wǎng)的性能價格比高，容易普及使用，特別是 在我國，幾乎絕大部分的局域網(wǎng)都采用以太網(wǎng)技術(shù)。 對于不同速度，不同媒質(zhì)的以太網(wǎng)規(guī)范，需要針對性的設(shè)計不同的媒質(zhì)解入 層，在協(xié)議上稱為物理層( p h y ) ，硬件上對應(yīng)為物理芯片( p h y t r a n s c e i v e r ) 。 1 0 1 0 0 b a s e t 的物理芯片結(jié)構(gòu)將媒質(zhì)無關(guān)接口( m i i ，m e d i a i n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 上的信號通過規(guī)定的編解碼與雙絞線界面對應(yīng)起來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。由于 1 0 1 0 0 b a s e - t 以太網(wǎng)采用雙絞線作為介質(zhì)傳播數(shù)據(jù)，在接收端信號畸變嚴重在較 長線纜上接收信號的眼圖完全閉合，因此需要接收均衡。1 0 0 b a s e t x 采用m l t - 3 編碼，1 0 b a s e t 采用曼徹斯特編碼。 1 3 1 0 0 0 b a s e t 技術(shù) 1 3 11 0 0 0 b a s e t 簡介 千兆以太網(wǎng)使用簡單的以太網(wǎng)機制，為網(wǎng)絡(luò)提供超過1 0 0 0 m b s 的傳輸速率。 它允許用戶通過簡單的改變，使得現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)自然升級到千兆位，其費用要遠遠低 于其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。千兆以太網(wǎng)使用了與十兆、百兆以太網(wǎng)相同的c s m a c d 協(xié)議、 相同的幀結(jié)構(gòu)和幀長，對網(wǎng)絡(luò)用戶來說，這意味著不需要大的網(wǎng)絡(luò)投資，也不需 0 第章 要增加網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和重新培訓，就可以擴展到千兆位的傳輸速率。 1 正是由于這 些特點，且支持全雙工模式，千兆以太網(wǎng)成為為理想的方案以用來升級 1 0 1 0 0 b a s e t 網(wǎng)絡(luò)，被稱為第三代以太網(wǎng)。 1 0 0 0 b a s e t 工作模式框圖如圖1 1 所示。1 0 0 0 b a s e t 采用4 對5 類非屏蔽 ( u t p ) 雙絞線，傳輸距離1 0 0 m ，傳輸速率1 g b s ，比較適用于已鋪設(shè)5 類非屏蔽電 纜的主干局域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 3 】。 對于1 0 0 0 b a s e t 來說，其工作具有如下特點： 1 ) 在長1 0 0 m 的5 類非屏蔽雙絞線上工作。 2 ) 需要4 對雙絞線，專用于1 0 0 0 b a s e t ，每對雙絞線擔負2 5 0 m 帶寬。 3 ) 支持半雙工和全雙工兩種以太網(wǎng)操作。 4 ) 支持自動協(xié)商，包括協(xié)商1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b s ( 對1 0 b a s e - - t 和1 0 0 0 b a s e - - t 向后兼容) 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率。 圖1 1 千兆以太網(wǎng)工作狀態(tài)圖 1 0 0 0 b a s e t 傳輸采用4 d p a m 5 編碼，即采用四對雙絞線同時傳輸數(shù)據(jù)， 每對線上五級電平( - 2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ) 編碼。在外部g m i i 界面上為1 2 5 m h z 的8 比特總線數(shù)據(jù)傳輸。所以總的傳輸速度是1 g m b s 。同時這種傳輸方式在雙 絞線上的符號傳輸可以與g m i i 界面上速率同步到1 2 5 m h z ，與1 0 0 b a s e 1 x 兼 容。 由于雙絞線上采用4 d p a m 5 編碼，為提高抗干擾能力。在發(fā)送端沒有采用 類似1 0 0 b a s e t x 中4 b 5 b 的信源編碼( 在1 0 0 0 b a s e - x ，即光纖或同軸電纜 介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)規(guī)范中，就采用了類似4 b s b 的8 b 1 0 b 編碼) ，而采用t r e l l i s 第一蘋 網(wǎng)格編碼，在接收端采用v i t e r b i 解碼的技術(shù)，提供了一定的糾錯能力。 6 1 羊囂g 魂) r 獺( 矗 t 鐮臻 r 爿。阱 鐮e ) 姒m c e ) 碣 r t 0 拭毓鑫妨- - 螽差孽靶孵 - - e 淵皓 t 啄燕- 一髓孵 女_ 髓攢 r x 矗酌 f 姒慟 牲k e t 踩a 收k t 醞 圖1 21 0 0 0 b a s e - t 拓撲結(jié)構(gòu)與噪聲環(huán)境 由于采用如圖1 _ 2 的四對線雙向傳輸?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)，信道的情況比 1 0 0 b a s e t x 惡劣許多，因此需要采用更加復雜的均衡技術(shù)才可以得到滿意的性 能。 1 3 2 干兆以太網(wǎng)特點 千兆以太網(wǎng)主要有以下一些特點 i ) 簡易性繼承了快速以太網(wǎng)的簡易性，其技術(shù)原理、安裝實施和維護管理 都很簡單。 2 ) 擴展性由于采用了快速以太網(wǎng)基本技術(shù)，如采用相同的c s m a c d 協(xié) 議、幀結(jié)構(gòu)、全雙工半雙工工作方式等，因此由1 0 b a s e t 、1 0 0 b a s e t 升級達到千兆以太網(wǎng)非常容易。 3 ) 可靠性快速以太網(wǎng)安裝維護方法的繼承，星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使網(wǎng)絡(luò)具有很高 的可靠性。 4 ) 經(jīng)濟性做為1 0 1 0 0 b a s e t 的集成和發(fā)展，千兆以太網(wǎng)一方面降低了研 究成本，另一方面由于前者的廣泛應(yīng)用，做為其升級產(chǎn)品，千兆以太網(wǎng) 的廣泛應(yīng)用只是一個時間問題。 5 ) 可管理維護性千兆以太網(wǎng)基于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議s n m p 和遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān) 視r m o n 等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大量的網(wǎng)絡(luò)管理軟件使千兆以太網(wǎng)的集中管理和 維護非常方便。 第一章 6 ) 廣泛應(yīng)用性千兆以太網(wǎng)為局域主干網(wǎng)和城域主干網(wǎng)提供了一種高性能 價格比的寬帶傳輸交換平臺，使得許多寬帶應(yīng)用能施展其魅力。 1 3 3 千兆以太網(wǎng)和百兆以太網(wǎng)之間的主要區(qū)別 千兆以太網(wǎng)與百招以太網(wǎng)相比主要有這么幾點差別： 1 ) 千兆介質(zhì)無關(guān)接口( g m i i ) 和m i i 。當以太網(wǎng)有1 0 m b f s 發(fā)展到1 0 0 m b s 的速度時，由于最初的1 0 m b sa u i 很難擴展到1 0 0 m b s 而引進了新的 介質(zhì)無關(guān)接e lm i i 。與之類似，在向1 0 0 0 m b s 轉(zhuǎn)換時，為1 0 0 m b s 速 度定義的m 1 1 變得不合適了。雖然很多m i i 信號保留下來。但是g m i i 的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)通路拓寬到8 位( m 1 1 只提供4 位) ，這樣可以獲得更 理想的時鐘頻率和數(shù)據(jù)通路轉(zhuǎn)換頻率。即使是做了這些修改，發(fā)送和接 收數(shù)據(jù)通路以及時鐘仍要求工作于1 2 5 m h z 時才能得到i g b & 的速度。 2 ) 恢復為單中繼器規(guī)范。雖然1 0 0 b a s e t 變成了兩級中斷器規(guī)范，但是千 兆以太網(wǎng)又回到了單中繼器類型。由于c s m a c d 存取方法對于往返 很敏感，所以數(shù)據(jù)傳輸速率的增長將直接影響到往返延遲，并將進一步 影響到可以達到的距離。為了克服這一點，在于兆以太網(wǎng)又重新采用了 單中繼器定義。雖然在l g b s 的速率工作時，為了擴大距離限制對以太 網(wǎng)m a c 做了一定的修改，但是由于以太網(wǎng)的全雙工操作，所以單中繼 器是可以接受的。 3 ) 修改c s m a c d 操作和優(yōu)選全雙工。由于m a c 必須要在一個時間槽內(nèi) 檢測沖突，所以c s m a c d 的往返延遲直接影響到了網(wǎng)絡(luò)直徑。 i o ! o o m b 以太網(wǎng)時間槽長度是5 1 2 位時。對千兆以太網(wǎng)而言，如果保 留這個時間槽就將使網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)減小到?jīng)]有多大用處的程度。所以為 了千兆以太網(wǎng)能正常工作，m a c 的c s m a c d 操作得到了修改，時間 槽長度增大到5 1 2 字節(jié)。1 1 2 1 4 ) 得到更新的管理。以太網(wǎng)的管理功能隨著新功能的不斷加入而逐漸發(fā) 展，在千兆以太網(wǎng)中也是這樣。在1 0 0 b a s e t 規(guī)范的基礎(chǔ)上引入全雙工， 再與于兆的要求相融合。 5 ) 拓撲結(jié)構(gòu)。如前所述，如果m a c 層的其他參數(shù)不做擴展，而僅僅增加 速度，將導致c s m a c d 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的減小。也就是說，這意味著速 度由1 0 m b s 增加到1 0 0 m b s ，將使網(wǎng)絡(luò)直徑從2 k m 減小到2 0 0 m 。如果 速度增加到千兆速度，有效網(wǎng)絡(luò)直徑將減小到2 0 m ，對于大型網(wǎng)絡(luò)來說這 是沒有任何吸引力的。出于這個原因，為了能工作于干兆速度，對m a c 做了定的修改，使干兆c s m a c d 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍增加大大約2 0 0 m 這個實用值，同時全雙工也進一步增強其覆蓋能力。 3 】 正是由于千兆以太網(wǎng)與1 0 1 0 0 兆以太網(wǎng)的這些區(qū)別，千兆以太網(wǎng)發(fā)射和接 收電路，尤其是接收器系統(tǒng)在電路設(shè)計上有了很大的變化，需要我們在實現(xiàn)千兆 以太網(wǎng)芯片時對這些做深入的研究。 1 3 41 0 0 0 b a s e t 信道概述 在開始進行具體電路設(shè)計之前，我們需要簡單了解一下信號在實際雙絞線非 理想情況下會受到的干擾和影響，以了解具體接收電路需要實現(xiàn)的功能。 由于1 0 0 0 b a s e t 規(guī)范和1 0 1 0 0 b a s e t x 兼容，同樣采用1 2 5 m h z 的信號速 率，傳輸介質(zhì)為5 類雙絞線，因此和1 0 1 0 0 b a s e - t x 具有相同的信道衰減。但在 四對線雙向傳輸后，除了衰減外，信號還受到回波反射，近端串擾，遠端串擾和 延時失配等的影響。在附錄1 中，簡單介紹了雙絞線衰減模型，所作的分析都是 基于雙絞線模型進行的。 1 信道衰減 用于1 0 0 0 b a s e t 傳輸?shù)奈孱愲p絞線對4 d 5 dp a m 5 波形的一種非理想性影 響是受頻率影響的衰減。如圖1 3 所示傳輸信道收到一個約和廣有關(guān)的衰減，體 現(xiàn)了波形的尖銳處信號的變差。輸入6 2 5 m h z 信號情況下，6 0 米線長下的衰減 約為1 2 d b ，而1 0 0 米線長下的衰減約為1 8 d b 。 五曩孤 一f _ i 土i i - j i l1 一 一_ 一- - - 4 一一 rcvs ig na 1 ：a t te n u a ted eq a 1i 囂ed 圖1 3 信號受到的信號衰減 還有一個有雙絞線引起的直流衰減，體現(xiàn)在符號電平比如+ 1 、一1 處信號 未達到理想值。直流插入損失在6 0 米處為1 4 d b ，1 0 0 米處為2 d b 。 圖1 4 為衰減和頻率之間的關(guān)系。從圖中可以看到，頻率越高衰減越大，信 號高頻分量的衰減很厲害，因為雙絞線對信號的這種衰減，會使信號的高頻能量 有很大的損失，信號的幅度也會有相當?shù)臏p小，因而需要在電路中對輸入信號幅 值進行一定的恢復，同時利用后端電路對輸入信號高頻分量進行補償。 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 1。11_r 第一章 一“， ，7 。 。+ ? ? 。 ， 。夕 。 一“?！?。 i ， 圖1 4 衰減v s 頻率 2 回波干擾 簡單來說，回波反射( e c h o ) 是由于數(shù)據(jù)發(fā)送端與接收端被耦合在同一對雙 絞線上的情況下，發(fā)送信號能量反射對接收信號產(chǎn)生的干擾。回波通常由兩部分 組成，部分是由于發(fā)射端和接收端接于同一個變壓器兩端，發(fā)射信號耦合到接 收端，這部分一定要在模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前通過前端電路抵消掉；另一部分是由于實 際布線時會使用連接器，由于線纜與連接器的阻抗不匹配而發(fā)生于連接處。圖 圖1 5 回波v s 頻率 萋6口gl t 第一章 1 5 給出了回波信號與頻率信號的關(guān)系圖。通過圖1 4 信號衰減和圖1 5 的比較， 可以看到在高頻( 大于5 0 m h z ) 處，本地發(fā)送數(shù)據(jù)回波反射產(chǎn)生的信號能量甚 至超過了對方發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過衰減之后在本地接收到的能量。這種情況將對接收信 號產(chǎn)生很大的干擾。這也是由于全雙工工作狀態(tài)下，發(fā)送和接收共用一根雙絞線 引起的。在1 0 0 b a s e t x 中由于發(fā)送與接收線對分開，因此沒有回波反射的影響。 從這里就可以看出，一定要消除輸入信號的包含的回波干擾，一方面要消除 本方發(fā)射信號的干擾，一方面要消除因為信號線不匹配引起的回波干擾。 3 近、遠端串擾 近端串擾( n e x t ，n e a re n dc r o s s t a l k ) 是其他三對線纜上的本地發(fā)送數(shù)據(jù) 耦合到目標線纜上對當前接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾，遠端串擾( f e x t ，f a re n d 圖1 6 a 近端干擾v s 頻率 圖1 6 b 遠端串擾v s 頻率 囊mg ba# 第一章 c r o s s t a l k ) 是其他線纜上的對方發(fā)送數(shù)據(jù)耦合到目標線纜上對當前接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生 的干擾。這是由于1 0 0 0 b a s e t 規(guī)范采用四對雙絞線同時收發(fā)數(shù)據(jù)而導致的，在 1 0 0 b a s e t x 中由于只采用一對雙絞線發(fā)送，一對雙絞線接收，因此近端遠端串 擾的影響比1 0 0 0 b a s e t 中小的多，一般不作處理。而1 0 0 0 b a s e t 四對線的近端 遠端串擾互相疊加后會使接收信號質(zhì)量明顯惡化。近、遠端串擾可以采用數(shù)字 均衡的方法，利用自適應(yīng)濾波器電路，將輸入信號中的近遠端串擾去除。 4 延時失配 發(fā)送信號通過1 0 0 米雙絞線傳輸后有大約5 3 0 m s 的延時，由于四對線纜品 質(zhì)和實際布線中的不一致，會導致延時失配，最差情況下同時發(fā)送的一組信號在 到達接收端的時間上會相差5 0 n s ，即大約7 個周期，這稱為延時失配。由于無 法預知具體失配情況，延時失配無法通過均衡器來抵消，只能通過接收解碼器根 據(jù)編碼規(guī)則來判斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)對齊。 5 基帶漂移 由于以太網(wǎng)使用雙絞線傳輸信號，根據(jù)協(xié)議 8 規(guī)定與設(shè)計定義，在芯片與 外圍雙絞線接口處采用傳輸變壓器將編碼波形傳輸出去，在數(shù)據(jù)接收端同樣通過 變壓器接收，而由于變壓器是高通元件，直流信號無法通過，因此，如果傳輸碼 型為長時間的+ 1 或1 的情況，那么在接收端將有直流電平的損失，這種情況稱 為基帶漂移( b l w ，b a s el i n ew a n d e r ) ，如圖1 7 所示。 t o 1 圖1 7 基帶漂移的理論模型 實際傳輸中更有可能的是在某段時間內(nèi)1 出現(xiàn)比例不均勻，例如+ 1 出現(xiàn)次 數(shù)遠遠多于一1 ，也會造成明顯的b l w ，如圖l 8 1 1 0 。 圖1 8 實際傳輸中的基帶漂移情況 下面具體討論b l w 造成的結(jié)果： 由于信號為差分輸出輸入，輸出端為v o l v 0 2 ，輸入端為v i l v i 2 。 差分輸出v o = v 0 1 v 0 2 差分輸入v i = v i i v i 2 ， 假設(shè)輸出信號有正的直流分量，例如連續(xù)輸出+ 1 ，引起b l w ，造成v 0 1 與v 0 2 都損失直流分量而朝0 方向靠近，損失為v 。 在接收端，陽2 k 1 一礦 l v , 2 = 以2 一v v i = v 1 一所2 = ( v o l a v ) 一( v 0 2 + a u ) = v o 2 a v 即在接收端產(chǎn)生2 礦的b l w 。通過上面分析可以知道b l w 對信號只產(chǎn)生 平移，而沒有衰減。圖1 7 和1 8n n n n n - - 結(jié)n 。 1 3 5 1 0 0 0 b a s e t 接收器 基于以上介紹的非屏蔽雙絞線的傳送特性以及1 0 0 0 b a s e t 的工作特點，對 于1 0 0 0 b a s e t 接收器來說，當它處理由雙絞線上傳輸來的信號時，特別需要解 決以下問題： 3 】 1 ) 信號在雙絞線上的衰減。非屏蔽雙絞線單位長度衰減很大，遠大于短銅 跳線和光纖。所以1 0 0 0 b a s e t 接收器必須處理更弱的信號和更大的動 態(tài)范圍。 2 ) 信號高頻能量的損失a 非屏蔽雙絞線的衰減隨信號頻率的提高而非線性 快速下降。 第一章 3 ) 信號受到的回波、近端、遠端及其他一些干擾。這是不理想線路終止和 電纜特性阻抗的變化引起的反射( e c h o ) ，同時，全雙工的工作模式使 雙絞線出現(xiàn)嚴重的近端和遠端串繞，隨著信號速率的增加，這種串繞可 以產(chǎn)生很強的干擾信號。 4 ) 由于信號都是通過變壓器耦合送到雙絞線上，由于變壓器的低阻高通特 性引起基帶漂移現(xiàn)象。 同時，信號在雙絞線上傳遞時，由于非屏蔽雙絞線抗電磁干擾性能很差，同 時雙絞線布線的問題，會從外界新加入的相當?shù)母哳l噪聲，使接收器接收到信號 的噪聲增加，質(zhì)量受到相當?shù)挠绊憽?總結(jié)以上問題，可以得到，對于1 0 0 0 b a s e t 接收器，它需要完成這些功能： 基帶漂移補償 低通濾波 高頻補償 回波消除 串擾消除 數(shù)字均衡 接收器框圖如圖1 9 所示： 如 盥 一 圖1 9 接收器框圖 從圖中可以看到，一般的模擬接收前端包括h y b r i d ( 消除全雙工模式下的本 方發(fā)射信號) ，可變增益控制電路( v g a ) ，低通濾波電路( l p f ) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ( a d c ) ，其中低通濾波電路就是為了消除有效信號帶寬以外的噪聲。而均衡、回 波消除和串擾消除都通過數(shù)字電路來實現(xiàn)，其中，均衡器電路通過前饋均衡n ( f e ) 和判決反饋均衡器( d f e ) 實現(xiàn)，通過維特比解碼電路控制( v d ) ，補償高頻分量 損失和基帶漂移現(xiàn)象；回波和串擾通過有限沖擊響應(yīng)濾波器( f i r ) 實現(xiàn)，該f i r 濾波器基于的是最小平均方差算法( l m s ) 。 雖然通過純粹的數(shù)字方案實現(xiàn)，是非常直接和清晰的，但是會存在一個很大 的問題就是量化噪聲。因為模數(shù)轉(zhuǎn)換器后邊接的是前饋濾波4 器- ( f e ) ，f e 用來實 第一章 現(xiàn)高頻補償，但是如果只采用數(shù)字均衡器進行補償，則a d c 的量化噪聲將會被 放大進而影響接收器整體性能，如果模擬接收器能夠?qū)崿F(xiàn)一定的高頻補償，就會 降低后端f e 的高頻補償，也就降低了對量化噪聲的放大；同時如果模擬接受前 端能夠提供一定的回波消除，將會提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器增益，進而提高輸入信號與量 化噪聲的比值，優(yōu)化系統(tǒng)性能；同時模擬方案補償基帶漂移，會大大降低判決反 饋均衡器的階數(shù)，降低數(shù)字系統(tǒng)的面積和功耗。由此可以看出如果我們能夠在模 擬接受前端中實現(xiàn)一定的基帶漂移補償、高頻補償和回波消除，會比較有效地提 高整個接收器系統(tǒng)的性能，相應(yīng)的是可以降低對模數(shù)轉(zhuǎn)換器有效位數(shù)的要求以及 數(shù)字均衡器電路的規(guī)模和功耗。 4 1 1 5 9 】。當然對于模擬接收器來說，近遠端串 擾很難通過模擬接收器電路實現(xiàn)預均衡，只能通過后端數(shù)字均衡電路加以消除。 圖1 1 0 是帶有模擬接收器電路的接收器系統(tǒng)框圖。 圖1 1 0 帶模擬接收器的接收器框圖 從圖中可以看到，模擬接收器需要實現(xiàn)如下的功能： 自動回波消除( a c t i v ee c h oc a n c e l ) 基帶漂移( b l w , b a s e l i n ew a n d e r ) 自動增益控制( a g c ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 高頻補償( h p f , h i g hp a s sf i l t e r ) 低通濾波( l p f , l o wp a s sf i l t e r ) 塑三蘭 第二章千兆以太網(wǎng)模擬接收器系統(tǒng) 由于在干兆以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，采用5 類雙絞線介質(zhì)并且要經(jīng)過變 壓器，會在接收端會產(chǎn)生嚴重的信號衰減及基帶漂移，從而導致信號失真。為了 恢復和補償由于各種原因造成的信號衰減和信號失真，使之達到一定的誤碼率指 標，整個接收電路使用了數(shù)字均衡器來補償信道產(chǎn)生的損耗。為了降低數(shù)字均衡 器的階數(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計難度，需要用模擬接收器電路對信號進行預處理， 以使信號能夠更好的被模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理和恢復。在具體設(shè)計電路之前，需要根據(jù) 要求來確定設(shè)計指標。 接收器模擬前端電路主要包括回波消除電路( e c h oc a n c e l l e r ) 、通路選擇電 路( a u t oc r o s s o v e r ) 基帶漂移消除電路( b l w , b a s e l i n ew a n d e rc a n c e l l e r ) 、自 動增益控制( a g c ，a u t og a i nc o n t r o l l e r ) 等電路。其中自動增益控制電路同時 實現(xiàn)自動增益控制，高頻補償( h p f ) 和低通濾波( l p f ) 的功能。 2 1 接收器系統(tǒng)建模 在確定模擬接收器各個模塊指標之前，我們需要對雙絞線、模擬接收器、 a d 、數(shù)字均衡器建立系統(tǒng)模型，按照系統(tǒng)要求，調(diào)整模擬接收器各部分的參數(shù)。 可以按照圖2 1 【1 6 】的模型，對系統(tǒng)進行建模，并進行系統(tǒng)仿真。 輸 2 1 1 對數(shù)字均衡器的建模 圖2 1 系統(tǒng)仿真框圖 自適應(yīng)判決反饋均衡器( d f e ) 采用的是最小均方誤差( l m s ) 算法，其結(jié)構(gòu)如 圖2 2 。 1 3 兒1 4 采用l m s 算法的調(diào)節(jié)公式是： c k “+ 。= c 女一“8 1 ”一 ，k = 一( 一1 ) ，l ，0 b k ”+ 1 = 良( 一“幽函一女，k = 1 ，l ， ( 2 1 ) t 妊 這里為a d 采樣輸入：前饋均衡( f f e ) 消除前導干擾，有n 級，c k 是前饋 均衡第k 級系數(shù)；反饋均衡( d f e ) 消除后尾干擾，有m 級，挑反饋均衡第k n 系 數(shù)；求和器的輸出就是軟判決的結(jié)果；求和結(jié)果經(jīng)過判決器得到a n ，表示硬判 決得到的數(shù)碼，就是對發(fā)送序列的估計值，在無誤碼時和發(fā)送數(shù)據(jù)序列相同。軟 判決與硬判決的差為誤差e 。，作為l m s 自適應(yīng)調(diào)整算法的輸入。 衡量均衡結(jié)果的指標s n r = 蘭莩，其中信號能量2 k 指硬判決后的平均能量， 盯。 等效的噪聲均方差d 就是軟判決與硬判決的誤差e n 。 圖2 2 自適應(yīng)判決反饋均衡器結(jié)構(gòu) 根據(jù)理論，如果有足夠的f f e d f e 階數(shù)，軟判決誤差產(chǎn)生的原因是由于a d 采樣誤差，算法步長太大引起的系數(shù)抖動誤差和各個運算單元的運算誤差等的疊 加。這每個原因引入的誤差都是互相獨立的，因此無論這些誤差如何分布( 例 女n a d 誤差可能是均勻分布或高斯分布，運算誤差是均勻分布等等) ，原則上， 無窮多個互相獨立的隨機分布疊加結(jié)果總是正態(tài)分布，實際上，雖然在這旱不是 無窮多個而是有限的隨機分布，但由于互相獨立的分布很多，疊加結(jié)果是相當接 近正態(tài)分布，完全可以當作高斯噪聲處理。 2 1 2 對雙絞線的建模 根據(jù)附錄中介紹的雙絞線衰減模型，進行理論推導與參數(shù)擬和，可以通過下 面公式對雙絞線進行建模 1 2 2 0 第二章 h a s ( 1 _ ( 1 9 6 7 7 + 0 0 2 3 f + 等) ( 2 2 ) 其中，h a a 是信號的衰減幅值( d b 為單位) l 為距離( 以m 為單位) ，f n 頻 率( 以m h z 為單位) 。 同時，由于雙絞線長度的變化，會導致干擾分量的變化，其中，近端回波和 近端串擾會受雙絞線長度的影響，可以按照式( 2 2 ) 建立基于最壞情況的模型， 如式2 3 和2 4 。 近端回波： 1 5 d b f l 2 0 m h z ) 2 t 1 5 _ 1 0 l 。”( 2 0 ) ( 2 0 i o o 姚) ( 2 3 ) 近端串擾： 脅“= 2 7 1 1 6 8 l o g , o ( f 1 0 0 )( 2 4 ) 在實際的信號傳輸過程中，線纜長度對遠端回波干擾和遠端串擾會產(chǎn)生影 響，因此我們必須在雙絞線模型上疊加新的遠端回波和遠端串擾的模型。簡單來 說，我們假設(shè)遠端回波和遠端串擾發(fā)生的時間與線纜長度成正比，也就是它們的 幅度與線纜長度成反比，因此遠端回波島曲。和遠端串擾趕鈿的脈沖響應(yīng)可以建 模為： 粕。( f ，廠) ：瑪。( 1 0 0 , t - l d c o ，5 ) 輩 t t j h , ( 1 ，) ：h m ( 1 0 0 , t - l d o 。, 5 ) 輩 ( 2 5 ) h # x t = 2 0 l 0 9 1 0 p 知( ，) ，p 如( 廠) 】 其中，如，5 是非5 類線的傳輸常數(shù)，大致為2 1 0 5 m s 。p 知是相鄰近端發(fā) 射信號的傳播信號的峰值電壓，珍“是遠端串擾信號峰值電壓。 2 1 3 對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的建模 假定實際a 他的量化噪聲是高斯分布的，其信噪比s n r 與有效分辨率m 的對 立關(guān)n y 7 s n r = 6 0 2 m + 1 7 6 。( 實際上，理想a 仍的量化噪聲是在一個臺階內(nèi)的均 勻分布，不是高斯分布) 不考慮其他的刖d 量化誤差，在已知信號輸入為v i n ， 平均功率為e a v 的情況下，實際量化結(jié)果是： v ( a d ) = r o u n d ( v i n + n o i s e ) + 2 。 2 ( 2 6 ) 第二章 其中k 為a d 設(shè)計位數(shù)，n o i s e 為方差盯2 = 髓，s n r