（模式识别与智能系统专业论文）cmos+10100m以太网收发器设计与验证.pdf

r5 7 8 9 9 7 摘要 2 0 世纪以计算机为代表的信息产业，标志着人类社会进入了信息时代。计算机网 络的研究和发展，对全世界科学、经济和社会都产生了重大影响。根据传输距离不同， 计算机网络主要分为广域网和局域网。以太网是目前最广泛使用的局域网技术。作为 一种传输协议，以太网处于o s i 七层协议的物理层和数据链路层，向连接在网络电缆 上的设备发送数据包。以太网，又称为i e e e 8 0 2 3 标准，是由美国施乐公司提出来的 种数字媒体接口。1 9 8 5 年，i e e e 发布了第一版的8 0 2 3 标准，其核心内容是载波 监听冲突检测( c s m a c d ) 协议。1 9 9 0 年，i e e e 颁布了8 0 2 3 i 标准，传输速率达到 1 0 m b s 。1 9 9 5 年3 月，i e e e 8 0 2 ，3 u 规范正式通过，宣布了快速以太网的时代的来临。 以太网的传输介质丰要分为三类：双绞线、同轴电缆和光纤。目前基于双绞线介 质并且按照结构化的布线标准安装的以太网是最广泛的网络技术。这丰要是因为它们 可靠，易于安装和管理，并且成本低廉。然而与同轴电缆和光纤相比，双绞线容易受 到噪声的干扰，同时信号的衰减较大，尤其是高频信号。研究指出双绞线造成的损耗 大致与双绞线的长度和传输速率的平力根成正比。因此需要设计均衡电路对双绞线的 损耗进行补偿，并改善接收数据的码问干扰( i s i ) 。另外，双绞线固有的带宽较小， 并且容易产生电磁辐射，需要采用复杂的编码和其他技术，满足系统要求。本文围绕 1 0 1 0 0 m 以太网收发器的设计与验证，进行了深入系统的研究。 首先分析了i e e e 8 0 2 3 和以太网物理层协议，提出了一利r1 0 1 0 0m 以太网收发器 体系结构设计，在一块芯片上同时实现1 0 b a s e - t 、l o o b a s e - t x 和1 0 0 b a s e - f x 功 能，降低芯片功耗和面积。分析了双绞线传输模型，比较了各种l m s 算法的直流漂 移特性，提出了一种基于符号一符号l m s 算法的数模混合自适应均衡器体系结构， 无须高速a d 转换器和数字乘法器，进一步降低芯片功耗和面积。结合自适应均衡器 电路的设计，提出了一种改进m u e l l e r m u l l e r 算法，实现1 0 0 b a s e - t x 时钟恢复功能。 具体c m o s 电路设计中，设计可变增益跨阻放大器( v 帆) 实现模拟乘法器；设计 高速模拟采样保持电路实现信号的延时：设计电流加法、电流电压转换器实现模拟加 法器：设计四输入比较器实现数据切片等。 理论上分析给出了一种电荷泵锁相环噪声模型，指导锁相环系统参数的优化设 计，降低相位噪声和时钟抖动。根据以太网收发器系统要求以及时钟恢复算法，提出 了一种1 0 0 m 以太网频率合成器体系结构。具体c m o s 电路设计中，在鉴频鉴相器中 加入延迟单元，解决死区问题；通过电路设计，降低电荷泵电流脉冲延迟导致的不匹 配：采用8 级环行振荡器结构生成16 相位时钟信号，用于接收时钊t 恢复；通过电路 影矛尚河盛 匆全文公布 结构改进和版图，降低v c o 的电源电压噪声和衬底噪声；采用高精度能隙电压源和 宽幅度电流镜，为锁相环提供稳定的电压和电流。 围绕1 0 1 0 0 m 以太网收发器的设计，本文进行了行为级、r t l 级、电路级验证， 并给出了后端设计：版图、设计规则检查、版图与原理图比较、版图参数提取和后仿 真。在此基础上，采用标准0 3 5 微米1 p 4 m ( 层多晶硅，四层金属) c m o st 艺进 行了芯片验证。结果表明，该以太网收发器完全满足系统要求和i e e e 8 0 2 3 协议；数 模混合自适应均衡器能够有效恢复双绞线的衰减；时钟恢复算法能够从接收数据中准 确提取时钟；频率合成器能够满足系统时钟的要求。以太网收发器实际性能指标为： 工作电压3 3 伏，芯片面积3 2 3 m m 2 ，1 0 0 b a s e - t x 时功耗3 5 7 h w ，误码率低于1 0 “，发送抖动o 9 n s 。自适应均衡器的实际性能指标为：芯片面积i 2 31 1 1 1 1 1 2 ，功耗8 4 h w ， 双绞线有效恢复距离1 4 0 m 。频率合成器的实际性能指标为：芯片面积0 1 l m m 2 ，输 出抖动峰值一峰值8 2 p s ，功耗1 9 2 h w 。 关键词：以太网，收发器，白适应均衡器，锁相环，l m s 算法 i i a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r yi n2 0c e n t u r y ，w h o s ed e p u t yi sc o m p u t e r , r e p r e s e n t st h a t h u m a nh a se n t e r e di n f o r m a t i o ns o c i e t y t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k g r e a t l yi n f l u e n c eg l o b a ls c i e n c e ，e c o n o m ya n ds o c i e t y a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tt r a n s p o r t d i s t a n c e ，c o m p u t e rn e t w o r ki s d i v i d e di nt w om a i nc a t e g o r i e s ：l o c a la r e an e t w o r ka n d w i d ea r e an e t w o r k e t h e r n e ti st h em o s tp o p u l a rl a nt e c h n o l o g yn o w a sat r a n s p o r t p r o t o c o l ，e t h e m e tl o c a t e sa tt h ep h y s i c a ll a y e ra n dd a t al i n kl a y e ro fo s im o d e l ，w h i c h t r a n s m i td a t ap a c k e tt oe q u i p m e n t sc o n n e c t e dw i t hn e t w o r kc a b l e e t h e r n e t ，c o m m o n l y r e f e r r e d 弱i e e e 8 0 2 3 i sad i g i t a lm e d i ai m e r f a c ef i r s ti n t r o d u c e db yx e r o xc o m p a n y i n l9 8 5 ，t h ef i r s te d i t i o no fi e e e 8 0 2 3w a si n t r o d u c e d ，w h i c hc o r ei sc s m a c dp r o t o c 0 1 i e e e 8 0 2 3 ip r o t o c o lw a sa n n o u n c e di n1 9 9 0 ，t h ed a t ar o t ec a nu pt o1 0 m b s i e e e 8 0 2 3 u p r o t o c o lf o r m a l l yp r o v e di n1 9 9 5 ，a n n o u n c e t h ef a s te t h e r n e ta r e ai sc o m i n g ， t h et r a n s m i tm e d i a so fe t h e r n e td i v i d ei n t ot h r e em a i nc a t e g o r i e s ：t w i s t e dp a i r ，c o a x i a l c a b l ea n df i b e ro p t i c s e t h e r n e tb a s e do nt w i s t e dp a i ri st h em o s tp r e v a l e n tt e c h n o l o g yn o w ， b e c a u s et h e ya r er e l i a b l e ，e a s yi n s t a l l a t i o nm a dm a n a g e m e n t ，a n dl o wc o s t b u tc o m p a r e d w i t hc o a x i a lc a b l ea n df i b e ro p t i c s ，t w i s t e dp a i rc a nb ed i s t u r b e db yn o i s ee a s i l y ，a n ds i g n a l a t t e n u a t i o ni s b i g ，e s p e c i a l l yh i g hf r e q u e n c ys i g n a l t h e l o s sc a u s e db yt w i s t e dp a i ri s p r o p o r t i o n a lt oc a b l el e n g t ha n dt h es q u a r eo fs i g n a lr a t e s oe q u a l i z e rc i r c u i ts h o u l db e d e s i g n e dt oc o m p e n s a t i o n t h el o s sa n di m p r o v e i s io f r e c e i v i n gd a t a m e a n t i m e ，t h en a t u r a l b a n d w i d t ho ft w i s t e dp a i ri s s m a l l ，c o m p l e xc o d i n gt e c h n i q u e sa n do t h e rt e c h n o l o g i e s s h o u l db ea d o p t e d t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so n t h ed e s i g na n dv e r i f i c a t i o no f1 0 1 0 0m b p s s e t h e m e tt r a n s c e i v e r f i r s ti e e e 8 0 2 3a n de t h e m e t p h y s i c a lp r o t o c o la r ea n a l y z e d ，a n da1 0 1 0 0 me t h e r n e t t r a n s c e i v e ra r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e d ，w h i c hr e a l i z ea l l 1o b a s f ，t , 1o o b a s e - t xa n d 10 0 b a s e - f xf u n c t i o n si nas i n g l ec h i p ，s ot h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dc h i pa r e ai sl o w e r t h e o r e t i c a l l y , t w i s t e d p a i r c a b a lm o d e li sb u i l t ，d co f f s e tp r o p e r t yo fd i f f e r e n tl m s a l g o r i t h m s a r e a n a l y z e d ，a n d an e wm i x - m o d ea d a p t i v e e q u a l i z e rb a s e d o ns i g n - s i g n a l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，w h i c he l i m i t et h en e e df o rh i g hs p e e da dc o n v e n e ra n dd i g i t a l m u l t i p l i e r ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dc h i p a r e ai sl o w e rf u r t h e r c o m b i n e dw i t ht h e a 6 a p f w ee q u a l i z e r6 e s 1 9 n ，am o & f l e d m u e 、e rm u f i e r 出g o n 胁1i si n t r o f u c e 8 协r e a f i z e c l o c kr e c o v e r yf u n c t i o n t h ee q u a l i z e ri sr e a l i z e di nc m o sc i r c u i t ，i n c l u d i n gv a r i a b l eg a i n i i i t r a i l s - i m p e d a n c ea m p l i f i e r t or e a l i z ef i r m u l t i p l y i n g ，h i g hs p e e ds a m p l ea n d h o l dc i r c u i tt o r e a l i z ea n a l o gs i g n a ld e l a y ，c u r r e n ts u ma n dv ic o n v e r t e rt or e a l i z ef i r a d d i t i o n ，f o u ri n p u t c o m p a r a t o r t or e a l i z ed a t as l i c e r t h e o r e t i c a l l y , an o i s em o d e lo fc h a r g ep u m pp l li sb u i l t ，t o a d v i s ep l ls y s t e m p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n dr e d u c ep h a s en o i s ea n dc l o c kj i t t e r a c c o r d i n gt ot r a n s c e i v e r s y s t e m r e q u i r e m e n t s a n dc l o c kr e c o v e r ya l g o r i t h m , a1 0 0 me t h e r n e tf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r a r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e d i nr e a lc m o sc i r c u i t i m p l e m e n t a t i o n ，d e l a yc e l li sa d d e di n p h a s ed e t e c t o r st os o l v ed e a d z o n ep r o b l e m s ；t h r o u g hc i r c u i td e s i g n ，t h em i s m a t c hc a u s e d b y c u r r e n tp u l s ed e l a yi sr e d u c e d ；e i g h t r i n go s c i l l a t o ra r c h i t e c t u r ei sa d o p t e dt og e n e r a t e1 6 p h a s ec l o c ks i g n a l s ；t h r o u g hc i r c u i t sd e s i g na n dl a y o u tt e c h n i q u e s ，t h ev o l t a g es o u r c en o i s e a n ds u b s t r a t en o i s ea r ee f f f i c i e n t l y d i m i n i s h e d ；h i g hp r e c i s i o n 、_ o l t a g er e f e r e n c ea n dw i d e s w i n gc u r r e n t m i r r o ri sa d o p t e dt og e n e r a t es t a b l ev o l t a g ea n dc u r r e n t s u r r o u n d i n gt h ed e s i g no f1 0 1 0 0 me t h e r n e tt r a n s c e i v e r ，t h i st h e s i sp r o c e s sb e h a v i o r ， r t l ，c i r c u i tl e v e lv e r i f i c a t i o n s ，a n db a c k e n dd e s i g n ，i n c l u d i n gl a y o u t ，d r c ( d e s i g nr u l e c h e c k ) ，l v s ( 1 a y o u t v s c h e m a t i c ) ，l p e ( 1 a y o u tp a r a m e t e r se x t r a c t i o n ) o n t h eb a s i s o ft h e s ew o r k s ，t h et r a n s c e i v e ri sv e r i f i e di ns t a n d a r do 3 5 u r nc m o s p r o c e s s t h er e s u l t s s h o wt h et r a n s c e i v e rc a nf i f l l y s a t i s f ys y s t e mr e q u i r e m e n t sa n di e e e 8 0 2 3p r o t o c o l ，t h e n e w e q u a l i z e rc a ne f f i c i e n t l yc o m p e n s a t et w i s t e dp a i rl o s s ，t h ec l o c kr e c o v e r ya l g o r i t h m c a na c t u a l l ye x t r a c tc l o c ki n f o r m a t i o nf r o mr e c e i v i n gd a t a ，a n dt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r c a ns a t i s f ys y s t e mc l o c kr e q u i r e m e n t s t h ec h i pw o r ko n3 3 vv o l t a g e ，a r e ai s 3 2 3 m n l 2 ， p o w e rc o n s u m p t i o ni n1 0 0 b a s e - t x i s3 5 7 h w ，b i t ee r r o rr a t el o w e rt h a n1 0 “，仃a n s m i t p e a k - t o p e a kj i t t e ri s0 9 n s a d a p t i v ee q u a l i z e rc h i pa r e ai s 1 2 3m i d ，p o w e rc o n s u m p t i o n i s 8 4 h w , c a nc o m p e n s a t e 1 4 0 mt w i s t e d p a i rl o s s f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rc h i pa r e ai s o 1l m r n z ，p e a k t o - p e a k j i t t e r8 2 p s ，p o w e rc o n s u m p t i o ni s1 9 2 h w k e y w o r d s ：e t h e m e t ，t r a n s c e i v e r ，a d a p t i v ee q u a l i z e r ，p h a s el o c k e d l o o p ，l m sa l g o r i t h m 1 绪言 1 - 1 研究背景 2 0 世纪以计算机为代表的信息产业，标志着人类社会进入了信息时代。计算机网 络的研究和发展，对全世界科学、经济和社会都产生了重大影响【l _ 3 】。根据摩根斯坦利 添慧互联网研究报告预计到2 0 0 3 年全球互联网用户将超过5 亿人，并且增长非常迅 速，如图l l 所示。 图1 - 1 互联网发展趋势预测( 1 9 9 7 2 0 0 3 ) 随着瓦联网用户的迅速增长，对于网络设备的需求也急剧增加。网络设备市场已 成为计算机市场上成长率最高的一个市场。研究报告指出2 0 0 1 年我国网络设备市场 规模达到1 1 7 4 亿元，与2 0 0 0 年1 0 0 亿元的市场规模相比较，同比增长1 1 7 。1 9 9 6 年- - 2 0 0 1 年我国网络设备市场规模如图1 - 2 所示。 芷 图1 2 中国网络设备市场规模 目前以太网是最广泛使用的局域网技术 4 】。根据国际数据公司2 0 0 1 年统计，全球 8 5 的网络设备采用以太网技术。作为一种传输协议，以太网处于o s i 七层协议的物 理层和数据链路层，向连接在网络电缆上的设备发送数据包。 以太网，又称为i e e e 8 0 2 3 标准，是由美国施乐公司提出来的。种数字媒体接口。 1 9 8 5 年，i e e e 发布了第一版的8 0 2 3 标准，其核心内容是c s m a c d ( 载波监听冲突 检测) 协议删。1 9 9 0 年，i e e e 颁布了8 0 2 3 i 标准【”，即1 0 b a s e - t ，传输速率达到1 0 m b s ， 支持双绞线星形网，最大传输电缆小于1 0 0 米。1 9 9 5 年3 月，i e e e 8 0 2 3 u 规范正式 通过【7 】宣布了快速以太网的时代的来临。i e e e 8 0 2 3 u 规范支持1 0 0 b a s e - t ， 1 0 0 b a s e - x ，1 0 0 b a s e - t 4 和1 0 0 b a s e - f x ，使通讯速率达到1 0 0 m b s 。i 9 9 8 年6 月， i e e e 正式通过了千兆以太网标准8 0 2 3 z ”。图1 - 3 为以太网技术发展历程示意图。 图1 - 3以太网发展历程 以太网的传输介质主要分为三类：双绞线、同轴电缆和光纤。目前基于双绞线介 质并且按照结构化的布线标准安装的以太网是最广泛的网络技术。这主要是因为它们 可靠，易于安装和管理，并且成本低廉。1 0 0 b a s e - t x 、1 0 0 0 b a s e - t 都采用第五类 双绞线传输高速率数据。然而，与同轴电缆和光纤相比，双绞线容易受到噪声的干扰， 同时信号的衰减较大，尤其是高频信号。仅仅通过对接收到的输入信号滤波不足以恢 复出低误码率的数据。研究指出双绞线造成的损耗大致与双绞线的长度和传输速率的 平方根成正比。图l 一4 为不同距离双绞线的损耗频率特性。因此，需要设计均衡电路 对双绞线的损耗进行补偿，并改善接收数据的码间干扰( i s d 。另外，双绞线固有的 带宽较小，并且容易产生电磁辐射。需要采用复杂的编码和其他技术，满足系统要求。 因此，有必要研究双绞线以太网的均衡电路设计和编码技术。 0 五0 号 堪。o 麟 ”西鞴西嚣矗苌：、。 7 。“、h 、】5 m 、：、 、 、 - 跏i 、 、 - 惑 0 0 k 1 x i i x 1 频率( 赫兹) 图1 - 4 不同距离双绞线的损耗频率特性 1 2 均衡电路研究现状 通讯信道，例如电话、双绞线、光纤等，容易受到符号问干扰的影响。如果不进 行信道均衡，那么信道带宽的利用变得不充分。信号均衡是补偿信道带宽有限引起效 应的过程，进而允许更高数据率。这些分散效应来源于传输介质的色散和无线信道的 多路径效应。图l 一5 为一个典型的通讯系统【9 】，当信道引入符号问干扰时，在接收端 必须采用均衡器。均衡器的传递函数是信道传递函数直接取逆。通常需要在带宽有限 的信道上传输高速数据，而信道的频率响应不可能知道足够详细，以设计最优化匹配 滤波器。因此，均衡器需要设计成随信道变换进行自适应调整。自适应均衡器的结构 如图1 - 6 所示【l 。基于观测得到的信道输出信号，自适应算法不断更新均衡器，重建 输出信号。日前信号均衡通常采用两种方法来实现，即连续时问均衡器与数字信号处 理均衡器。 图1 - 5 基带传输系统 图1 - 6 白适应均衡器结构 1 2 1 连续时间均衡器 连续时间模拟均衡器试图重构连续的输入信号，然后用恢复的时钟信号进行采 样，将信号转换成数字信号进行处理。实现过程是采用一系列低通、带通和高通滤波 器，消除原始信号低频分量的额外延迟，补偿高频分量的幅度衰减。这是一种常用的 频域处理方法，需要考虑传输线长短引起的频率转移，仔细选择零点和极点的位置。 这些滤波器通常采用跨导放大器和电容进行实现。 j a m e se v e r i t t 、p a u lh u r s t t “ 采用的均衡器结构如图1 7 所示。双绞线输入的信号 首先经过2 ：1 的幅度调整。然后该信号和基线漂移调整信号相加，输出到模拟自适 应均衡器模块。均衡器由自适应高通滤波器和增益调整两个模块组成，其信号直接相 加。所得到的信号经过电容滤波器进行低通滤波。为了控制低通滤波器截止频率随工 艺、电源电压、温度的漂移，使用一个锁相环调整均衡器极点的位置。均衡器的输出 送到时钟恢复模块和数据恢复模块。所生成的误差信号反馈回来控制高通滤波器和自 动增益调整电路。 惮 i n 图1 7j a m e se v e r r i t t 均衡器结构框图 4 该方法的优点主要在于能够补偿很高频率的数据信号。然而，c m o s 工艺半导体 器件参数漂移以及线性电容的缺乏使得实际线路性能较差，电源兼容性不好。信号路 径中寄生参数引起的寄生零点、极点和器件的不匹配是性能降低的主要原因。随着电 源电压的降低，信号幅度空间减小，需要采用其它电路技术。 1 2 2 数字信号处理均衡器 基于数字信号处理的均衡器采用低通滤波器、采样保持电路和模数转换电路来捕 捉输入的模拟数据信号，转换成数字信号。然后采用信号处理算法对数字信号进行滤 波。通常采用处理器或专用数字逻辑电路来实现。与连续时间模拟均衡器方法相比， 寄生极点不再关键。而且，这种方法的最大特点在于能够采用标准单元设计实现，可 以随着电源电压进行调整，不需要专门的工艺。 z w e i - m e il e e 、j i e h - t s o m gw t 1 2 提出了一种1 2 5 m h z 数字均衡器。采用0 2 5u r n c m o s 标准单元库进行实现，符合千兆以太网1 0 0 0 b a s e - t 标准。该均衡器包括一个1 6 阶向前自适应f i r 滤波器，接收前级模数转换器生成的8 比特输入信号；一个1 6 阶判决 反馈自适应f i r 滤波器，生成5 比特输出信号。该均衡器的结构框图如图1 - 8 所示。 f r o m d c e 图1 - 8z w e i m e il e e 结构框图 c a e s a rs h w o n g 、j a c q u e s c r u d e l l t l 列等提出了一种5 0 m h z 、8 阶自适应滤波器 用于差分响应信道，采用1 2 u mc m o s 工艺实现。图1 - 9 显示p r m l 读信道框图。磁 盘的信号首先经过读放大器进行放大，然后输出到模拟前端电路，包括r 个可变增益 放大器、低通滤波器、采样和模数转换器。紧接着在数字部分实现自适应均衡、序列 检测和时钟恢复功能。 图1 - 9p r m l 读信道框图 然而，对于指定的制造工艺，该方法补偿高频信号的能力有限。采样频率必须大 于n y q u i s t 速率，即所采信号频率的两倍。在高频，这给数字信号处理实现所需的乘 法、加法电路提出了严格的时序要求。另外快速采样速率需要高性能的滤波器、采样 保持电路和模数转换电路。这些都是模拟电路，实现比较复杂，和连续时间滤波器拥 有一些同样的缺点。 1 3 以太网数据编码方案 数据编码的目的是保证有足够的电平跳变，利于接收时钟恢复：并通过降低信号 频率减少电磁辐射，满足双绞线带宽的要求。下面分析以太网1 0 b a s b t 、 1 0 0 b a s e - t x 、1 0 0 0 b a s e - t 采f q j 的编码方法。 1 3 11 0 b a s e - t 编码方案 1 0 b a s e - t 采用曼彻斯特编码。该编码在每一比特中问有一个电压跳变。电压从 低跳到高时，表示逻辑“1 ”；而电压从高跳到低时，表示逻辑0 。该编码的主要优 点是没有直流漂移( b a s e l i n ew a n d e r ) ，逻辑“l ”和逻辑0 的分布各占5 0 。同 时曼彻斯特编码有足够的跳变信息，方便接收端进行时钟同步。 1 3 2 1 0 0 b a s e - t 编码方案 目前通讯领域常用的一种编码方案是非归零( n o nr e t u r nt oz e r o ，n r z ) 编码【1 4 1 ， 即直接将逻辑1映射为高电平，将逻辑“0 ”映射为低电平。然而n r z 编码存在 着基线漂移问题。当逻辑1和逻辑“0 ”个数相差较大时，信号的直流分量产牛变 化，影响接收端的数据恢复。另外，n r z 码不能提供足够的跳变用于时钟恢复。 为了解决这个问题，人们提出了另一种编码方案，即非归零反转码( n o nr e t u r nt o z e r oi n v e r t e d ，n r z i ) 1 1 5 。当发送逻辑1 时，产生一个电压跳变；而发送逻辑“0 ” 时，则保持电压不变。这样就解决了连续逻辑1 的问题。但是仍然存在连续逻辑 0 的问题。 1 0 0 b a s e - t 采用4 8 5 b 编耐”j ，解决连续逻辑“0 ”的问题。该编码将发送的每 4 比特数据编码为5 比特，具有8 0 的传输效率。理论分析可知4 比特有1 6 种二进 制表示形式，而5 比特有3 2 种形式。i e e e 8 0 2 3 通过编码方案确保生成的5 比特数据 中不出现连续三个逻辑“0 ”，这样就解决了n r z i 编码连续逻辑“0 ”的不足。 1 0 0 b a s e - t 支持最高数率1 0 0 m b p s 的数据传输。该数据经过4 8 5 b 编码，传输 速率变为1 2 5 m b p s 。然而双绞线的固有带宽只有3 3 m 。m l t 3 编码能够解决这个问题 i l “。该编码是一个三态编码，包含逻辑1 ，逻辑“0 ”和逻辑“一1 ”。这种编码的 优点在于发送连串逻辑“1 ”时，编码信号以逻辑“1 ”，0 ，“一1 ”，“0 ”交替反 复出现。这样能有效降低数据传输速率，满足双绞线带宽的要求。图1 1 0 为n r z 编 码、n r z i 编码与m l t 3 编码示意图。 c 1 。t厂 广 广 厂 厂 厂 厂 _ 厂 厂 n r z 厂 厂 厂 砌厂 厂 厂 m l t 3 一厂厂乙 图1 - 1 0n r z 编码、n r z i 编码和m l t 3 编码示意图 为了避免双绞线传输数据能谱出现峰值，进+ 步消除高频成分，降低电磁辐射， 1 0 0 b a s e - t 采用了绕码技术1 8 。f d d i 采用密码流进行绕码，输出频谱与输入信号基 本无关。 1 3 31 0 0 0 b a s e - t 编码方案 1 0 0 b a s e - t x 使用第五类双绞线中的两对线，其中一对用于数据发送，另一对用 于数据的接收。而1 0 0 0 b a s f ，t 则使用了第五类双绞线中的全部四对线，在每对线上 以全双工方式同时进行数据的发送和接收1 9 】。与其他以太网的编码方式不同， 1 0 0 0 b a s e - t 采用的编码方式是五级脉冲幅度调制码( p a m - 5 ) 1 2 0 - 2 1 。该编码使用五 级信号( 2 、一1 、0 、1 、2 ) 对1 2 5 m b p s 二比特数据进行编码，转换成2 5 0 m b p s 速率 进行传输。同时使用四对线来传输数据，就可以实现千兆速率传输，如图1 1 1 所示。 编码2 比特信息只需要4 级信号。p a m - 5 编码多出米的一级信号提供额外的编码，用 于控制和提高发送接收性能。 图1 - 1 11 0 0 0 b a s e - t 结构框图 1 4 以太网发展趋势 随着网络通信量和应用复杂度的急剧增加，人们对于网络带宽和速度的要求越来 越高。以太网技术适应这利嚅求，向更快速度、更高性能方向发展。除了在传统局域 网市场继续保持领先地位外，以太网技术还逐步扩展到其它新的应用领域，如无线网 络、网络存储、城域网等【2 3 。5 1 。 1 4 1 千兆以太网 应用越来越专业以及高性能计算机的不断涌现正不断推动网络流量急剧增加，导 致关键网络连接不再有足够的带宽。随着应用越来越依靠网络带宽，以太网技术从 1 0 m 发展到1 0 0 m 。当i o i o o m 以太网的成本降到普及水平时，这利t 趋势极大地加快。 当前千兆以太网的情况非常相似。服务器已经开始采用千兆以太网，以提高性能。对 于桌面应用。千兆以太网产品价格不断降低，推动需求的不断增长。预计1 0 1 0 0 1 0 0 0 m 以太网将逐步代替1 0 1 0 0 m 以太网。 采用1 0 1 0 0 1 0 0 0 m 以太网技术可以确保与当前体系结构完全兼容，同时提供更 宽的网络带宽，更快的网络传输。据估计到2 0 0 4 年中期，全球以太网卡收入的5 0 以上将米白干兆以太网产品，如图l 1 2 所示。 以下几方面因素正推动以太网桌面应用需求不断增长：合作的工作环境；大文件 的路由安排；支持多进程，可同时打开多个应用。 年 图1 1 2 全球以太网卡市场规模 1 4 2 无线网络 无线以太网连接是以太网技术的逻辑扩展，适应当今日益普及的“虚拟”企业发 展趋势。以前，无线局域网技术主要用于丁业应用。经过几年的发展，无线网络的优 点变得越来越明显，而设备的成本逐渐降低，这使得无线局域网技术的发展越来越普 及。 促进无线局域网技术发展的因素丰要有： 标准化和性能不断提高。 从1 9 9 9 年以来，i e e e 8 0 2 11 一直是无线局域网的主流。如今几乎所有的无线设 备供应商都采用i e e e 8 0 2 1 l b 高速率标准，支持最高1 l s , r , o p s 传输。随着i e e e 8 0 2 1 l a 标准的指定，无线以太网继续向更高速率、更长距离和更高性能方向发展。1 e e e 8 0 2 1 l a 的主要特点有：更高的传输速率，达5 4 m b p s ：支持用户进行带宽密集的应用，而不 影响流量：更好的扩展性，更高的数据安全性。 移动设备种类不断增加。 季 啪 瓣 啪 吾 色 l l 器 很喇k 忸 许多不同种类移动设备需要访问公司网络和广域网。这些设备包括带有无线网卡 的台式电脑、带有内置射频设备的掌上电脑和笔记本电脑、因特网接入应用和网络电 话等。 1 4 3 网络存储 电子邮件和电子商务的快速发展使得网络数据流量急剧增长，威胁现有的信息备 份和存储机制。人们正在寻求方法面对挑战。 预计未来几年网络局域存储( s a n s ) 和网络连接存储将大幅增长。市场研究公 司i d c 估计目前网络局域存储和网络连接存储一起占全球存储系统的2 6 ，到2 0 0 5 年这个比例将上升到7 0 。图1 1 3 为一个典型的网络局域存储配置。 蚓1 1 3典型的网络存储体系结构 目前需要进一步降低成本、扩展距离的限制并增加互用性。i s c s i 是新出现的一 种技术方案，又称为网络s c s i 。在于兆和万兆以太网流量下，这个技术能够为网页、 服务供应商、企业和其它机构提供低成本、长距离的存储方案。i s c s i 标准使得构建 基于i p 的s a n s 称为可能。传统的s c s i 命令和数据传输位于t c p i p 层上，而i s c s i 传输可以在以太网协议上。通过将s c s i 、以太网和t c p i p 技术结合起来，千兆i s c s i 将互动性问题降低到最小。为了防止潜在的数据崩溃或丢失，可以在远程进行数据备 份。 1 4 4 城域网 千兆以太网向桌面应用转移，加上合理的网络设计，将推动服务器和企业主干网 对万兆以太网的需求。与局域网不同，城域网访问连接需要运行在长距离的光纤上。 同样光百联需要更好的方式连接到城域网广域网。万兆以太网将解决这个问题。随着 全球城域网市场从目前3 0 亿美元增长到2 0 0 5 年1 3 0 亿美元，万兆以太网正从氽业扩 展成为新型城域网结构的中心。城域网以太网技术将把以太网速度、成本的优势和光 纤网络的扩展性、可靠性结合起来。 万兆以太网可以满足高效高速网络的需求，与其它技术相比具有更低的成本、更 高的灵活性和互动性等优点。如今将以太网标准引入城域网的时机已经来临。万兆以 太网具有低成本、互动性好、易于扩展的优点，正逐步成为城域网的主干。 1 5 本文研究内容 本文围绕华中科技大学图像识别与人工智能研究所集成电路设计中心与武汉群 茂科技有限公司合作课题“1 0 1 0 0 m 自适应三合一以太网网卡芯片设计”，重点研究 i o i o o m 以太网收发器的设计与验证。由上面的分析可知，连续时间均衡器和数字信 号处理均衡器分别具有自己的优点，但都存在不足。本文希望研究种混合信号自适 应均衡器体系结构，无须数字信号处理均衡器复杂的采样保持电路和模数转换电路， 以及连续时问滤波器的模拟滤波器。 本文基于上述目的，成功的进行了1 0 1 0 0 m b p s 以太网收发器的设计与验证。根 据1 0 0 m 双绞线传输特性，提出了一种基于符号一符号l m s 算法的数模混合自适应 均衡器，极大地降低了电路功耗和芯片面积。根据收发器系统要求，采用环形振荡器 结构设计频率合成器，通过电路优化设计降低锁相环噪声和抖动。下面首先介绍数模 混合集成电路的典型设计流程，然后说明论文的结构安排。 1 5 1 数模混合集成电路典型设计流程 数模混合集成电路( i m e g r a t e d c i r c u i t ) 的典型设计流程如图1 1 4 所示【”j 。 在任何集成电路设计巾都要最先写好设计规范。规范抽象地描述了所设计的电路 的功能、接口和整体结构。然后通过分析系统的功能、性能、所要满足的指标等等问 题后，进行系统的行为级描述，包括数字电路部分和模拟电路部分。完成行为级描述 的算法优化与功能仿真以后，对数字电路部分需要进行寄存器传输级( r t l ) 描述的 转换，而对模拟电路部分需要根据系统要求进行电路设计。数字电路部分转换后的 r t l 描述需要进行功能仿真，然后通过逻辑综合将r t l 的h d l 代码映射到具体的半 导体工艺上加以实现。模拟电路设计完成后，同样需要进行电路仿真，确保电路能够 实现所需的功能。上述步骤完成以后，需要将数字电路、模拟电路放在一起，进行混 合电路仿真，确保整体系统功能正确。 图1 1 4 数模混合集成电路设计典型流程 完成前端设计后，集成电路转入后端设计。对于数字电路部分，根据逻辑综合生 成的网表文件，利用e d a 设计工具进行自动布局布线；对于模拟电路部分，则根据 电路的原理图，进行全定制版图设计，实现芯片面积、性能的最优。版图设计完成后， 需要进行版图验证，包括设计规则检查( d r c ) 、电学规则检查( e r c ) 、版图与原理 图对照( l v s ) 、版图参数提取( l p e ) 等。然后将版图提取出来的寄生电容、电阻信 息反馈，对数字电路部分、模拟电路部分分别进行后仿真。最后，将版图文件转换成 半导体业界标准格式g d si i ，进行集成电路设计的硅片验证。 1 5 2 本文结构安排 第一章概述了本文的研究