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复旦大学硕士学位论文：快速以太网物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师二任俊彦教授 摘要 快速以太网1 0 0 b a s e t x 的结构包括发射和接收两部分。信号以m l t - 3 编 码的方式传输。使用5 类非屏蔽双绞线传输，信道会出现直流衰减、低通衰减和 基带漂移等问题。所以需要合适的均衡来补偿信道从而恢复出原来的m l t - 3 波 形。另外均衡器的设计要针对不同的双绞线线长使用不同的参数来实现不同的均 衡的数量，这就是自适应算法的均衡。 本文介绍了一种以模拟电路形式实现的接收均衡器，其结构包括了基带漂移 纠正器，二阶的增益和高通补偿电路，上述电路的控制参数均可调节以达到自适 应均衡的目的。整个均衡器还包括共模反馈电路和双端变单端电路。整个设计采 用了新加坡特许半导体公司的o 2 5 微米c m o s 模拟工艺完成。结果表明，该均 衡器在o 1 5 0 米双绞线线长范同内都能从衰减的信号中恢复出跟图充分张开的 信号。 由于数宁均衡器具有比模拟均衡器更好的鲁棒性和低功耗等特性，是今后以 太l 蹦物理层收发器发展的方l q 。冈此，我们在本论文中还讨论了基于数字均衡器 的1 0 0 b a s e t x 接收器结构、系统误差和参数确定。根据m a t l a b 仿真结果，该 数字均衡器在这些参数值下，输出数据的误码率可以小于1 0 。o 。同时，采用上 海中芯国际集成电路有限公剞的0 1 8 微米c m o s 数字工艺设计了低功耗的基带 漂移纠正器，功耗小于3 2 毫瓦。 关键词：快速局域网，以太网物理层接收器，双绞线，基带漂移，自动增益 控制，滤波器，数字均衡器 中图分类号：q n 4 9 2 复旦大学硕士学位论文：快速以太嘲物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 a b s t r a c t t h ei e e e8 0 2 3 us t a n d a r d ，c o m m o n l yr e f e r r e dt oa st h ef a s te t h e r n e t ，u s e sm l t - 3 c o d et r a n s m i t t e do nt h ec a t e g o r y5u n s h i e l d e dt w i s t e dp a i ra n di tw i l lb es u f f e r e d f r o mt h eb a s e l i n ew a n d e r ，d cg a i na t t e n u a t i o na n dl o wp a s sc h a r a c t e r i s t i c s i ti s n e c e s s a r yt oc o m p e n s a t et h e s eu n w a n t e de f f e c t s s e l f - a d a p t i v ee q u a l i z a t i o ni sa l s o d e m a n d e df o rt h ed i f f e r e n tl e n g t ho ft w i s t e dp a i r t h et h e s i si n t r o d u c e sa ni m p l e m e n t a t i o no fe q u a l i z e ri n1 0 0 b a s e t xr e c e i v e rw i t h a n a l o gc i r c u i ti tc o n t a i n sab a s e l i n ew i n d e rc a n c e l l e r , a u t o m a t i cg a i nc o n t r o ia n d h i g hp a s sf i l t e r t h e i rc o n t r o lp a r a m e t e r sc a nb ea d i u s t e de x t e r n a l l ya n dm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs e l f - a d a p t a t i o n ，t h ec i r c u i t sa r es i m u l a t e du n d e rs i n g a p o r ec h a t t e d 02 5 u mc m o sa n a l o g p r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti nt h ew a yo fe y ed i a g r a m s h o w ss a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c eu n d e rl5 0 mt w i s t e dp a i r d i g i t a lc i r c u i t sa r es u p e r i o rt oa n a l o gc i r c u i tw i t ht h er o b u s t h e s sp o w e rc o n s u m p t i o n a n de t c r e c e i v e rb a s e do nd i g i t a le q u a l i z e ri st h e nd i s c u s s e d d i g i t a le q u a l i z e ri s i n t r o d u c e dt h ec r i t e r i o no fm e a s u r i n gt h ee q u a l i z i n gr e s u l ta n dt h ee q u a l i z e r s p e c i f i c a t i o na r ct h e nb r o u g h to u t i nm a t l a bs i m u l a t i o n 、t h eb e rc a nb el e s st h a n 1 0 “。w i t ht h e s ep a r a m e t e r st h eb l wc i r c u i ti nt h er e c e i v e ri ss i m u l a t e du n d e r s h a n g h a is m l c0 18 u md i g i t a ip r o c e s sw i t ht h ep o w e rc o n s u m p t i o ni e s st h a n3 2 m w i n d e xt e r m s ：l a n ，f a s te t h e r n e t ，p h y s i c a ll a y e rr e c e i v e r , t w i s t e dp a i r , b a s e l i n e w a n d e r , a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，f i l t e r , d i g i t a le q u a l i z e r 5 复巨大学硕十学位论文：快速以太网物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 13 2 指导老师：任俊彦教授 第一章引言 在最近的2 5 年间，以太网已从4 8 0 0 b p s 争用型无线信道传输系统发展到最 普及的局域嘲络标准，并能在无屏蔽的双绞线上每秒传输1 0 0 兆位的信息。以太 网的发展史是如此的吸引人，以致于无数的技术骄子和名声显赫的公司都拜倒在 她的石榴裙下。人们从它的发展史看到了技术的前景和诱人的财富，实际上整个 产业界都将在联结不同计算机设备这一概念上腾飞。 1 。1 以太网发展历史 以太列起源：a l o h a 无线电系统( 1 9 6 8 1 9 7 2 ) 以太i 硎的核心思想是使用共享的公共传输信道。共享数据传输信道的思想来 源于夏威夷大学。6 0 年代末，该校的n o r m a na b r a m s o n 及其同事研制了一个名 为a l o h a 的无线电网络。该系统的初始速度为4 8 0 0b p s ，最后升级到9 6 0 0b p s 。 该系统采用一种随机化的重传方法，这种类别的网络称为争用型刚络，冈为1 ；同 的站都在争用相同的信道。 这釉争照型络允许多个节点甩简单而灵巧的方法，准确地在圊一令频道上 进行传输；使用该频道的站愈多，发生碰撞的机率愈高，从而导致传输延迟增加 和信息流通量降低。 首台以太嘲：x e r o xp a r c 创建( 1 9 7 2 1 9 7 7 ) 1 9 7 2 年b o bm e t c a l f e 来到x e r o xp a l o a l t o 研究中心( p a r c ) 的计算机科学 实验室工作，在阅读a b r a m s o n 的1 9 7 0 年关于a l o h a 模型的论文时，m e t c a l f e 认识到，通过优化后可以把a l o h a 系统的效率提高到近1 0 0 。 1 9 7 2 年底，m e t c a l f e 和d a v i db o g g s 设计了一套网络，将不同的a l t o 计 算机连接起来。m e t c a l f e 把它命名为a l t oa l o h a 网络，因为该刚络是以 a l o h a 系统为基础连接了众多的a l t o 计算机。这个世界上第一个个人计算 机局域删络a l t oa l o h a 删络首次在1 9 7 3 年5 月2 2 日开始运转。这天， 笺量大学联学垃论文：浚蟪戳盎瓣秘理屡接收电臻谊谤毯楚0 0 2 1 3 2 撵捧老掰：在覆彦教授 m c t c a l f e 写了一段备惠最，称他已将该网络政名为以太网( e t h e m e t ) ，其灵感来 自于“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播”的这一想法。 1 9 7 7 年底，m e t c a l f e 蒡鞋健懿三位合俘嚣获褥了“具有冲突梭测豹多点数据逶 信系统”翡专裁，多点传输系统技稼为载波篮孵多路存澈和冲突稳测 ( c s m a c d ) 。从此，以太阚就正式诞生了。 以太阏标准化：d e c 、i n t e l 和x e r o x ( 1 9 7 9 1 9 8 3 ) 1 9 8 0 年9 蜀3 0 鏊，d e c 、t n t e l 蟊x e r o x 公枣了第三藕粒“戮太潮，一秘禺 域网：数据链路层稍物理层规范，1 0 舨”。这就是现在著名的以太弼蓝皮书，也 称为d i x ( 取三家公司名字的第一个字母丽组成的) 版以太网1 0 规范。 1 9 8 3 年i e e e 8 0 2 3 1 0 b a s e 5 最终碰世。这时的以太嗣嘲络采用的是粗同轴 惫缝程缀琏辘迄缆毒线。 缩构化的取绞线布线：1 0 b a s e t ( 1 9 8 6 。1 9 9 0 ) 在8 0 年代中期，p c 革命浪潮已是势不可挡，人们希望共事昂鼹的激光打印 视寒印剃它们的电子袋榛穗台式印捌出舨秘使褥嘲终链售也姆剐红火。人们零 嚣在无屏薮硬绞线上运行原来遥过糖霜鞫媳缆和细两轻电缆毒线酾以太两。 1 9 9 0 年秋天，新灼1 e e e 8 0 2 3 i 1 0 b a s e - t 标准正式通过。次年，以太网的 销售量将近翻了一番。屡形布线结构的出现照以太网发展史上的伟大里程碑。以 太燃开始愈来愈像电话露绫，都有设在布线窳魏中央交换祝帮连猫每个节点静专 翔线。 快速以太嘲：i o o b a s e ，t x ( 1 9 9 5 一) 1 9 9 5 年3 月。i e e e 成员和执委会通过了i e e e 8 0 2 3 u ( 1 0 0 b a s e t x ) 标准。 它霹 盖在5 类无瀑蔽载绞线上实褒1 0 0 m b p s 麴数据舞簸。于蹩孛炎逮隧太鞠我霹 代寰布来临! 复旦大学硕士学位论文：快速“太网物理层接收屯路设计 嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 1 2 快速以太网技术 以太网发展的必然性 以太网成为应用中占主要地位的局域网技术，不仅仅是因为它对原始标准的 多样性强化，更重要的是：咀太网简单，但是有效! 和其它网络不同，以太l 嘲无 须网络管理。管理并不是你必须首先面对的，只是用于改进和监控网络操作的附 加1 二作。另外同样罩要的事实是，以太网是第一个对外界真正开放的标准( 蓝皮 书有许多的供应商) ，c s m a c d 专利并不昂贵，这使得在很早的时候，就可以 从诸如i n t e l 和a m d 之类的公司获得以太网芯片。很多的公司参与了以太网设 备的制造，导致了竞争的加剧和价格的下降，这些又使得这项技术得到广泛的获 取，促进了需求和应用。 快速以太列卡成为局域阿市场主流产品 以太) 1 ) ! i 卡广泛应用于训算机局域l 叫( l a n ) 中，它是l a n 的主要接入设备。 作为单机与i 叫络问的桥粱，以太i 叫卡的主要作用是：读入由其它设备f 路山器、 交换机和集线器等) 传输过来的数据包，经过拆包并将其转换成客广机或服务器 可以识别的数据，通过主板上的总线将数据传输到所需设备上( c p u 、r a m 或硬 盘) ：将p c 设备( c e u 、r a m 或硬盘) 发送的数据打包后传输到其它网络设备中。 日前，以太列卡的种类繁多。如果按照所支持的带宽可分为1 0 m 网卡、1 0 0 m 踟卡、1 0 1 0 0 m 自适应嘲卡网卡和1 ，0 0 0 m 网卡。经过这几年的发展，1 0 0 m 以 太网技术已经成熟，开始在l a n 系统中广泛应用。根据市场研究公司i n s t a t 预 测，到2 0 0 0 年底时，1 0 1 0 0 m 快速以太网卡将占全球以太网卡总销售量的8 3 | 3 ， 而1 0 m 网卡只占1 0 2 。1 ，0 0 0 m 网卡将成为下一代主流网卡，目前尚无法形成 规模化市场。 根据市场研究公一ji n s t m 统玑1 9 9 7 年全球嘲卡总销售额达到4 ，1 8 0 万美 元，而到1 9 9 9 年时就跃升到了5 ，2 7 0 万美元。随着i n t e r n e t 在中目的蓬勃发展， 加之政府鼓励食业上嘲，以及低价p c 的普及，预计网卡市场在今后会有很大增 长。统h + 数据表明，1 9 9 9 年中国嘲卡总销售量达到5 0 5 万片，比1 9 9 8 年增长了 复旦大学硕士学位论文：快速以太网物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 5 5 6 ，销售额达到4 2 亿元。 快速以太网物理层芯片1 0 b a s e - t 1 0 0 b a s e t x 以太网网卡芯片实现国际标准化组织( i s o ) 规定的开放系统互联( o s i ) 7 层模型中有关物理层和数据链路层的功能。 物理层芯片( p h y s i c a lt r a n s c e i v e r ，p h y ) 处于模型中的最底层。它通过信 道传输原始位，确保0 和1 的正确接收。 数据链路层芯片( m e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r ，m a c ) 是模型中的第2 层：通 过将数据分为帧和对帧的接收进行确认来保证传输无错误。 1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t x 以太网物理层收发器是一个数模混合信号的超大 规模集成电路。目前，已成为市场上的主流产品。同时也可以作为各种系统芯片 ( s y s t e mo l lc h i p ，s o c ) 的内嵌核，被重复利用。许多公司正在研究实现具有 更好的性能价格比的1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t x 以太嘲物理层收发器芯片。 1 3 论文研究目标、意义 研究目标 根据i e e e 8 0 2 3 i u 协议，设计1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t x 快速以太网物理层接 收器的架构，实现接收器中的核心部分均衡器电路。 本论文研究的一部分内容是模拟接收均衡电路的实现，包括基带漂移纠正器 ( b a g e l i n ew a n d e rc a n c e l l e r , b l w ) 、自动增益控制( a u t og a i nc o n t r o l ，a g c ) 和 高通滤波器( h i g hp a s sf i l t e r ，h p f ) 。 由于数字电路对集成电路生产工艺的灵敏度比模拟电路低，具有更好的鲁棒 性( r o b u s t n e s s ) ：易于功能增加和扩充：功耗更低；随着工艺的进步特征尺寸的 减小性能会大幅改善；和其它数字逻辑电路具有相同的低电压电源，所以，我们 在论文中还对基于数字信号处理d s p 方案的接收器数学原型和相应的数字均衡 墨里查生婴主兰垡堡苎：快速以太网物理层接收电路设计 嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 器进行了探索。 研究意义 根据i e e e 8 0 2 3 开放协议，掌握双绞线信号传输的数学建模方法。 研究、比较1 0b a s e t 1 0 0 b a s e t x 接收电路的数字或模拟实现方案 实现完整规范的t o p - d o w n 数模混合信号设计流程。 本文研究的1 0b a s e t 1 0 0 b a s e t x 接收电路技术是将来千兆以太网物理 层芯片10 0 0b a s e t 的一部分。 本论文研究的数字、模拟均衡器可以作为集成电路的知识产权( i p ) 芯核， 重复使用在其它的芯片中。 我们国家在网络方面的需求远超世界平均水平，我们研究的以太网卡物理层 芯片麻具有很好的实际应用意义。 1 4 章节内容安排 奉j 仑文分绍了快速以太州物理层芯片i o b a s e t 1 0 0 b a s e t x 中有关接收 电路的两部分内容：( 1 ) 采用0 2 5 微米c m o s 工艺( 2 5 v 电源电压) 的模拟电 路实现方案( 包括信道均衡、基带漂移纠正) ：( 2 ) 探索基于数字信号处理的电 路实现方法( 包括数字均衡原型) 。 第一章是简介；第二章分析了1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t x 的系统结构，包括信 道模型和接收器功能模块；第三章详细描述了1 0 0 b a s e t x 中模拟接收电路的 设计思路、实现方法，给出了电路的仿真结果：第四章探讨了1 0 0 b a s e ，t x 接 收电路的数字均衡实现方法。最后给出本论文的结论。 复旦大学硕士学位论文：快速以太刚物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 第二章1 o b a s e t ，10 0 b a s e t x 简介 2 。1 总体结构 图2 - 1 是一个简化的1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 快速以太嘲示意图。左右两个端口的 1 0 b a s e - t 1 0 0 b a s e 。t x 以太网物理层收发器通过两对双绞线，分别发射和接收数 据。整个系统是同步的，没有数据传输的时候，通常发射一个信号符号，通常是 空闲信号( i d l e ) 。这样，接收端可以和发射端永远保持同步。刚络工作在1 0 m b s 或者1 0 0 m b s 模下的一种。1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t x 可以共用同样的双绞线。 所设h 的芯片要求能支持1 0 m b s 和1 0 0 m b s 的标准。图中的p s 是并行串行转 换。发射州，从计算机总线到这里的数据都是4 位宽度的并行数据，转换为串行 数据发射；接收时，s p 模块把串行的数据转换为并行的数据送n b i 一算机总线。 2 1 11 0 b a s e t 如图2 - 2 所示，在1 0 b a s e t 发射通路中，4 位并行的输入数据被转换为串 行数据流( s e r i a l i z e r ) ，经过曼彻斯特编码( m a n c h e s t e re n c o d e ) ，由一个数模转 换器( d i g i t a l a n a l o gc o n v e r t e r , d a c ) 映射出一个已知的存储在r o m 内的发射 复旦大学硕士学位论文：快速以太网物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 波形，最终被芯片外的双绞线驱动器( t pd r i v e r ) 发送到双绞线上。 图2 - 3 是1 0 b a s e - t 数据的接收通路，模拟信号进入接收器后先被过滤掉一 些高频噪声达到均衡的效果( e q u a l i z e r ) ，经过判决器( s l i c e r ) 的判决后，串行 的数据被重新转换为并行数据( p a r a l l e l i z e r ) ，使用曼彻斯特解码器( d e c o d e r ) 得到最终的接收数据r x d 。同时，使用一个锁相环( p h a s el o c kl o o p ，p l l ) 从 数据中恢复出接收时钟r x c l k 。 2 i 210 0 b a s e 1 7 x 图2 - 4 所示是1 0 0 b a s e t x 模式发射通路的功能模块图。待发射的是4 位并 行2 5 i v l h z 数据t x d ，那么数据速率就是i o o m h z 。这些并行的数据先变换成串 行数据流( s e r i a l i z e r ) ，经过4 b 5 b 编码，即每4 位映射成5 位的符号，以1 2 5 m h z 的速率发射。25 = 3 2 可能的符号中，1 6 个用来表示4 位的数据：8 个用来表示 信号；而剩余的8 个是非法符号。二进制的1 2 5 m h z 数据被转换为3 电平的m l t - 3 编码。经过模拟电路的预处理( p r e d r i v e r ) 后产生合适的波形，由芯片外的双 绞线驱动器( t pd r i v e r ) 驱动。 图2 5 所示是1 0 0 b a s e t x 模式接收通路的功能模块图。由于非理想传输介 质的干扰，需要通过纠正基带漂移( w a n d e r ) 和自适应均衡电路( a d a p t i v e e q u a l i z e r ) 来补偿各种衰减。均衡好的信号经过判决器( s l i c e r ) 取样后转换成 复旦大学硕士学位论文：快速以太网物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 并行的2 5 m h z 的5 位信号( p a r a l l e l i z e r ) ，最后是5 b 4 b 解码( 5 b 4 bd e c o d e r s ) 。 即每5 位的符号映射回4 位的数据r x d 。在这种模式下，锁相环( p h a s e l o c k l o o p ， p l l ) 电路可以通过串行的数据恢复出一个1 2 5 m h z 的时钟，经过5 分频后得到 一个2 5 m h z 的输出时钟r x c l k 。 2 2 信号编码 2 2 11o b a s e t 信号 在1 0 b a s e t 模式中，双绞线上传输的是经过曼彻斯特编码( m a n c h e s t e r e n c o d e ) 的信号? 妇图2 6 所示? 数据“在前孥个固甥为高电警雨后半个躅 期为低电平，数据“l ”在前半个周期为低电平而后半个周期为高电平。这样的 曼彻斯特编码可以使信道上的直流电平之和为0 ，经过变压器耦合后不会产生直 流电平的漂移。串行数据变成m a n c h e s t e r 编码时，这些串行的m a n c h e s t e r 编码 的波形和前一位和后一位都有关系。因此总共有8 种波形，“1 ”和0 各有四 种波形。 根据i e e e s 0 2 3 i 的有关i o b a s e t 的规定，发射的曼彻斯特编码会经过预 复旦大学硕士学位论文：快速阻太同物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 均衡( 图2 7 ) ，图中的每一个尖锋经过双绞线信道的衰减后，正好能产生合适的 数据波形，所以接收端并不需要特殊的均衡器来均衡接收信号。1 0 b a s e t 模式 下接收器的结构只需要一个低通滤波器以过滤高频噪声和若干比较器从而得到 数字的信号以供时钟和数据恢复。 本论文着重讨论的是1 0 0 b a s e t x 的接收均衡。 2 2 210 0 b a s e t x 信号 为了充分利用频谱：减少某一频率被干扰则整个信号受到干扰的可能，我们 希望降低发射频谱某一特定频率上的能量，把发射频谱平均分布到某一特定频率 范围，使用使发射数据随机化的扰频( s c r a m b l e ) 可以达到这一目的。 然而，数字信号扰频的一个最坏情况是：扰频输出连续5 6 个0 1 。扰 频后的信号经过m l t - 3 编码后，通过一个电磁模块( 变压器) 耦合到5 类非屏 蔽双绞线( c a t e g o y 一5u t p ) 。 在10 0 b a s e t x 的接收端，要面对经过双绞线衰减后来自变压器的m l t - 3 编码信号 1 ( 图2 - 8 ) 。m l t - 3 编码包含三种基带信号：+ 1 ，0 和一l 。二进制的 数据( 下) 被编码成为m l t - 3 波形( 上) ，减少输出频谱的高频能量。 m l t - 3 编码把一个数字信号1映射为一个上升( 或者下降) 变化，而一 个数字0 则映射为电平无变化。连续的数字“1 ”经过m l t - 3 编码成为如下 的循环输出：0 ，+ 1 ，0 ，一1 ，0 。为了进一步减少输出频谱中的高频能量，符 号的上升和下降时间被控制在4 n s i n s 。由于前述的4 8 5 b 编码，符号周期为8 纳秒( n s ) ，即符号速率1 2 5 m b s 。 复旦大学硕士学位论文：快速咀太网物理是接收电路设计 嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 2 3 双绞线信道模型 2 3 1 信道衰减 用于1 0 0 b a s e t x 传输的5 类双绞线对m l t - 3 波形的一种非理想影响是受 频率影响的衰减。如图2 - 9 所示传输信道受到一个约和，“2 有关的衰减( 见2 3 3 我们的近似公式) 。体现在波形的尖锐处信号的变差。输入6 2 5 m h z 信号情况下， 6 0 米线长下的衰减约为1 2 d b ，而1 0 0 米线长下的衰减约为1 8 d b 。 还有一个由双绞线引起的直流衰减， 值。直流插入损失在6 0 米时约为1 4 d b 体现在符号“一l ”处信号未达到理想 1 0 0 米时约为2 d b 。 所以我们研究5 类双绞线所构成的信道的特性以确定系统结构和参数。 2 3 2t i 日a 一5 6 8 - a 协议 1 0 0 b a s e t - t x 是基于5 类非屏蔽双绞线( c a t e g o r y - 5u n s h i e l d e dt w i s t e d p a i r ，c a t - 5u t p ) 进行数据传输的。c a t - 5u t p 上传输信号的幅度随双绞线长 墨呈壁壁塑堡壅! 堡垄坠查塑望堡星堡坚皇堕堡生 整墼! ! ! ! 塑塑量查堑! 堡垡堡墼堡 度和信号频率的衰减特性在协议t i a i e i a 5 6 8 一a 2 】中作了详细说明，但有关信号 相位的后移特性在协议中并未规定。协议用如下公式描述c a t - 5u t p 的幅度衰 减特性： h ( 厂) ：19 6 7 - f + o 0 2 3 f + 7 0 0 5 4 f 其中，是频率，以m h z 为单位。 2 3 3 我们的近似公式 ( 2 - 1 ) 但是公式2 - 1 不方便在m a t l a b 中进行计算，为了提高计算效率和增加相位 后移特性的描述，我们通过离散数学的一些公式变换，得到下述近似公式，在 t = 2 0 。c 时，来拟合c a t - 5u t p 的衰减幅度和相位： ：! ! ! ：! ：! ! ! ：丛= hs = 1 0 2 0 ( 2 2 ) 其中，是距离，以l o o m 为单位，是频率，以m h z 为单位。j 为复数的 虚数单位。 2 3 4 用于确定电路参数的拟合多项式 m a t l a b8 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能的数值计算和可 视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个 方便的、界面友好的用户环境。利用m a t l a b 的程序，我们可以把上面的双绞线 衰减近似公式拟合成多项式，从而可以确定多项式的根，确定均衡器的结构参数， 如自动增益控制( a u t og a i nc o n t r o l ，a g c ) 和高通滤波器( h i g hp a s sf i l t e r ， h p f ) 的参数( 极点) 。程序代码如下： of - - 4 0 0 m h z 1 0 0 米取绞线线长 0蚰0加如加085250舱 ，产 呵h h 芟蕊x 掌礤士拳遣论文：技遮戥定黼镌理星接收龟黯蹬计 嵇建0 0 2 1 3 2 撂弩毒簿：琏僮彦教授 h s ( 1 ) = i ( e 砷( 1 9 6 2 l + ( ( 2 f ( 1 ) 1 ) e x p ( o5 2 9 ) ) ，2 0 ) ) ， 对缚个频率求1 0 0 米寝毁绒线长的衰减函数 e n d h g a m = a b s ( h s ) 。 娃o h 稿垆8 珏垂k h j t 8 ；0 31 4 1 6 ； 酲一d b = 2 0 l o g t o ( h - g a i n ) ； w 爿i 0 0 0 0 0 0 ； f b ，a m n v t e q s ( hs ，w , 3 ，j ) ， 袋衰减幅度 袋褒诫穗疰 襄残辐度甩分贝数表示 车窜换频率的单位 多项式近似 通过以上m a t l a b 裰序的运幸亍可以对该公式进 亍幅度和相位分析( 如表2 - l 联承) ，可驳茇瑷在频露1 0 轻5 m h z 蓖嚣疼鲍掇寒绩票窝秘议娥怒斡误差较枣。 攀实上，t 0 0 b a s e t x 横式下的数据速率也多程这个范围内。 袁2 - 1 双绞线幅度和相位衰减模型 ( 线长：1 0 0 m ：温度：丁：2 0 。c ) 幅度衰减( d b ) 相位后移 | ( m h z ) 协议近骰公式谩羞( d e g ) 07 7 2 i 8 i ，6 6- 0 1 4 ，1 2 0 1 , 0 0 02 i 9 l- 0 0 9i 3 8 4 0 0 04 ，1 3 9 70 1 3 2 8 7 8 ，0 0 05 85 7 30 0 74 l4 1 0 0 0 06 s6 4 5o 0 34 6 6 t 60 0 08 2s 2 7+ o 0 75 9 7 2 00 0 09 j9 3 06 7 ，2 2 5 。0 0 0l o 41 0 4 7均0 77 5 矗 3 l2 5 0“77 8+ o 0 88 5 i 6 2 5 0 01 7 01 69 90 o l，【2 28 1 0 0 0 0 02 2 。o2 i 7 90 2 1，1 5 75 使用m a d a b 工具羹静i n v f r e q s 命令对上述公式送行多项式近似，可得 耶，= 雩s 3 蒜5 9 攀1 0 筹1 裟4 8 器0 1 7 器8 31 0 p 。，“、。7 十7 8 5 2 + l j + 3 2 4 、。7 为了便于设计高通滤波器，我们把上面的多项式近似为具有兰个极点的佑输 薅数。 使用m a t l a b 工具里的r o o t 命令对上式的分母部分求根，得到三个值，即传 输函数的三个极点：p l = 2 x + 2 m h z 、p 2 = 2 z e + 2 0 m h z 和岛= 2 硝+ 1 4 0 m h z 。 肇黑天学硕士学在论文：瓷送戥太潮物理岳接牧电路设计 毯建0 0 2 1 3 2 精译老师暨棱彦教授 2 a 。5 基带漂移 由于变压器的高频交流通过特性，在它的簸至频率5 0 k h z 以下的能量将丢 失。如果连续出现几个嫩长时间无数据状态，传输的数据将由予通过变压器损失 平并不筵够缲持，丽燕会随时闻丽下降( 图2 一ii ) ，典型值为o 2 5 v _ f 1 。后匿鲍 鼗缓妇袅在连续熬掰个髑期鸯连续交倪懿落( 跑强“+ l ”变爨0 然鑫马上叉 变猁“一i ”：或者相爱) ，则数据会跳出允诲的正常电平范固，霉皴误码的发生。 这就是基带漂移( b a s e l i n ew a n d e r ) 。这样的错误在双绞线线长假颊的情况下依 然存在。所以接收均徼嚣必须补偿基带漂移。 2 4 交适应筠餐 上一代的1 0 b a s e - t 1 0 0 b a s e t x 收发器需要使用三块芯片。第块实现 i o b a s e t 的发射和接收；第二块是1 0 0 b a s e - t x 的发射，接收均衡；第三块是 复旦大学硕士学位论文；央速以太网物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：饪俊彦教授 1 0 0 b a s e t x 的接收时钟恢复。此外，上一代的1 0 0 b a s e t x 只为固定线长的 固定接收信号幅度提供均衡，所需的均衡必须精确地和恢复的数据序列相符。然 而，对一个给定的线长，接收的信号幅度由于不准确的发射、线缆的质量或者变 压器的质量而不断变化，如果均衡的数量始终相同的话，接收信道会被误均衡， 增加了产生误码的可能。 这样，自适应均衡成为了接收器中的必需。所谓自适应均衡，就是接收器通 过一段时间的接收行为，能够根据接收到的具体数据流，判断信道衰减的程度， 自动地调节均衡器的参数和基带漂移的纠正量。这样，芯片可阻适用于一定范围 内的任何线长的双绞线。 这个设计的1 0 0 b a s e t x 接收器中包括了一个混合信号自适应均衡器，使 用基于信号统计的数字算法来获得一个在模拟电路里自适应均衡的信道。这样就 不需要接收的信号和所需的均衡之间有固定的关系。经模拟前端均衡处理后的信 号进入一个6 电平的数据判决器( s l i c e r ) 用于数据符号( 十1 、0 或者一1 ) 的恢 复。这个数据判决器同时产生数字的误差信号，来控制基带漂移纠正器、直流增 益和高频增益的参数。这个信号经过数字算法的处理用来调整模拟的信号处理模 块，最终消除数据的误差。这样，我们可以得到可靠的数字纠正。接收器中还有 一个用于时钟符号恢复的3 电平判决器。这个电路拓补的关键是，用7 个比较器 ( 5 个用于数据恢复判决器，2 个用于时钟恢复判决器) 来实现自适应均衡，却 不需要一个1 2 5 m h z 或者更高速度的6 位模数转换器。 要旦大学硕士学位论文：映速以太网物理层接收电路设计 嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任傻彦教授 姻图2 1 2 所示是一个简化的包括时钟和数字恢复的1 0 0 b a s e t x 接收器， 从双绞线传输过来的信号先经过自适应的均衡和基带漂移纠正f a d a p t i v ea n a l o g e q u a l i z e r & w a n d e r c a n c e l ) ，均衡的输出进入上述的两种判决器用于数据和时钟 恢复。图中下边的6 电平判决器是数据恢复判决器( 6 - l e v e ld a t as l i c e ) ，其输出 用于确定数据的符号。这个判决器同时也提供符号幅度误差信息，这个信息经过 数字自适应逻辑( d i g a d a p t l o g i c ) ，连续地调整前面的均衡器的参数和响应 ( b i a sc o n t r 0 1 ) 。上边的3 电平判决器是时钟恢复判决器3 一l e v e lc l ks l i c e ) ， 它与数据恢复判决器相差18 0 。相位进行采样。其输出信号通过锁相环电路( r c v p l l ) 产生接收时钟。 图2 1 3 所示是出现在数字和时钟恢复判决器输入处的理想的均衡信号眼图。 在图的左边，显示的是时钟恢复判决器的闽值电平和采样点。在右边的是数据恢 复判决器的阈值电平和采样点。2 个时钟恢复判决器的阈值电平分别在o 一+ l 和o 一一1 之间的中点处。判决器在数据符号变化的中间处固定采样，采样的时 钟为锁相环产生的时钟的下降沿。如果符号变化先于时钟沿，那么锁相环里的振 荡器速度偏慢需要加速：如果符号变化落后于时钟沿，那么振荡器速度偏快需要 减速。 数据恢复判决器在每个数据符号变化的末端固定采样，采样的时钟为锁相环 产生的时钟的上升沿。5 个阈值电平可以产生6 个输出结果。2 个阈值确定数据 符号是+ 1 、0 还是一t 。其它3 个闽值用来产生误差信号，表征接收的数据符号 是否高于或者低于其理想值。这些误差信号被图2 1 1 中的数字自适应逻辑模块 使用，把+ 1 、0 和一1 符号收敛到它们的理想值。 芟尽天掌矮士掌佼论文：快速鞋太秘秘理蒜接收电黯设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老嫦：謦谈嚣教攫 圈2 t 4 照示了3 秘密臻在数据恢复判决器输入处、霈要不碡的均衡爨的模 拟波形。实线显示的是恰当均衡后的信号。点划线表示均衡不足，含有过多离频 成分，在波形上表现为每个数据符号变化时的过冲。另条短划线表示过度均衡， 高频残分过多衰减，在波形上袭现为每个数据符号交化对信号变缓乎。 在图2 一1 4 中，在每个符号变纯发生后，数据恢簧剡决器产生一个1 位的误 差信号。数字盆适应逻辑通过负殿馈调整模拟均橱器的商频增益量，直到所荫符 号变化的在时间轴上的平均误惹镣于0 。均衡器收敛以后，其输出将和上圈中的 恰当均衡约镳号( 墨中实线) 一榉。 不同数量的罄带漂移纠正和增藏 偿。实线代表了瑗想盼目标波形。点划线麓一 个含有较彩藏带漂移的波形。而另一条短划线含有太移的直流增益a 复旦太学硕士学位论文：受速以太网物理层接收电路设计嵇楚0 0 2 1 3 2 指导老师：任俊彦教授 现在总结一下接收器中基带漂移纠正和控制直流增益的方法。当发现数据符 号+ j 、0 和一 具有相同的误差值，数字自适应逻辑通过负反馈调整模拟的基带 漂移纠正器电路，消除基带漂移。类似地，如果发现数据符号+ i 、0 和一1 的误 差值具有不同，具有相反的符号( + 1 和一1 ) ，那么数字自适应逻辑适当地调整 可变增益控制模块。在最后的稳定状态，基带漂移和增益误差将被消除输出波 形将和目标波形( 图2 1 4 中实线) 一样。 照冒天学硕士学垃论文：袭速以态网物理屠接收电路设计 嵇趋0 0 2 1 3 2 指导老师：任艘彦教授 繁三耄模拟方案韵lo o b a s e t x 接收器 3 1 模拟接收器总体绪构 综上章辑述，为了克服嚣麓慧鲍黄箍信遴舞带来酶影嫡，接牧器必须箍供 基带漂移纠正( b a s e l i n ew a n d e r c a n c e l l e r ) ：恢复在变臌器损失的低频能量 频率均衡： 搂双绞线频警衰减： 增益控制：补偿双绞线赢流袭减。 既然信道传输函数表现为低通特性，我们可以考虑采用个基于高遇滤波器 懿垮衡器，戮达到在颓谱上蕊弩熬禳度爨旃不交，菠蕊遘黪镗输交鼗蟊鹭畿器翡 传输函数乘积为1 ( 归一化以后) 。 ( 3 一i ) 模拟接收器的结构如图3 - 1 所示。 叁动增益搂铡( a u 沁g a i a c o n t r o l ，a g c ) 根据双绞线线长豹不同昃疆她羚 德磨流衰减；离遴滤波器( h i 潍p a s sf i l t e r ，h p f ) 补偿双绞线频率衰减。它们 构成了模拟的均衡器( a n a l o ge q u a l i z e r ) 。我们的模拟均衡器需要完成功能的传 输灏羧为： 复旦大学硕士学位论文：快速以太 6 i 物理层接收电路设计嵇楚( 1 0 2 1 3 2 指导老师：任傻彦教授 ( 羔+ 曩+ 嚣 ( 3 - 2 ) 其中，吒是a g c 的输出电压，咋是h p f 的增益，、w ：和w ：分别是高通 滤波器对应于p l = 2 n - + 2 m h z 、p 2 = 2 1 r + 2 0 m h z 和p 3 = 2 x + 1 4 0 m h z 三个极点 的权重。通过自适应算法不断调整权重的大小直至均衡器输出收敛。 基带漂移纠正器( b a s el i n ew a n d e r ，b l w ) 要解决的是基带漂移。均衡器 的输出给后面的时钟和数据恢复模块( c l o c k d a t ar e c o v e r y ，c d r ) ，其产生 的判断信号用来纠正均衡器的各种参数，调整均衡的效果，以达到自适应均衡的 目的。 可以采取以下的方法纠正基带漂移：数据恢复模块恢复出接收的数据，当遇 到连续的长时间的1 或者“一1 ”的时候，可以产生一个信号来使信号不随变 压器的交流传输特性而下降( 或上升) 。设计要求把变压器输出的共模电平为( 2 o 2 5 ) v ，差模电平为o 2 5 v 的m l t - 3 编码信号，纠正为共模电平2 v ，差模 电平o 2 5 保持不变的信号。从图形上看，就是使输入信号( 存在不同共模电平 的差分信号) 的共模电平向相反的两个方向移动，最终达到统一的共模电平，而 保持差分电平不变。 左边虚线框内是辅