（通信与信息系统专业论文）快速以太网中数字自适应均衡器的设计与芯片实现.pdf

摘要 数据传输速率为l o o m b p s 的快速以太网是一种高速局域网技术 能够为桌面 用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽 双绞线以太网的主要优势在于利用标准的双绞线电缆来传输信号 因此可以 充分利用目前己大面积铺设的铜线资源 而且在很多情况下 这些标准双绞线已 经被安装并作为结构化布线系统的组成部分 l o o b a s e t x 系统是目前使用最广泛的快速以太网双绞线介质系统 均衡器是l o o b a s e t xp h y 中非常重要的组成部分 用于消除传输过程中产 生的码间干扰 本文研究并设计了一种数字自适应均衡器 用于l o o b a s e t xp h y 的接收部 分 采用自上而下 t o p d o w n 的设计思想 实现对硬件电路的设计 完成了系 统级和电路级的仿真 并验证了本设计的正确性和可行性 第一章首先介绍了一些快速以太网的相关知识 并给出了l o o b a s e t x 介质 系统的p h y 结构框图 第二章介绍了均衡器的基本原理和几种自适应算法 第三章重点介绍了判决反馈均衡器的结构和原理 第四章详细研究了用于l o o b a s e t x 介质系统的均衡器的系统设计方案 并 使用m a t l a b 中的s i m u l i n k 对结构的正确性进行仿真 分析了仿真结果 第五章首先给出a s i c 设计的规范和流程 接着具体论述了均衡器在a s i c 实 现过程中为提高速度而采取的一些改进方法 并给出了最后的仿真结果 本论文设计的均衡器的芯片实现采用的是0 2 5 朋l 的工艺 关键字 均衡器 l o o b a s e t x d f e l m s 算法 d l m s 算法 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 0 0 b a s e t x t h ep r e v a l e n tl o c a la r e an e t w o r k s l a n s t a n d a r d i so p e r a t e da t s y m b o l r a t eo f1 2 5 m s t h r o u g hc a t e g o r y 5 u n s h i e l d e dt w i s t p a i r u t p e q u a l i z e rt a k e sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h er e c e i v e ro f1 0 0 b a s e t x s y s t e m a n di t s e f f e c to n r e d u c i n gi s i i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e h o l d st h e e x c e l l e n c eo f p e r f o r m a n c e o f t h ew h o l er e c e i v e r t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h ed i g i t a la d a p t i v ee q u a l i z e rf o rt h er e c e i v e ro f 1 0 0 b a s e t xs y s t e m h e r et h e o r ya n dd e s i g no ft h i se q u a l i z e ri sd i s c u s s e d a n d b e s i d e ss y s t e ml e v e la n dc i r c u i tl e v e ls i m u l a t i o na r eu s e dt op r o v et h ee q u a l i z e rr i g h t a n df e a s i b l e i nc h a p t e ro n e f a s te t h e m e tk n o w l e d g ei si n t r o d u c e df i r s t a n dt h e nab l o c k d i a g r a m i sd r a w n s h o w i n g t h e1 0 0 b a s e t xt r a n s c e i v e rs y s t e m i nc h a p t e rt w o r a t i o n a l eo fe q u a l i z e r sa n ds e v e r a lk i n d so f a d a p t i v ea l g o r i t h m a l ei n t r o d u c e d i nc h a p t e rt h r e e t h es t r u c t u r ea n dt h e o r yo fd f e d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r i si n t r o d u c e d i nc h a p t e rf o u r t h es y s t e md e s i g ns c h e m eo ft h ee q u a l i z e rf o r1 0 0 b a s e t xi s d i s c u s s e d s y s t e m s i m u l a t i o ni sm a d eo ns i m u l i n ko fm a t l a ba n dt h er e s u l t o f s i m u l a t i o ni sa n a l y z e d i n c h a p t e rf i v e f i r s t t h ec r i t e r i o na n dd e s i g nf l o wo faw h o l ea s i cd e s i g n m e t h o d o l o g y i si n t r o d u c e d a n dt h e nc h a l l e n g e sa n ds o l u t i o n si ne q u a l i z e rd e s i g ni n 0 2 5 a np r o c e s sa l eg i v e n k e y w o r d e q u a l i z e r 1 0 0 b a s e t x d f e l m sa l g o r i t h m d l m s a l g o r i t h m 2 第 章快速以太网基础 第一章快速以太网基础 本论文设计研究的是一种应用于快速以太网接收部分的数字自适应均衡器 在讨论这种均衡器的原理 设计 和实现方法之前 本章先介绍一些有关快速以太 网以及协议标准的知识 并重点介绍一下l o o b a s e t x 介质系统 1 1 i e e e 8 0 2 3 协议 i e e e 8 0 2 3 标准适用于c s m a c d 载波侦听多路访问肿突检测 局域网 其工作原理是 多个工作站都连接在一条总线上 但在同一时刻只能有一个工作 站在总线上进行传输 当站点希望传送时 它首先侦听网络介质 以确定是否有 其他的帧正在传输 如果有的话 就停顿很短一段时间 然后再次侦听网络上的 数据发送情况 直到网络空闲为止 如果两个或多个站点同时在空闲的介质中传 输 它们就会冲突 于是所有冲突站点终止传送 等待一个随机的时间后 再重 复上述过程 1 2 10 0 b a s e t 概述 1 0 0 m b p s 以太网也称为快速以太网 f a s te t h e m e t 系统 它于1 9 9 5 年正式 标准化为以太网标准的i e e e 8 0 2 3 u 补充条款 快速以太网的整套规范和介质标 准 包括光纤介质系统 统称为1 0 0 b a s e t 快速以太网比最初的l o m b p s 以太 网系统在帧的发送速度上提高了1 0 倍 在系统其他的重要方面 包括帧格式 帧携带的数据量以及介质访问控制机制等都没有变化 而在物理层则开发了新的 信号收发技术 1 0 0 b a s e t 是i e e e 正式接受的1 0 0m b p s 以太网规范 采用非屏蔽双绞线 u t p 或屏蔽双绞线 s t p 作为网络介质 媒体访问控制 m a c 层与i e e e8 0 2 3 协议所规定的m a c 层兼容 被i e e e 作为8 0 2 3 规范的补充标准8 0 2 3 u 公布 1 0 0 b a s e t 沿用了i e e e8 0 2 3 规范所采用的c s m a c d 技术 无论是帧的结 第一章快速以太网基础 构 长度还是错误检测机制等都没有做任何的改动 此外 1 0 0 b a s e t 支持所有 能够在i e e e8 0 2 3 网络环境下运行的软件和应用 提供了1 0m b p s 和1 0 0m b p s 两种网络传输速率的自适应功能 网络设备之间可以通过发送快速链路脉冲 f l p 进行自动协商 从而实现1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t 两种不同网络环境的共 存和平滑过度 图1 2 1 所示的是1 0 0 b a s e t 的结构图 图1 2 11 0 0 b a s e t 的结构 1 2 1 1 0 0 b a s e t 的硬件组成 构成1 0 0 b a s e t 网络物理连接的主要部件包括以下几种 1 网络介质 网络介质用于计算机之间的信号传递 1 0 0 b a s e t 主要采用四种不同类型的 网络介质 分别是1 0 0 b a s t 4 1 0 0 b a s e f x 1 0 0 b a s e t 2 和1 0 0 b a s e t x 2 介质相关接口 m d i m d i 是一种位于传输媒体和物理层设备之间的机械和电气接1 3 3 物理层设备 p h y p i t y 提供1 0m b p s 或1 0 0m b p s 操作 可以是一组集成电路 也可以作为外 部独立设备使用 通过m h 电缆与网络设备上的m i i 端口连接a 第一章快速以太网基础 4 媒体独立接口 m 使用1 0 0m b p c 外部收发器 m i i 可以把快速以太网设备与任何一种网络介 质连接在一起 m i i 是一种4 0 针接口 连接电缆的最大长度为0 5 米 以上各网络部件的连接示意图如图1 2 2 图1 2 21 0 0 b a s e t 硬件连接结构 1 2 2 1 0 0 b a s e t 的四种介质类型 如图1 3 3 所示 在统一的i e e e8 0 2 3m a c 层下面 1 0 0 b a s c t 主要采用四 种不同类型的网络介质 分别是1 0 0 b a s e t 4 1 0 0 b a s e f x 1 0 0 b a s e t 2 和 1 0 0 b a s e t x 用来满足不同的布线环境 1 0 0 b a s e t p h y s i c a ll a y e r a p p l i c a t i o ns o f t w a r e a n di j 枷e r l a y e xp r o t o c o t s 8 0 2 3m e d i aa c c e s sc o n t r o ls u b h y c r 1 0 0 b a s e t x 1 0 0 b 略e f x1 0 0 b a s e t 41 0 0 b a s e t 2 图1 2 3 1 0 0 b a s e t 的四种介质类型 1 1 0 0 b a s e t 4 即3 类u t p 它采用的信号速度为2 5 m h z 需要四对双绞线 使用三元信 号 每个周期发送4 比特 这样就获得了所要求的1 0 0 m b s 还有一个3 3 3 m b s 的保留信道 该方案即所谓的8 8 6 t 8 比特被映射为6 个三进制位 对于一些 较早的采用3 类l r r p 的以太网系统 可以采用1 0 0 b a s e t 4 进行升级 2 1 0 0 b a s e f x 使用两束多模光纤 每柬都可用于两个方向 因此它也是全双工的 并且站 第一章快速以太网基础 点与集线器之间的最大距离高达2 k m 1 0 0 b a s e f x 继承了1 0 b a s e f l 多模光 纤系统 可以直接升级到1 0 0 m b p s 1 0 0 b a s e t 4 和1 0 0 b a s e f x 可使用两种类型 共享式 交换式 的集线器 它们统称为1 0 0 b a s e t 在共享式集线器中 所有的输入线 或者至少是所有连 到同一块卡上的接线 在逻辑上连在一起 形成了同一个冲突域 1 0 0 b a s e f x 电缆与正常的以太网冲突算法来说显得过长 所以它们必须与缓存的交换式集线 器相连 每根电缆各为一个冲突域 3 1 0 0 b 勰e t 2 1 0 0 b a s e t 2 8 0 2 3 y 这一标准制定于1 9 9 7 年3 月 但由于它的编码方法 复杂 收发器集成电路的设计非常困难 故而并未被广泛使用 1 0 0 b a s e t 2 采 用一种p a m5 x 5 的复杂的编码方案 使用5 电平信号传输数据 采用了2 对声 音或数据级3 类 4 类和5 类电缆 一对用于发送数据 一对用于接收数据 因 而全双工操作是可能的 最大网段长度是1 0 0 m 4 1 0 0 b a s e t x 即5 类u r p 其设计比较简单 因为它可以处理速率高达1 2 5 m h z 以上的 时钟信号 每个站点只需使用两对双绞线 一对连向集线器 另一对从集线器引 出 它没有采用直接的二进制编码 而是采用了一种运行在1 2 5 m h z 下的被称为 4 b 5 b 的编码方案 1 0 0 b a s e t x 是全双工的系统 继承了1 0 b a s e t 5 布线系统 在布线不变的情况下 把1 0 b a s e t 设备更换成1 0 0 b a s e t x 设备就可以直接升级 为快速以太网系统 1 3 基于1 0 0 b a s e t x 的快速以太网p r y 系统 1 0 0 b a s e t x 是1 0 0 b a s e t 中使用最广的物理层 p h y 规范 已经成为市 场上占统治地位的快速以太网技术 1 0 0 b a s e t x 介质系统所基于的信号编码和信号规范是最初用于f d d i 网络的 a n s i 标准 f d d i 网络是一种工作在1 0 0 m b p s 的令牌环网 当需要以1 0 0 m b p s 发 送信号时 1 0 0 b a s e t x 和1 0 0 b a s e t 介质标准都采用f d d i 标准中的信号编码和 物理介质部分 因为它们都使用一组相同的信号规范 所以把1 0 0 b a s e t x 标准 第一章快速以太蹰基础 和1 0 0 b a s e f x 标准统称为1 0 0 b a s e x 1 0 0 b a s e t x 标准基本上是以a n s i 开发的铜制f d d i 物理介质相关子层技术 t p p m d 又名c d d i 为基础 采用了4 b 5 b 编码技术 使用3 电平信号 m l t 3 代表4 b 5 b 比特流 工作于两对5 类非屏蔽双绞线上 也可使用1 类屏蔽双绞线 其d t e 到中继器的距离限制在1 0 0 m 之内 4 b s b 编码技术具有固有的全双工能 力 有一对专用的发送线和一对接收线 1 0 0 b a s e t x p h y 系统框图如图1 3 1 所示 其中左边为发送部分 右边为接 收部分 图l3 1 1 0 0 b a s e t xp i t y 系统框图 第二章自适应均衡器理论基础 第二章自适应均衡器理论基础 2 1 均衡器的作用 在现代数字通信系统中 均衡器是对付由于多径信道衰落 信道通带内不平 坦等导致的码间干扰的主要手段 均衡的原理如图2 1 1 所示 设信道冲激响应 巳 的z 变换是c z 输入到 信道的序列为 矗 均衡器的冲激响应 以 的z 变换是h z 均衡器输出序列 e 均衡的目的是使 袁 尽量接近 而 或称 与仁 之间达到最佳匹配a 一个简明直接的结论是 聊 2 南 q 图2 1 1 均衡器原理 从理论上讲 只要传输系统符合n c q u i s t 三准则和 共轭匹配 准则即可实 现最佳传输 但是 实际系统中存在各种背景噪声 脉冲噪声 同频干扰 频率 选择性衰落以及带限传输导致接收端每个符号持续时间超过发送端每个符号持 续时间的时间弥散效应 从而产生符号间干扰 i n t e v s y m b o li n t e r f e r e n c e s 1 或称码间干扰 这种码间干扰是阻碍高速通信的主要原因之一 补偿信道的失真 可以消除码间干扰 这就是均衡 广义而言 均衡泛指用 于消除i s i 而设计的任何电路 根据式 2 1 1 均衡可以在频域进行 即频域均衡 所谓频域均衡 是在 第 章自适应均衡器理论基础 频域设计均衡滤波器 使包括插入的滤波器在内的整个系统的总传输函数满足无 失真的条件 频域均衡往往需分别校正幅频特性和群时延特性 且对群时延失真 的补偿能力较弱 尤其对非最小相位衰落通常无能为力 所谓时域均衡 就是从 时域的冲激响应考虑 使均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无符号间干扰的 条件 时域均衡利用它所产生的响应去补偿已畸变的信号波形 最终能有效地消 除抽样判决时刻上的符号间干扰 另外 随着数字信号处理理论和超大规模集成 电路的发展 时域均衡已成为如今高速数据传输中所使用的主要方法 得到了广 泛应用 2 2 自适应均衡器原理 如式 2 1 1 所示 均衡器的任务就是逼近逆信道响应 由于信道具有随 机性和时变性 这就要求均衡器必须能够实时地跟踪通信信道的时变特性 自动 调整自身的响应 以适应信道的变化 这种均衡器又被称作自适应均衡器 自适应滤波器是均衡器中最重要的一种 它利用输出信号和给定的目标信号 之间的误差 不断调节自身的单位样本响应h n 特性来达到最优化 设计时可 不必知道信号与噪声的自相关函数 工作过程中信号与噪声的自相关函数发生缓 慢变化也能自动适应 由于具有这些优点 自适应滤波器近年来被广泛地应用于 各种信号处理中 图2 1 2 给出了自适应信道均衡器的工作原理图 其中s r 1 是原始信号 v n 是信道噪声 c z 和h z 分别是信道和自适应滤波器的传输函数 1 v 1 1 i j 图2 1 2 自适应信道均衡器 第二章自适应均衡器理论基础 自适应均衡器的输入是随机信号x n y n s i 1 z n 2 2 1 式中 s n 为真实信号 z n 表示噪声 接收到的信号s 1 就是发送的真 实信号混入信道噪声的结果 自适应滤波器的输出是真实信号s n 的估计值j o 自适应滤波器的单位 脉冲响应h n 能使真实信号s n 与其估计值s n 之间的均方误差最小 即 ee 九 e s 一 一 2 r a i n e e 2 一 2 2 z 这就是最小均方准则 这样能够最好地从接收信号中提取出真实信号来 自适应滤波器的单位脉冲响应h n 会自动调节 使得真实信号与估计值之 间的误差越来越小 经过一段时间以后 估计值就近似等于真实信号 2 3 基本的l m s 自适应算法 最小均方 l e a s tm e a ns q u a r e l m s 算法由于其结构简单并且便于实现 在许多实际应用中得到青睐 l m s 自适应算法的思路是这样的 假设给出了和原始信号相关的参考信号 d n 那么首先对f i r 滤波器的权任意设定一组初始值 然后根据滤波器的输出 值与参考信号之间的误差e n 对权值进行调节 使下一次的输出误差能有所减 小 这样重复下去 直到权收敛到最佳值 l m s 自适应算法的过程可用图2 1 1 来描述 掣 图2 1 1 自适应滤波方框图 第二章自适应均衡器理论基础 可以看出l m s 自适应滤波的关键就是如何根据误差e n 来调节滤波器的权 值 使其收敛到最佳值 本节将推导基本的l m s 算法并研究它的某些特性 2 3 1 基本的l m s 算法 采用基本的l m s 算法的自适应均衡器如图2 3 1 所示 它所采用的是使均衡 器的期望输出值和实际输出值之间的均方误差 m e a ns q u a r ee r r o r m s e 最小 化的准则 图2 f 3 1 线性均衡器的基本结构 均衡器输出 n 设瓶 n 或待发送信 的某个已知特征值 设均衡器的输入信号为x f 1 输出信号为y n 则输出信号y n 输出误 差e 1 3 的计算公式为 1 l j 玎 w x n i 2 3 1 e n d n 一y n d n 一 w x n i 2 3 2 1 1 0 首先考察当权向量w 取一组任意值时的均方误差特性 该均方误差f 日 j 与 为w 的函数 即 f e 2 e d n 一矿工 疗 2 e d 2 n 一2 e d n w w e x 雄 x 7 w e p 2 七 卜2 y 7 w w r 中 w 2 3 3 第二章自适应均衡器理论基础 其中 r e d 工 n 吒 e x 一 n 上式表明均方误差f 是滤波器权向量的二次函数 因此它在n 1 维空间中形 成一超抛物面 该超抛物面为下凸形 其最小值在权向量空间的投影即为最佳权 向量w 在利用估计误差对权值调节过程中 权向量的值随时间变化而改变 设在第 n 和n l 时刻权向量w n 和w o l 1 之间存在关系 w n 1 1 w n 阳w 2 3 4 其中d w 表示对w n 的修正值 那么当o w 充分小时 利用多变量函数的t a y l o r 展开公式可知对应于第n 和n 1 时刻均方误差值f n 和f n 1 有下述关系 f 1 f n 口 v 2 3 5 这里 v 蒸 褊n i 由 亿s 如果令 d w 一 刀 2 3 7 并代入式 4 2 3 可得 跏叫吲叫矧2 蒜聃州 这样通过选择适当小的正常数因子 的值 便可以使均方误差f l 1 s f 弗 成 立 把式 2 2 7 代入式 2 2 4 有 形 2 v 2 3 8 由于上式中的一v 表示沿误差曲面梯度下降的方向 因此权向量修正的过程 也 是使误差沿着超抛物面最陡梯度不断向最小值逼近的过程 故该算法被称为最陡 梯度下降法 最陡梯度下降法在使用时的不方便之处 就是在每次对权向量的值进行修正 第二章自适应均衡器理论基础 时 必须要求出梯度向量v 的值 计算量非常大 用硬件实现十分麻烦 为对 此加以简化 可以采用下述的近似算法 由式 2 3 6 和式 2 3 3 可知 v 2 端j i 嘶 掣 矧o w n i i i 舢 o i 小 划舢踹 蒜m i 由于当w 瑚 n 时的输入向量为x n 故e n d n 一w 7 n x n a 把该式代入 上式可得 v 2 e e n x n 2 3 9 在实际计算中 由式 2 3 9 给出的梯度值可 q l 下面的近似值所代替 即 v 2 e n x n 因此式 2 3 8 可被重新写成 w n 1 w 一 十2 胪 n x 以 2 3 1 0 该式给出了一种非常简单的权向量的递推算法 即w i d r o w h o f fl m s 自适应算 法 是目前自适应滤波器最常用的一种简单有效的递推算法 由于这种自适应滤 波方法可以根据信号的变化自动调节权向量以获得最佳的输出 因此它对非平稳 信号的滤波也是适用的 2 3 2 步长因子 的取值范围 上面给出的w i d r o w h o f fl m s 自适应算法在求滤波器的权向量时非常简 单 快捷 其基本方法是选取负梯度方向作为搜索方向 以便最快地达到f 的最 小值 每一次迭代都要求出梯度方向以及步长 沿此方向该走多远 由于越接 近最佳权向量w 负梯度方向变化越多 下降越慢 因此开始步长 可以较大 第二章自适应均衡器理论基础 以后越来越小 迭代过程中 燹化的步长将增加控制的复杂性 为简化控制 步 长可取固定值 但必须适当 步长太大可能不收敛 步长过小收敛速度又太慢 下面将证明 适当选取步长因子 的值后 w i d r o w h o f fl m s 自适应算法 将收敛于最佳权向量 为分析方便起见 设输入信号向量x n 和x n h 互不相关 这样由式 2 3 1 0 可知 h n 只和x n 1 x n 2 相关 因此由式 2 3 8 和式 2 3 9 得 w n 1 w n 2 t e e e n x n w 一 2 肛 工 n d n 一 n w n 1 w 疗 2 肛p 一 z 一 卜2 肛 石 一 甩 w 蜘 由于权向量w n 与x n 不相关 故e 卜 n x 7 矗 n e 卜 nx 7 n w n 这 样再把e p 一 工 n 和 弹 n 中 代入上式 有 w n 1 一2 庙 w n 2 声旷 2 3 1 1 设与自相关矩阵m 得特征值五相对应的特征向量为q 即 如果令 m q k 4 q k 七 0 1 一 n 一1 2 3 1 2 q e q o q 1 q n 1 3 a 则式 2 2 1 2 可写成 巾艘 q a 矗0 0 0 a 0 0 0 靠一 故有 q a q 2 3 1 3 把式 2 2 1 3 代入式 2 2 1 1 后可得 w n 1 q i 2 z a k q 1 w n 2 w 1 2 第二章自适应均衡器理论基础 对上式进行迭代运算后得 w n 1 o i e a 1q w o 2 宝q 一2 肚 q 一 2 3 1 4 设缸表示矩阵 特征根中的最大者 那么可以看出上式收敛的充分条件是 i l 一2 一1 1 由此可解得 的取值范围 o 士 由于 1 缸 五 卅 故 的取值范围可近似地表示成 碉1 2 3 1 5 注意到州o 艺e x 七 为信号的总平均能量 因此 值要小于该总平 均能量的倒数 另外当1 1 2 p 皿x i l 时 由于式 2 2 1 4 左边第一项在h 时 其值为零 故 熙w n 1 2 嚷q h 肚 q l 观艘南q l q a q 1 中 w 这样就证明了当 值满足式 2 3 1 5 给出的条件时 l m s 自适应算法确实能使 w n 收敛于最佳值w 在实际中使用l m s 算法时 的典型取值约为式 2 3 1 5 所给出的上界的 第二章自适应均衡嚣理论基础 土量级 1 0 2 4 改进的l m s 算法 在一些实际应用中 随着系统结构的变化和实现低成本的要求 l m s 算法 在实现上也显现出一些局限性 本节中将讨论两种i a m s 的变体 2 4 1s i g nl m s 算法 在具体实现中 为7 减少使件的复杂度 l m s 算法的抽头系数调整公式中 的e x 分别用各自的极性代替数值大小 这就是s i g nl m s 算法 有如下三种表 示形式 s 弘 e 七 x 七 w k 1 矿 七 e k s g n x k 2 4 1 i s 弘 e s 弘 七 2 4 2d l m s 算法 前面讨论的l m s 算法广泛地应用于自适应横向滤波中 误差信号在下一个 采样点到来之前更新抽头系数 在一些实际应用中 l m s 算法在实现上会受到 限制 例如 高速v l s i 电路经常采用的流水线结构 在处理中需要延时 误差 往往几个符号时间以后才能得到 这就在l m s 算法中引入了延时 在其他一些 用并行结构实现自适应算法时也会遇到同样的问题 因此 研究系数更新中引入 延时的l m s 算法是很有必要的 这就是d l m s d e l a y e dl m s 算法 本节将推导延时自适应方案的系统模型 并通过该模型得到保证算法稳定的 步长的范围和达到最快收敛的最佳步长值 还将研究d l m s 算法的收敛和渐进 第二章自适应均衡器理论基础 性能 可以证明只要系数更新的步长值在一个特定的范围内 系数更新中的延时 仅对l m s 算法的稳定性有很小的影响 2 4 2 1d l m s 算法的系统模型 d l m s 算法可以由下面的等式来描述 延时的系数更新 w w 以一1 c 肥 以一d 工 玎一d 2 4 2 误差 e n d d n d y n d 2 4 3 滤波器输出 y n d x 一d w n d 一1 2 4 4 这里 x n 是输入矢量 石 n x 一 工 n 1 x n 一 1 w n 是抽头系数矢量 矽 n w 0o n w k 一 z d n 是期望的理想信号 值是系数更新的步长值 表示矩阵的转置 d 表示延 时 最佳的尺度是均方误差的最小化 可以看到式 2 4 3 和 2 4 4 与基本的 l m s 算法中的式 2 3 2 和 2 3 1 是等价的 因此 使均方误差最小化的最 佳系数矢量与基本的l m s 算法相同 2 42 2 d l m s 算法的收敛特性 可以证明 如果系数更新中的步长值u 在特定限度内 则l m s 算法系数更新 的延时对稳定性就仅有很小的影响 此稳定限度可表示为 一 am 2d 2 2 8trm am 2d 2 m1 2 2 1 0 2 五万7 7 第二章自适应均衡器理论基础 其中 弘 津n v l v 3 2 2 1 1 当m 足够大时 稳定条件可以近似表示为 1 9 4 d b 的前提下 可以满 足1 0 0 b a s e t xp h y 系统的b e r o 0 2 s 弘 p 月 0 0 0 2 e n 0 0 2 4 2 7 卜e 再 o 则s 印 e n 一2 1 因此 s g n e n 一2 s 一 一 一一2 s n 2 g n 一2 当 n 2 的符号位为1 说明e n 2 0 则s 弘 g n 一2 一1 因此 s g n e n 2 s 一 2 2 这里 n 2 8 n 一2 用矗 2 d 珂一2 逐 位取反加1 即可得到 注意 因为晶 2 5 2 的取值0 0 0 1 和 分别代表的是0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 和1 1 0 0 0 0 所以结果还要在低位补4 个零才是最后的结果 对于2 在设计中是这样考虑的 2 为步长因子的两倍 2 值越大收敛 的速度越快 但是均衡器的稳定性会变差 因此要折中选取 通常其值是远小于 1 的 只要满足收敛条件 2 值大一点或小一点对均衡的影响并不明显 因此 可以考虑选取诸如以下的一系列分立值 三 土l 上 2481 62 4 这就可以通过对钆r n 一2 和 一 矗 一一2 算术右移来实现 如前所述 一 r n 一2 和毛一 j 一 n 2 的结果是六位 其中最高位是符号 位 其余五位是整数位 权系数更新公式为 f n 1 f n 2 s g n e n 2 r n 2 1 4 2 8 g n 1 g n 2 1 a s g n e n 2 s n 一2 4 2 9 权系数厂 n 和g n 的位数是1 6 位 其中1 位符号位 1 位整数位 低1 4 位为小数位 这样只要使2 s 弘 e n 一2 n 一2 2 s 伊 e 一一2 品 一一2 的小数位数与权系数厂o 和g n 的小数位数相等即可 再多的小数位实际上对 更新权系数是没有任何贡献的 而且为了实现的简便 令 2 s 驴 e l 一2 r 0 2 2 n s g n e n 一2 2 d n 一2 也是1 位符号位 1 位整 第五章均衡器的芯片实现 数位 低1 4 位为小数位 这样 与f n 9 0 相加时各个位都是自动对齐的 这个小数点移动的过程就可以看成 一 扣一2 和毛一 晶 0 2 分别与2 相乘 的结果 小数点位置在与2 2 相乘后向左移了1 4 位 也即数据右移1 4 位 相当 于2 u 2 1 4 注意 右移时需要对数据进行符号位扩展 采用移位来实现乘法的功能将大大减少电路所耗的硬件资源 同时 这样实 现起来电路的延时远小于1 个乘法器的延时 用数据选择器和右移代替乘法器可 以在很大程度上提高均衡器允许的最高采样频率 电路结构图5 4 6 中的d 2 f 1 f 2 c 2 c 4 就是用来实现均衡器中f f f 和 f b f 的权系数更新的 5 4 3 综合 布局布线与仿真 电路结构确定后就可以进行代码设计了 设计好的代码还要经过综合和布局 布线才能完成芯片设计 所谓综合就是以时序路径优化为基础把由硬件描述语言的模块映射为由厂 方提供的元件库里的元件所组成的逻辑电路图 它分为两大步 1 2 1 第一步是t r a n s l a t i o n 把v e r i l o gh d l 或v h d l 描写的模块直接转化为功能 相对应的由g e n e r i c 成分组成的电路图即g t e c h g e n 强i ct e c h n o l o g y 逻辑 2 h 第二步是o p t i m i z a t i o n m a p p i n g 把g t e c h 文件进一步优化为由厂方提供 的元件库所组成的逻辑图 相应的文件为网表文件 n e t l i s t 2 1 1 提取出的网表文 件 n e t l i s t 将用于后端的布局布线使用 在综合及布局布线后 由于引入了门和布线的延时 复杂电路中的门的驱动 能力问题 有可能会影响电路的性能 严重的甚至导致电路不能正常工作 因此 进行电路级的后仿真是非常必要的 本系统结构采用的是d l m s d f e 在综合时加入必要的b u f f e r 来提高驱动 能力 由于内部走线路径不同 可能会导致内部时钟产生抖动而引起不期望的错 误 因此 在进行布局布线时又加入了时钟树 来减小电路内部时钟的抖动 图5 4 7 是数字自适应均衡器代码的功能仿真结果 第五章均衡器的芯片实现 图5 4 7 数字自适应均衡器功能仿真图 其中 e l k 系统时钟 r e s i n 系统复位输入信号 r c 复位同步后的信号 d i n 输入的待均衡的数字信号 d o u t a 输出均衡后的m l t 3 信号 d a t a o r i g i n a h 发送信号 这里用于验证均衡收敛得是否正确 e q u t i m e 收敛时刻 5 4 4 结论 按照上面各节所介绍的方法 选用0 2 5 z m 的工艺库进行数字白适应均衡器 的芯片设计 图5 4 8 是均衡器综合 布局布线后的后仿真结果 图5 4 9 是自适 应均衡器最后的芯片版图 w a v e f o r ma f t e rs of o r1 0 0 m l i y q 图5 4 8自适应滤波器后仿真波形图 设计实现的均衡器f f f 的阶数为4 阶 f b f 的阶数为1 6 阶 均衡器总面积 第五章均衡器的芯片实现 为4 9 0 7 7 0 0 0 0 0 0 0 s q u a r ed b u c e l l 的面积为4 0 5 4 4 0 6 4 0 0 0 0 s q u a r ed b u c e l l 利用率8 2 6 l 图5 4 9 数字自适应均衡器版图 5 9 参考文献 参考文献 1 张公忠 现代网络技术教程 北京 电子工业出版社 2 0 0 0 3 p p 9 0 2 黎连业 十兆百兆千兆万兆以太网技术及组网方案 北京 机械工业出版 社 2 0 0 3 3 坤 1 0 1 1 3 c r a i gz a c k e r 著 王建华 王卫峰 席赛珠等译 现代网络技术 北京 机 械工业出版社 2 0 0 2 6 p p 1 6 4 1 6 5 4 c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n c s m a c d a c c e s s m e t h o da n dp h y s i c a l l a y e rs p e c i f i c a t i o n i s o i e c 8 8 0 2 3 a n s i i e e e s t a n d a r d8 0 2 32 0 0 0e d m a r c h 2 0 0 2 5 f d d it w i s t e dp a i r p h y s i c a ll a y e rm e d i u md e p e n d e n t t p p m d a n s i s t a n d a r dx 3 2 6 3 1 9 9 5 r 2 0 0 0 s e p t e m b e r2 5 1 9 9 5 6 沈福民 自适应信号处理 西安 西安电子科技大学出版杜 2 0 0 1 3 p p 4 8 5 6 7 王欣王德隽 离散信号的滤波 北京 电子工业出版社 2 0 0 2 6 p p 7 4 7 9 9 1 9 2 8 陆光华彭学愚张林让毛用才 随机信号处理 西安 西安电子科技大学 出版社 2 0 0 2 1 0 9 s i m o nh a y o n a d a p t i v e f i l t e r t h e o r y t h i r d e d i t i o n 1 9 9 6 p r e n t i c e h