利用内置并串转换功能的千兆位收发器解决网络带宽问题

现有的网络常常不能满足用户对带宽越来越高的要求，将带宽提高到1,000Gb来消除通信接口瓶颈已经成为一种趋势。本文将介绍适合于高速网络、基于铜线的具有并串转换功能的双端口千兆位以太网收发器。

随着网络用户和网络服务的增加，其中包括各种多媒体信息，如音频和视频信号，对带宽的要求急速增加。目前，全世界超过20亿的个人计算机连接到10Mbps或100Mbps以太网，但是骨干网的带宽仍然限制了用户能实现的带宽，因此,如何提高带宽使数据无瓶颈传输成为业界关注的焦点，千兆位以太网就是解决高速数据通信带宽问题的最佳方法。

千兆位以太网

以太网是一个广泛使用的高速通用网络，用户通过以太网连接到因特网，实现信息共享。与令牌环网和ATM网相比，在局域网应用中以太网是成本最低的一种实现方案。在1996年，电气和电子工程师协会(IEEE)组成了802.3z任务组开发千兆位以太网标准。1997年该小组又分为原来的802.3z任务组和IEEE802.3ab任务组。IEEE 802.3z标准用作MAC层的规范和1000BASE-SX、1000BASE-LX光纤以及短距离铜线(1000BASE-CX)规范。IEEE802.3ab用于处理现有电缆(UTP五类线)使之与长达100米(EIA/TIA 586-A标准)的电缆兼容，该标准于1999年7月完成，即1000BASE-T标准。千兆位以太网可以运行在几种媒体上：单模光纤，长度可达5千米；多模光纤，连接长度至少550米；用在均衡和屏蔽铜线可至少达到25米；用标准五类线连接长度可至少达到100米。在图1中显示了几种媒体和相关标准。

为了能以千兆位的速率在200米的距离中传输数据，在这些标准中为CSMA/CD协议做了一些改进。需要将载波时间和以太网时隙时间进行扩展，从最初的64字节扩展到512字节。大于512字节的数据包将不被扩展，而小于512字节的包将使用扩展时间。为了不因为大量的小数据包而使网络性能下降，采用了称为数据包串的新概念，这样可以通过发送长串的数据包来有效地利用带宽。在以太网中，通过与媒体无关的千兆位接口(GMII)将MAC子层连接到PHY层，包括以124MHz运行的8位数据总线，还有时钟信号、载波指示和错误状态指示。

1000BASE-T以太网综述

在ANSI/TIA/EIA-568-A标准中定义了1000BASE-T在五类线连接上提供全双工或半双工(CSMA/CD-具冲突检测之载波感应多重存取)1,000Mbps以太网业务。在1000BASE-T中与100BASE-T中用的拓扑规则是一样的。ANSI/TIA/EIA-568-A 线缆标准限制五类线的连接长度在100米内。在冲突域(collision-domain)中只允许使用一个 CSMA/CD中继器。1000BASE-T也使用在快速以太网中采用的自调整系统。

1000BASE-T允许用户在现有的网络基础设施上构建千兆位以太网，这是提升网络性能的好方法，而且既不需要昂贵的硬件升级也不需要特殊技术。1000BASE-T能提供1,000Mbps速率，是基于双绞线的快速以太网速率的十倍，而这种双绞线是目前在局域网中用得最广泛的一种线缆。

1000BASE-T以太网面临的挑战

在五类线上传输1,000Mbps数据流时，由于存在信号衰减、反射损耗、电磁干扰以及串音等问题而出现一些困难。

衰减是指信号在发送器与接收器之间传递时的损耗。衰减随频率的增加而加大，因而设计工程师必须考虑在满足速率要求的情况下使用尽可能低的频率。

回波是在双工传输模式下产生的一种现象。在双工传输模式下，发送和接收信号占用同一线对。通过不同媒体而产生的残余信号与线缆反射信号叠加在一起形成有害信号。

反射损耗是线缆阻抗不匹配条件下产生的功率反射大小的一个量度。

串音是在相近线对之间产生的一种有害的信号耦合。由于1000BASE-T要使用四个线对，每个线对都会受到临近的三个线对的串音影响。串音的特点与发送器是相关的。近端串音(NEXT)是表现在线缆发送器端的输出，远端串音(FEXT)表现为线缆远端发送器端的串音。相同等级远端串音(ELFEXT)是指在FEXT基础上消除了线缆衰减来提供相同等级的对比度，即串音信号和接收信号电压在远离发送器的电缆端进行比较。

1000BASE-T中的基本技术

上述五类线的局限性和特性使得在构建1000Mbps物理层时产生了很多问题，利用近几年的一些新的通信技术来设计收发器可以成功解决这些问题。在1000BASE-T中利用了这些技术将期望的速率转换为能在四对五类线上传输的波特率。

1000BASE-T系统中，双工传输是指在四个线对的每根线的两个方向上同时发送和接收信号，与单向的发送和接收相比将每个线对上的数据速率降低到一半。通过使用混合电路来滤除在接收器上的发送信号，实现在单个线对上的双向传输。

在1000BASE-T中采用了特殊技术，包括在现有的四对五类线上以125M波特率的速率传输，用PAM-5编码来实现在每个符号内传送更多的信息，用4D-8态瑞利前向纠错编码来弥补噪声和串音的影响，用脉冲整形技术来调整发送信号频谱，用优越的DSP信号均衡技术来处理噪声、反射和串音干扰并保证满足误码率要求。

具有较低的跨混合网络损耗的混合网络能降低耦合到接收器的信号，但是仍然不能全部去除。混合网络的残余信号与电缆的返回损耗要求每个线对中加入消除器来去除传输反射信号。

五级PAM能实现比二进制信号更高的带宽利用，因为在二进制中每一个符号只代表一位(0，或1)，在5级PAM中每个符号代表五个不同级中的一个(-2, -1, 0, + 1, +2)。由于每个符号只能代表两位信息(用四级代表两位，加上第五级用在前向纠错编码)，因此符号率和信号带宽降低一半。多级信号处理成本包括在给定误码率条件下对较高信噪比的要求，多位D/A和A/D转换器的使用以及提高接收器均衡的需要。

前向纠错提供第二级的编码，能帮助在噪声和串音影响下恢复传输符号。4D-8态的瑞利前向纠错实现了在噪声和串音条件下对传输符号的恢复，该技术提高了在接收器的A/D转换器中的判断器件的信噪比。

波形整形用来实现传输信号的频谱与信道最佳匹配，使信噪比最大。该功能是通过在发送器或接收器，或同时在两者上使用模拟和数字滤波器件实现的。波形整形用来降低失真和干扰都很大的频率点的信号能量，并减少低频和高频信号，抑制高频外部噪声分量。通过波形整形，1000BASE-T传输信号频谱实质上与100BASE-TX一样。

信号均衡用来补偿通信通道引入的信号失真，通过一个有限冲激响应(FIR)线性数字滤波器实现线性数字均衡，而非线性均衡通常是采用判定反馈均衡(DFE)，能实现比线性均衡更佳的信号均衡，尤其是当传输媒体在特定频域产生了很强的信号衰减时。与线性均衡器不同的是DFE并不对噪声产生变化，因此用DFE并不能降低高频噪声。然而用DFE对信道均衡容易使误码扩大化，在这种情况下一个误码会引起误均衡并产生进一步的错误。解决这个问题的一个方案是用多个DFE。

扰频用来使传输符号序列随机化，避免在传输信号中产生长串的0或1信号。扰频也用来产生非关联数字符号，这能提高接收器的适应性能。

1000BASE-T的实现

a. Alaska铜线千兆位以太网收发器

Alaska以太网收发器是一种先进的千兆位PHY器件，具有很低的功耗。该收发器是世界上第一个用0.18微米CMOS工艺生产的PHY千兆位器件，能使企业交换机/路由器生产商第一次开发出更高端口密度的千兆位交换机-可以比采用现有的铜线千兆位收发器的交换机的端口密度高2到3倍。

在芯片中采用了基于标准的自适应技术，能支持所有的三种以太网速度:10Mbps、100Mbps和1000Mbps，能保证与现有的以太网网络兼容。采用与IEEE 802.3适应的GMII、与媒体无关接口(MII)标准和10位接口(TBI)的事实标准，允许直接连接到现有的MAC/交换机。在该器件中集成了对三种速度的Auto-MDI/MDIX功能。MDI/MDIX功能提供用户端到端配线误差容限，能在无外部交叉线缆下进行纠正。根据1000BASE-T标准,在所有的四对线上同时发送和接收数据的条件下，Alaska芯片能达到2Gbps的数据吞吐量。

为了实现数字适应均衡、反射消除、串音消除、数字时序恢复、线驱动器支持、编码器和解码器，Alaska千兆位以太网收发器使用了先进的DSP架构和混合信号处理以及高速数字电路技术。混合信号和DSP设计技术的采用实现了很高的差分/积分线性度、高的电源噪声抑制、低的误码率以及精确的数模转换，这些都提高了系统在噪声环境下的性能，并具有低功耗的特点。

由于采用了功率管理技术，该器件具有相当低的功耗，只有1.8瓦。这样网络系统提供商可以生产出高端口密度的交换机，并且不需要大的散热器和风冷装置。对于一个采用这种收发器的24端口千兆位交换卡，功耗可降低100瓦以上，大大降低了散热要求并增加了系统的可靠性。

b. 具有内置并串转换功能的Alaska 千兆位收发器

Alaska⁺千兆位收发器在片上集成了并串转换功能，能实现更高端口数的千兆位交换机，1000BASE-T千兆位接口转换器(GBIC)，以及铜线到光纤媒体的单片转换器。在千兆位收发器中集成了一种并串转换功能的新技术。作为PHY与交换机/MAC之间的一个可选接口，并串转换器接口减少了I/O管脚数量，将原来每个端口的24个管脚减少到4个，这样开发商可以开发出高性能、更高端口数的网络解决方案。在GMII和TBI标准中定义了千兆位PHY和千兆位MAC之间的接口，GMII接口由24个I/O管脚组成，其中16个管脚用作数据传输，包括两个运行频率为125 MHz的8位并行总线用于发送和接收操作，余下的GMII I/O管脚包括几个控制I/O和数据时钟。

Alaska⁺的并串转换器将接口数减少到四个管脚，并保持了所有的GMII接口功能，这给高端口密度交换机生产商带来了很多的好处。例如，对一个24端口千兆位交换机采用Alaska⁺并串转换器接口将减少PHY和MAC侧480个管脚(24端口×20个管脚)，管脚数减少也降低了系统成本。另外，并串转换器接口还简化了交换机的设计并提高了系统的性能和可靠性。

为了提高系统性能，Alaska器件的并串转换器接口在串行数据内嵌入了时钟，这样运行频率达1.25GHz的差分信号就具有内置时钟信息。Alaska⁺ PHY的接收部分通过双输入管脚接收数据并将1.25GHz的串行时钟从串行数据中分离出来。通过在数据中嵌入时钟 ，Alaska⁺ 器件消除了PCB信号失真问题，简化了设计。而现在的设计中数据和时钟布线是分开的，因而会产生潜在的信号失真和时序问题。

另外，Alaska⁺并串转换器PHY包含新的功能，即1000BASE-T GBIC。GBIC是用于1000BASE-SX和1000BASE-LX中基于光纤的一种热拔插和即插即用的单端口模块。这种基于铜线GBIC的千兆位以太网要求三个1000BASE-T PHY性能特点：低功耗、小封装和4个管脚的1.25GHz并串转换器。Alaska⁺并串转换器件能满足所有这些要求，并实现1000BASE-T GBIC模块。

最后，Alaska⁺并串转换器PHY可用作在铜线和光纤媒体之间的千兆位媒体转换器，这是实现这种先进功能的第一个单片解决方案。千兆位媒体转换器提供了铜线和光纤之间的双向转换。采用内置1.25GHz并串转换器，该器件能直接与标准千兆位光纤光模块相接口，1000BASE-SX标准波长为850nm，1000BASE-SX标准波长为1,000nm。由于在单片内实现了现在一般要2到3个芯片才能实现的功能，Alaska⁺ PHY将大大降低千兆位媒体转换器成本。

作者：David Young

Marvell半导体公司