1000BASE-T千兆以太網(wǎng)收發(fā)器數(shù)字信號處理算法研究與VLSI設計.pdf

1、IEEE802.3ab1000BASE-TgigabitEthernet(GbE)是IEEE802.3ufastEthernet之后的新一代基于雙絞線信道的高速以太網(wǎng)標準。1000BASE-T的主要目標是在與100BASE-TX快速以太網(wǎng)相同的5類非屏蔽平衡雙絞布線上實現(xiàn)10倍于快速以太網(wǎng)的傳輸速率，誤比特率不超過10-10。通過對基于快速以太網(wǎng)的現(xiàn)有應用以及網(wǎng)絡管理等等，甚至包括布線系統(tǒng)在內的用戶資源全面兼容，1000BASE-T能夠

2、從現(xiàn)有快速以太網(wǎng)平滑無縫的升級，同時將升級成本降到最低，并且全面繼承以太網(wǎng)的簡單廉價高可靠性易于管理的優(yōu)點。因此1000BASE-TGbE以其高帶寬低成本的顯著優(yōu)勢，正在日漸成為主流以太網(wǎng)標準?？梢灶A見，1000BASE-TGbE必然具有廣闊的應用與市場前景。 與應用上的優(yōu)勢形成對照的，是其在技術上對收發(fā)器設計提出的挑戰(zhàn)。由于1000BASE-TGbE所使用的傳輸媒介是為上一代以太網(wǎng)標準設計的，為了在同樣的媒介上提供10倍的傳輸

3、速率，1000BASE-T使用4對雙絞線進行全雙工傳輸，并采用多電平調制技術以提高頻帶利用率。但全雙工雙向傳輸帶來嚴重的回波與串擾問題，為消除雙向傳輸之間的干擾，使用混合電路以及回波抵消技術。而為補償多電平調制技術帶來的信噪比損失，又采用遠較100BASE-TX更為復雜的編碼算法。更高的高吞吐率與更復雜的算法實現(xiàn)給收發(fā)器的設計帶來很大的困難，物理層的基帶信號處理模塊，尤其是聯(lián)合解碼均衡器的實現(xiàn)成為一個難點。 如何在實際的雙絞線信

4、道中消除信道的非理想特性，并充分利用1000BASE-T的編碼算法帶來的編碼增益是使1000BASE-T收發(fā)器達到設計指標的重要問題。一些常用的解碼算法已被證明無法充分利用1000BASE-T編碼技術所提供的編碼增益。而高性能的算法卻又有巨大的硬件開銷，或者被認為難以達到1000BASE-T的吞吐率要求。同時希望解碼算法能夠具有盡可能低的硬件復雜度以降低收發(fā)器成本，在移動設備上的應用又希望解碼器的功耗盡可能的低。我們認為，在這些方面現(xiàn)有

5、的研究尚大有改進的余地。鑒于此，本文對如何在1000BASE-T實際面對的信道環(huán)境中進行高性能、低復雜度以及低功耗的解碼進行深入的研究，并提出了有效的解決方案。 論文的研究內容，主要包括以下幾個方面： (1)為了解決線對延遲差、線對交換與極性錯誤所造成的4維符號破壞問題，對1000BASE-T的編碼技術進行深入研究。利用其編碼特性提出了在可能存在線對順序與極眭錯誤前提下PCS訓練方法，從而為完成解碼鋪平了道路。

6、(2)為了確定適用于1000BASE-T應用高吞吐率要求的聯(lián)合均衡解碼算法，對于聯(lián)合解碼均衡算法進行了研究。通過仿真確認各算法在1000BASE-T信道環(huán)境下的性能表現(xiàn)。并研究各算法的關鍵參數(shù)對其復雜度與性能的影響，確定適用于1000BASE-T的聯(lián)合解碼均衡算法。提出一種基于預濾波M算法的聯(lián)合解碼均衡技術，在低復雜度下即具有相對于常用的PDFD更高的性能。 (3)為了解決M算法的高關鍵路徑延遲問題，提出超前計算MA4解碼器。通

7、過優(yōu)化的超前計算結構、低扇出解碼器結構以及為M算法優(yōu)化的低復雜度排序網(wǎng)絡結構，在保持M算法的低復雜度優(yōu)勢同時將其關鍵路徑延遲縮短至與PDFD相當。并通過符號壓縮技術進一步降低M算法解碼器的硬件復雜度。通過這些手段，14tapMA4解碼器在1Gbps的吞吐率下，依然能夠保持其相對于14tapPDFD的性能優(yōu)勢。同時，其硬件復雜度卻不及后者的2/3。 (4)為了進一步降低預濾波PDFD的硬件復雜度與功耗，提出一種適合于1000BAS

8、E-T的混合結構幸存記憶單元(SMU)結構。并對其在不同的面積/功耗/解碼延遲約束下適用的混合結構SMU進行分析。證明其相比于傳統(tǒng)的寄存器交換結構SMU，在面積功耗方面的優(yōu)勢。對于1tap預濾波PDFD的應用表明，應用混合結構SMU的1tapPDFD可以降低19％的硬件復雜度與1/2以上的功耗。 (5)為了解決不同設計約束下聯(lián)合均衡解碼技術的選擇問題，在現(xiàn)有以及所提出的各種技術基礎上，對各種面積/性能條件下適用的預濾波聯(lián)合解碼均

9、衡器進行分析。并提出低復雜度約束/高性能約束情況下適用的聯(lián)合解碼均衡器結構。通過仿真與物理設計，確認其適合于1000BASE-T收發(fā)器，相比于現(xiàn)有的聯(lián)合解碼均衡技術，在硬件復雜度/性能方面的綜合優(yōu)勢。 (6)為了解決聯(lián)合解碼均衡技術在以太網(wǎng)幀間效率降低的問題，提出了可以適用于各類預濾波聯(lián)合解碼均衡器的雙模式聯(lián)合解碼均衡技術。仿真與物理設計表明，在不損失性能并且硬件復雜度增加很小的情況下，將聯(lián)合解碼均衡技術在網(wǎng)絡空閑時功耗降低到1