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(shè)計(jì).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(biāo)準(zhǔn)。1000BASE-T的主要目標(biāo)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(shí)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(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)管理等等，甚至包括布線系統(tǒng)在內(nèi)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(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)?？梢灶A(yù)見，1000BASE-TGbE必然具有廣闊的應(yīng)用與市場前景。 與應(yīng)用上的優(yōu)勢形成對照的，是其在技術(shù)上對收發(fā)器設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(jìn)行全雙工傳輸，并采用多電平調(diào)制技術(shù)以提高頻帶利用率。但全雙工雙向傳輸帶來嚴(yán)重的回波與串?dāng)_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(shù)。而為補(bǔ)償多電平調(diào)制技術(shù)帶來的信噪比損失，又采用遠(yuǎn)較100BASE-TX更為復(fù)雜的編碼算法。更高的高吞吐率與更復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)給收發(fā)器的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)成為一個難點(diǎn)。 如何在實(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)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(shù)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(rèn)為難以達(dá)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(fù)雜度以降低收發(fā)器成本，在移動設(shè)備上的應(yīng)用又希望解碼器的功耗盡可能的低。我們認(rèn)為，在這些方面現(xiàn)有

5、的研究尚大有改進(jìn)的余地。鑒于此，本文對如何在1000BASE-T實(shí)際面對的信道環(huán)境中進(jìn)行高性能、低復(fù)雜度以及低功耗的解碼進(jìn)行深入的研究，并提出了有效的解決方案。 論文的研究內(nèi)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(shù)進(jìn)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(xùn)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(yīng)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(jìn)行了研究。通過仿真確認(rèn)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(guān)鍵參數(shù)對其復(fù)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(yù)濾波M算法的聯(lián)合解碼均衡技術(shù)，在低復(fù)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(guān)鍵路徑延遲問題，提出超前計(jì)算MA4解碼器。通

7、過優(yōu)化的超前計(jì)算結(jié)構(gòu)、低扇出解碼器結(jié)構(gòu)以及為M算法優(yōu)化的低復(fù)雜度排序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在保持M算法的低復(fù)雜度優(yōu)勢同時將其關(guān)鍵路徑延遲縮短至與PDFD相當(dāng)。并通過符號壓縮技術(shù)進(jìn)一步降低M算法解碼器的硬件復(fù)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(fù)雜度卻不及后者的2/3。 (4)為了進(jìn)一步降低預(yù)濾波PDFD的硬件復(fù)雜度與功耗，提出一種適合于1000BAS

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

9、衡器進(jìn)行分析。并提出低復(fù)雜度約束/高性能約束情況下適用的聯(lián)合解碼均衡器結(jié)構(gòu)。通過仿真與物理設(shè)計(jì)，確認(rèn)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(shù)，在硬件復(fù)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(shù)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(yù)濾波聯(lián)合解碼均衡器的雙模式聯(lián)合解碼均衡技術(shù)。仿真與物理設(shè)計(jì)表明，在不損失性能并且硬件復(fù)雜度增加很小的情況下，將聯(lián)合解碼均衡技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)空閑時功耗降低到1