（电路与系统专业论文）千兆万兆以太网物理层收发系统设计和集成电路实现的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

中义摘要 摘要 随着i n t e r n e t 应用的迅猛发展，使得对数据传输速率的要求不断提升。以太网作为最 为成功的局域网技术顺应了这一需求，并和光纤传输技术的发展相互融合，产生了采用光纤 作为传输媒质的以太网系统。由此以太网的传输速率提升至干兆乃至万兆比特率，并且支持 全双工工作模式。1 9 9 9 年和2 0 0 1 年分别制定的i e e e 8 0 2 3 z 千兆以太网标准和i e e e 8 0 2 a e 力 兆以太网标准有力地推动了以太网的发展，使其应用范围从局域网扩展到了城域网和广域网， 从而成为了当今最主要的网络技术。 千兆和万兆以太网物理层专用芯片的设计是实现网络传输速率及性能提升的关键。由于 其中包含有编码、解码、时分复用与解复用、时钟产生、分配以及数据驱动等多种复杂的数 模混合电路，存在有诸多的设计难点和课题。因此千兆和万兆以太网物理层收发系统芯片的 设计便成为了工业界和学术界研究的热点。 本文针对这一研究热点，在总结前人工作的基础上，在国家8 6 3 项目“1 0 g b i t s 以太网物 理层上下行接口处理芯片研究”( 2 0 0 1 a a l 2 1 0 7 4 ) 的支持下展开研究。依据千兆和万兆以太 网标准所定义的规范，本文研究并设计、实现了具有自主知识产权的c m o s 单片集成的数模 混合物理层全双工收发芯片，以及收发系统中关键的时分复用并串转换电路、时分解复用串 。并转换电路、锁相环频率综合器、时钟提取、数据判决以及分频器、压控振荡器等多种数字 和模拟集成电路。所有设计的芯片都完成了在晶片测试，并且大部分芯片还完成了封装测试， 测试结果达到了设计要求。并在此基础上对推进芯片的产业化设计作了有益的尝试。 在研究过程中共申报了三项发明专利：其一为“千兆以太网物理介质附加子层数据传输 方法及装置”( 专利申请号0 1 1 3 4 1 3 4 3 ) ，其二为“时分复用可编程复接装置”( 专利申请号 0 2 1 3 8 2 1 4 x ) ，其三为“8 b 1 0 b 编码的实现装置”( 专利申请号2 0 0 4 1 0 0 1 4 2 9 7 3 ) ，且第一项 发明已获得了专利授予权。 本文对于设计具有我国自主知识产权的千兆和万兆以太网物理层收发系统集成电路具有 积极的推动作用。 关键词】 千兆以太网万兆以太网光纤通信系统同步数字序列时分复用器 时分解复用器锁相环压控振荡器时钟提取互补金属氧化物半导体 y ， 英文摘要 a b s t r a c t w i mt h er 印i dg r o w t l lo ft h ei n t e m e td e v e l o p m e n t ，t h ep e 渤衄a j l c ed e m a n do ft h es e r i a ld a t a l i i l i ( si si n c r e a s e d e t l l e m e t ，a st h em o s ts u c c e s s m ll a nt e c h n o l o g y ，h a sc o m b i n e dw i t ht h en e w d e v e l o p m e n to f 舶e rc o m m u l l i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yt ( s a t i s 匆t h et r a n s m i s s i o ns p e e du pt og i g a b i t p e r - s e c o n da n de v e nl0g i g a b i tp e r - s e c o n df o r 觚l d u p l e xc o m m u n i c a t i o n i n19 9 9a n d2 0 0 1 ，m e g i g a b i te t h e m e ts t a n d a r do fi e e e 8 0 2 3 za n d10g i g a b i te t h e m e ts t a n d a r do fi e e e 8 0 2 3 a e 、v e r e e s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y t l l u sp r o m o t i n gm ed e v e l o p m e n to ft h ee t h e m e te 毹c t i v e l ya i l de x p a n d i n g t h e i r 印p l i c a t i o nf r o ml a n t om a na n dw a n t h ed e s i g no ft h ep h y s i c a ll a y e r sa s i co ft h eg i g a b i ta n dlog i g a b i te t h e m e ti st h ek e yt o i m p r o v et h en e t w o r k 仃 m s m i s s i o np e r f o n n a n c e b e l ：a u s et h ea s i ci n c l u d e st h ec o d i n g ，d e c o d i n g ， m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ，c l o c kg e n e r a t i n ga n dd i s t r i b u t i o n ，d r i v e ra n dk i n d so fc o m p l i c a t e d m i x e ds i g n a lc i r c u i t s ，a sac h a l l e n g e ，t h er e l e v a n tr ：s e a r c ha n dd e s i g nb e c o m eh o t s p 9 ti ni n d u s t r y a n da c a d e m e t h i sd i s s e i r t a t i o ns u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3m g h - t e c h n o l o g yp r o j e c t ( 2 0 01a a1210 7 4 ) a i m s a tt h i sh o t s p o tt or e s e a r c ha n dd e s i g nm ec m o sg i g a b i ta i l d10g i g a b i te t h e m e tt r a n s c e i v e ra j l d t h ek e yc o m p o n e n t ss u c ha st h em u l t i p l e x e r ，d e n l u l t i p l e x e r ，p l lf - r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，c l o c k r e c o v e r ya n dd a t ad e c i s i o nc i r c u i t ，f - r e q u e n c yd i v i d e r ，v c oa n do t h e rd i g i t a la n da n a l o gi n t e g r a t e d c i r c u i t s a l lt h e s ec h i p sf l n i s h e dm et e s to nt h e 、v a r ；ra n dm o s to ft h e mf i n i s h e dt h ep a c k a g e dt e s t t h es a t i s f a c t o r yt e s t i n go u t c o m e sa c h i e v e dt h ed e s i 四t a 唱e t sa j l dt h ec r i t e r i o no ft h es t a n d a r d s m e a n w h i l et h i sd i s s e r t a t i o nh a sa l s ot r i e dt op r o m o t et h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h e s ec h i p s t h r e ei n v e n t i o np a t e n t sh a v eb e e nd e c l a r e di nm yr e s e a r c hp r o c e s s t h ef i r s to n ei s “ad a t a t 啪s m i s s i o nt e c h n i q u ea i l di n s t m m e n tf o rt h eg i g a t i i te t h e m e tp h y s i c a la t t a c h m e n tl a y e r ( p a t e n t a p p l i c a t i o nc o d e ：0 1 1 3 4 1 3 4 3 ) ，t h es e c o n di s ac o n f i g u r a b l em u l t i p l e x e r ( p a t e n ta p p l i c a t i o n c o d e ：0 2 1 3 8 2 1 4 x ) ，a l l dt 1 1 em i r di s “8 b l o be n c o d ：r ( p a t e n ta p p l i c a t i o nc o d e ：2 0 0 4 1 0 0 1 4 2 9 7 3 ) u pt 0n o w ，t l l ef l r s to n eh a sb e e na u t l l o r i z e d k e yw b r d s g i g a b i te m e m e t 10 一g i g a b i te t h e m e tf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y n c h r o l l i z e dd i g i t a lh i b e r a r c h ym u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r p h a s e l o c kl o o pv c oc l o c k i 沁c o v e r y c m o s i i 第一章概述 第一章概述 1 1 光纤传输和以太网系统的融合 当今世界的政治、经济、文化等各方面的发展，都依赖于信息技术和网络技术的不断进 步。两者紧密相关、相互推动、相互促进。因此信息技术和网络技术的创新是促进生产力进 一步提高所必需的基本条件。 以太网以其安全、高性能、易管理、成本收益率高等优点成为了互联网中最为成功的技 术之一，使得在全世界范围内已有9 0 以上i n t e m e t 节点采用了以太网技术。8 1 。随着网络 数据业务的快速增长，至今已经历了以太网、快速以太网、千兆以太网以及万兆以太网等四 个阶段，相应的数据传输速率也从1 0 m b 西s ，1 0 0 m b p s ，1 g b p s 发展到了1 0 g b p s 眇。1 12 1 。当数 据传输速率达到1 0 0 m b p s 之后，为了既能够充分利用以太网系统现有的优势，保持和前代以 太网系统的兼容，同时又能提供高速的数据传输带宽，采用光纤作为传输介质的千兆和万兆 以太网技术便应运而生。 光纤通信技术的发展以激光技术、光纤技术、微电子技术、光电子技术以及计算机技术 的发展和集成作为前提和基础，从而满足了近年来电话、传真、电视和数据等大量信号传 递的爆炸性需求。光纤通信系统与已建的电缆通信、微波通信相比，其优越性主要表现在 【1 1 3 1 1 5 】： ( 1 ) 频带宽、通信容量大。光纤通信的现行工作频率( 光波载频) 可达到1 0 1 4 h z 。因此， 光纤通信的带宽与通信容量要比微波通信的高1 0 万倍，比同轴电缆通信的高1 0 0 万倍。 。 ( 2 ) 光纤网络是由电器件、光电器件和光纤组成。光纤的数据传输速率很高，理论上可 以达到t b s ( 1 0 眨b s ) 。 ( 3 )光纤体积小、重量轻、可绕性强、传输损耗低、适用于长途传输。目前现已成熟的 以硅玻璃( s i 0 2 ) 为基质材料的光纤，在工作波长为0 8 5 1 5 5 m 之间时，低损耗 窗口损耗可减至0 2 d b ，工作带宽可达1 0 0 g h z 以上，无中继传输距离可超过 1 0 0 k m 。 _ ：屯 ( 4 )光纤传输系统的抗电磁干扰能力强，安全可靠，几乎无漏信号和串音，保密性好。 同时还具有抗腐蚀、抗酸碱等特点。 銮查奎竺堡主兰竺笙茎 由于以上这些优点，在过去的二十多年中，光纤通信以及与之相关的技术和工艺取得了 革命性的进步。其中美国同步光网络( s o n e t ) 和国际同步数字体系( s d h ) 标准的建立就 是光纤通信系统大规模研制和应用的重要标志6 。1 2 扪。 光以太网技术一方面继承了前代以太网的应用普遍、价格低廉、组网灵活、管理简单等 优点，另一方面又融合了光纤网络的高可靠性、高速率、大容量的特性，从而实现了消除局 域网和广域网之间的带宽瓶颈，成为未来将话音、数据和视频融合为单一整体的网络结构。 随着千兆和万兆以太网应用系统的推广，以太网的应用范围也从局域网延伸到了城域网和广 域网。因此对千兆和万兆以太网技术的研究和攻关则成为一个国家信息化建设发展进程中的 热点。而在这些研究中，提高传输速率的关键又在于光以太网中的光电器件和集成电路的设 计，所以研制具有自主知识产权的光以太网通信集成电路则具有重大的意义和良好的市场前 景。为此，我国已投入了大量的资源进行这一攻关。本文就是在国家8 6 3 计划项目“1 0 g b i t s 以太网物理层上下行接口处理芯片研究”( 2 0 0 1 从1 2 1 0 7 4 ) 的支持下展开研究的。 1 2 千兆万兆以太网系统及其标准 千兆和万兆以太网系统己由国际标准i e e e8 0 2 3 和i s o i e c8 8 0 2 3 进行了定义【1 2 3 1 2 4 1 。 于兆和力兆以太网系统在提供干兆至万兆的数据传输速率的同时，继承了8 0 2 3 以太网的帧 格式和最大最小帧长度，支持多层星型连接、点到点连接及其组合等特性，保证了对已有以 太网系统的兼容。从而可以使用户能够实现无缝升级，既不需要额外投资升级上层应用系统， 也不影响原先的业务部署和应用。此外，千兆和万兆以太网系统还有着各自的特点。 1 2 1 千兆以太网 1 9 9 8 年制定的千兆以太网标准i e e e8 0 2 3 z 中定义了三种采用不同传输媒质的体系结构， 它们分别被命名为：1 0 0 0 b a s e - l x 、1 0 0 0 b a s e s x 和l o o o b a s e c x ( 1 4 ，1 - 2 3 1 。其中1 0 0 0 b a s e l x 采用长波长光纤激光器物理层，它在多模和单模光纤上均可以使用；1 0 0 0 b a s e s x 采用短波 长激光器物理层，它主要应用于多模光纤；而l o o o b a se - c x 采用的则是短距离的铜跳线物理 层，它主要用于分线盒内短的铜线连接。为了能充分利用现有广泛安装的五类u t p 电缆，在 19 9 9 年又增加了1 0 0 0 b a s e t 标准，使得8 0 2 3 以太帧格式以1g b p s 的速率在五类u t p 上实 现结点间的全双工链路，并且位差错率1 0 。o 。 数据帧是以太网标准的核心，它是为了数据交换而采用的一种统一的约定。千兆以太网 采用了和前代相同的数据帧结构，其格式是固定的，所有以太网的形式都要根据这个格式加 以考虑。8 0 2 3 标准对帧的定义是保证互连可操作性的基本组成部分。 。 笙二翌塑垄 以太网帧结构如图1 1 所示【14 ，1 2 3 1 。它包括目的地址( d a ) 字段、源地址( s a ) 的地址 字段、类型区字段、长度可变的数据区，以及帧校验序列( f c s ，它在帧结构的最后) 。目的 地址( d a ) 作为帧中的第一个字段，用于帮助设备确定帧所要到达的地址。d a 可进一步分 成包括唯一组织识别符( o u i ) 和唯一设备识别符( i d ) 两个部分。在d a 字段后是源地址 ( s a ) ，其格式与d a 一致，该字段是用于识别帧来自什么地方，以确定帧出错地址或出于 某种原因帮助和源设备进行联系。在源地址和数据字段之间的是长度类型字段，该字段定 义了指示帧 卜- _ 一4 8 bits - 1 图1 1以太网帧结构 或分组实际的长度。在千兆以太网中，如果这个字段的数值小于1 5 0 0 ，那它表示的是长度字 一 段；如果数值是1 5 3 6 或更大，那它表示的是类型字段。数据字段是一个可变字段，其长度限 定为4 6 至1 5 0 0 字节。而固定的最大帧长有利于差错控制。帧校验序列或f c s 则提供误码指 示，故f c s 也称为循环冗余校验( c r c ) ，位于帧结构的最后。当收到一个新帧时，接收设 备将对接收帧进行数学运算，把结果和本地值( c r c 多项式) 作比较，以确定是否产生了误 码。 千兆以太网的工作模式可以是半双工也可以是全双工。其中在半双二亡模式下，千兆以太 网所遇到的一个主要挑战是在传输比特率达到千兆时，还必须提供足够大的网络直径。为此 千兆以太网采用了载波扩展和分组突发等技术邮1 4 ，1 2 5 1 2 8 1 。并且为了与前代以太网最小帧长 兼容，载波扩展不改变最短数据帧的长度，只是对长度小于5 1 2 个字节( 4 0 9 6 位时间) 的帧加 入载波扩展( c a 玎i e re x t e n s i o n ) 部分，使其在介质上停留的时间相当于5 1 2 个字节的帧所占 用的时间。载波扩展是扩大冲突域直径的一种简单方法，但它在传送短帧时却带来了相当大 的开销，因此在传送短帧时降低了信道的效率。同时，载波扩展增加了6 4 至5 1 2 字节的冲突 窗口，所以它还增加了冲突概率。而分组突发是载波扩展的扩展，它的原理是每当第一帧通 东南人学博：i j 学位论义 过5 1 2 字节的冲突窗口时发送个帧突发，仅在第一帧的突发中采用载波扩展。这相当于节 省了发送帧中的无用时间( 在载波扩展字符中) ，如图1 2 所示。因此，可以说分组突发给出 了处理千兆以太网中短帧的一个简单解决方案。它弥补了由载波扩展所引起的性能损失，且 没有改变c s m c d 算法的动态范围。 全双工的工作模式允许在使用提供了独立的发送和接收数据路径的点对点介质段的一对 设备间进行同步通信。因为两个站点可以同时发送和接收数据，所以与半双工模式相比，全 双工模式的综合传输能力提高了一倍。全双工操作的另一个主要优点是网段长度不再受共享 通道半双工以太网计时要求的限制，它只受介质系统本身传输信号能力的限制。全双工模式 在以太网标准中包括可选的m a cc o n t r o l 和p a u s e 全双工链路流控制机制。 a 站 b 站 第个被扩展的帧 缓嚣，澜# z 厂夕鼢闷# n 豳带载波扩展符锄侦瞅隙区 圈带载波扩展符号的帧宽展 图1 2分组突发示意图 根据标准定义，图1 3 给出了以光纤作为传输介质的千兆以太网参考模型和o s i 参考模型 之间的对应关系( 1 3 正4 1 。千兆以太网标准定义了图1 3 中虚线之间的层次，即o s i 参考模型中 的数据链路层和物理层。物理层包括映射子层( r s ) 、千兆位介质无关接口( g m i i ) 、物理编 码予层( p c s ) 、物理介质连接子层( p m a ) 以及物理介质相关子层( p m d ) 。映射子层提供 了物理层接口原语到g m i i 上的逻辑信号的映射机制，它是一种体系结构性的抽象，没有特 定( 必要) 的物理实现。千兆位介质独立接口( g m i i ) 为任意1 0 0 0 m b p sp h y 设备提供统一 的字节宽度物理接口。而p c s 子层完成g m i i 和p m a 之间的8 b 1 0 b 编解码【1 2 9 3 2 1 ，实现两 者之间的通信，同时为p h y 半双工用户提供载波监听和冲突检测。p c s 的自动协商功能可判 断网络的速度是1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 还是1 0 0 0 m b p s ，以及工作状态是全双工还是半双工。p m a 子层定义了在1 0 b 代码和串行数据流之间相互转换的机制。由于8 b 1 0 b 编码产生了2 0 的 信号编码开销，因此千兆位以太网系统实际上是以1 2 5 g b p s 的速率发送串行信号。p m d 子 层接收p m a 子层提供的串行比特流，将其转化为通过光纤或1 5 0 q 铜线介质的信号，或者在 接收状态下进行相反的过程。p m d 子层定义了千兆以太网使用的光纤介质、激光驱动器、光 4 第一章概述 千兆以太网分层 图l - 3 干兆以太网参考模型 检测接收器和铜缆接收器、线路驱动等规范。表1 1 给出了千兆以太网所采用的传输介质之 间的比较。由图1 3 可以看到，保证千兆以太网的传输性能的关键在于其物理层的专用集成 电路的设计。为此，国内外的学者和工程人员在这一课题上已作了大量的研究工作【1 3 3 4 4 1 ， 采用不同结构、不同工艺，实现了高速时分复用并串转换电路、串并转换电路、驱动电路、 时钟产生以及恢复电路等多种数字和模拟混合电路。设计的目标是在不断提高物理层传输性 能的前提下，降低设计和生产成本，增加电路的集成度。随着深亚微米c m o s 工艺的成熟， 越来越多的高速、高频电路采用c m o s 工艺进行设计。因此采用c m o s 工艺设计千兆以太 网单片集成的物理层传输芯片便成为目前主要的设计方向，如a 1 t e r a 公司己将千兆以太网接 口电路和可编程器件集成在了一起。 表1 1 千兆以太网传输介质比较 类型传输介质 传输距离( m ) 6 2 5 u m 直径多模光纤 2 6 0 10 0 0 b a s e s x 5 0 u m 直径多模光纤 5 2 5 6 2 5 u m 直径多模光纤 5 5 0 10 0 0 b a s e l x5 0 啪直径多模光纤 5 2 5 单模光纤 3 0 0 0 10 0 0 b a s e c x 双芯四芯线 2 5 l0 0 0 b a s e t 5 类u t p 线缆 1 0 0 查堕丕堂塑主兰篁笙兰 在应用方面，千兆以太网前景7 阔。其典型的应用如：交换机到交换机的连接及升级( 是 以千兆以太网连接取代快速以太网交换机之间的连接) ：交换机和服务器问的连接及升级；交 换式快速以太网的主干网的升级以及建立干兆到桌面的连接系统等。图1 4 和图1 5 分别给出 了基于千兆以太网络的交换机到交换机以及交换机到服务器的连接示意图。 ：薰籀 1 0 脚 枇 姆 。脚 措脚l 图1 4 交换器到交换器的连接示意图 1 0 酾 0 脚i 1 日辅秘1 0 愈妒 e l i il l # 廿lc 壮n e t i 曲8 图1 5 交换机和服务器间的连接示意图 1 2 2 万兆以太网 以成立i e e e8 0 2 3 a e 工作组作为标志，万兆以太网技术的研究始于1 9 9 9 年底。2 0 0 2 年6 月，1 0g 追a b i te t h e m e t 标准i e e e8 0 2 3 a e 正式发布m 4 1 。万兆以太网继承了i e e e8 0 2 3 以太 网的媒体访问控制( m a c ) 协议、帧格式和最大最小帧长度，支持多层星型连接、点到点连 接及其组合，充分兼容已有的以太网系统，并且不影响上层应用，从而降低了升级风险。万 兆以太网与前代以太网最大的不同在于，仅支持全双工工作方式，而不支持单工和半双工方 式，因此不再采用c s m c d 机制；同时万兆以太网也不再支持自动协商，故可简化故障定 位，并提供广域网物理层接口。 6 第一章概述 图1 6 给出了万兆以太网标准的体系结构。其物理层大体分为两种类型：一种是与传统 以太网连接的“l a np h y ”，它包括使用d w d m 波分复用技术的“1 0 g b a s e l x 4 ”规范；另一 种为连接s d h s o n e t 的“w a np h y ”。由于它与s o n e to c 1 9 2 帧结构的融合，故可以与 o c - 1 9 2 电路、s o n e t s d h 设备一起运行，保护已建网络的基础投资，使运营商能够在不同 地区通过城域网提供端到端以太网的连接。每种p h y 又都分为1 0 g b a s e s ( 8 5 0 i u n 短波) 、 1 0 g b a s e l ( 1 3 1 0 n m 长波) 、1 0 g b a s e - e ( 1 5 5 0 m 长波) 三个子类。其最大传输距离分别 为3 0 0 m 、1 0 、4 0 l ( n 1 。万兆以太网目前支持9 u m 单模、5 0 u m 多模和6 2 5 u m 多模三种光纤。 万兆以太网的m a c 层向物理层( p h y ) 传输的数据率为1 0 g b p s 。它可以通过动态调整 帧间距( i n t e r f r 锄es p a c i n g ) ，以去除额外的i p g ，从而将传输数据率从1 0 g b p s 调整为 9 2 9 g b p s ，以满足在w a n 系统中的应用。万兆以太网物理层中的p c s 子层有两种编码方式。 1 0 g b a s e x 采用了和1 0 0 0 b a s e x 相同的8 b 1 0 b 编码方式，而1 0 g b a s e r 、1 0 g b a s e w 则采用了6 4 b 6 6 b 编码方式1 1 4 引。1 0 g b a s e x 物理层的8 b 1 0 b 编解码p c s 子层，用以将3 2 位x g m i i 数据比特以及4 位x g m i i 控制比特同4 组3 1 2 5 m b p s 的1 0 位码组之间进行编解码， 同时完成4 路l a n e s 之间的同步和对齐。在1 0 g b a s e r ( s e r i a ll a np h y ) 的物理层中， a p p l i c a t i o n p r e s e n t a t i o n s e s s l o n t r a n s p o r t n e t w o r k d a t a l i n k p h y s i c a l ，j ， ? 。 1 0 g b a s e 娟1 0 g b a s e - r1 0 g b a s e x1 0 0 0 b a s e x 图1 6万兆以太网标准的体系结构 x g m i i 子层向6 4 b 6 6 b 编解码器发送6 4 b i t 位宽的1 5 6 2 5 m b p s 数据和控制位，由编码得到的 6 6 b i t 数据再经过扰码器和变速箱( g e a r b o x ) 转换成为1 6 位的6 4 4 5 3 1 2 5 m b p s 并行数据。在 1 0 g b a s e w 的物理层中也采用了6 4 b 6 6 b 编解码方案，将从m a c 层接收的1 0 g b p s 数据在 。： 剔除额外的i p g 后变换为9 2 9 g b p s 数据流，经6 4 b 6 6 9 编码使数据率达到9 5 8 g b p s ，以符 合a n s it 1 4 1 6 1 9 9 ( s t s 1 9 2 c s d hv c 4 6 4 c ) 的物理层定义。特别在1 0 g b a s e w 的物理 层中增加了广域网接口子层w i s ( w a ni n t e r f a c es u b l a y e r ) ，用以将以太网帧转化为s d h 的 7 卺一 奎堕奎堂堡主兰篁丝兰 帧格式，并进行x 7 + x 6 + 1 编码，产生出1 6 路6 2 2 0 8 m b p s 并行数据。 对应于p c s 子层中8 b 1 0 b 和6 4 b 6 6 b 这两种不同的编码方式，相应的p m a 子层也有 两种串并、并串转换模式。在采用8 b 1 0 b 编码的1 0 g b a s e x 系统中，p m a 层将进行1 0 路并行数据与l 路串行数据之间的串并、并串转换，并完成在接收端的数据判决和时钟恢复 功能。1 0 g b a s e x 由每路为3 1 2 5 g b p s 传输速率的4 路光路组成，使光电和电光器件的成本 降低，从而以4 位数据通道完成1 2 5 g b p s 速率的超短距离传输。采用6 4 b 6 6 b 编码的 1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e w 的p m a 子层要完成1 6 路并行数据与1 路串行数据之间的串并、 并串转换，并完成在接收端的数据判决和时钟恢复功能。其中1 0 g b a s e r 完成的是1 6 位 6 4 4 5 3 1 2 5 m b p s 数据与1 路1 0 3 1 2 5 g b p s 数据间转换，而1 0 g b a s e w 则是完成1 6 路 6 2 2 0 8 m b p s 的数据与1 路9 9 5 3 2 8 g b p s 的数据之间的转换，以使得串行w a np h y 可以在现 有的s o n e to c 1 9 2 和密集波分复用( d w d m ) 网络上无缝运行。经p m a 层处理过的高速 串行数据流由p m d 子层后继处理。表1 2 列出了在万兆以太网中相应p m d 的传输距离。工 作在比千兆以太网更高的速率之上的万兆以太网物理层8 b 1 0 b 编解码电路、并串转换电路、 串并转换电路以及时钟和驱动电路、1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e w 标准中的6 4 b 6 6 b 的编解 码方案的实现，以及串行速率超过1 0 g b p s 的高速芯片都成为当前以太网研究和设计的难点和 热点。目前已有学者采用c m o s 工艺成功地实现了接收端的1 0 g b p s 时钟恢复电路1 1 4 5 4 9 1 ， 为采用深亚微米c m o s 工艺实现单片集成的万兆以太网物理层芯片奠定了基础。 表1 2p m d 与传输距离 类型光纤模式传输距离( m ) 10 0 0 b a s e x 单模光纤 3 0 0 0 1 3 1 0w w d m 单模光纤3 0 0 10 g b a s e x 1 3 1 0w w d m 多模光纤1o k 1 3 l o 串行单模光纤 1 0 k 1o g b a s e r 1 5 5 0 串行单模光纤 4 0 k 1 3 1 0 串行单模光纤 1 0 k 10 g b a s e w 1 5 5 0 串行单模光纤 4 0 k 在系统应用方面，对于单模光纤而言，i e e e 研究小组考虑了三种传输距离：校园网可以 达到2 公里，城域网则达到1 0 公里和4 0 公里。此外，1 0 g b p s 以太网将进入广域网的应用领 域，是替代s o n e t 上分组数据( p a c k e to v e rs o n e t ) 和更多传统广域网技术的一种新的手段。 1 0 g b p s 以太网技术即将成为从桌面系统向园区主干网、广域网和更大应用范围延伸的一种很 笙二翌塑鲨 有发展潜力的主导技术，其低廉的服务费用和简单的网络管理特性将给企业带来巨大的效益。 目前，设备制造商和服务提供商正在研究传送实时业务的服务质量保证( q o s ) 和管理能力的问 题。例如，通过优先排队，可以使1 0 g b p s 以太网在某种程度上实现q o s 。 综上所述，目前千兆和万兆以太网采用了光纤作为其主要的传输媒质，以提高数据的传 输速率。为此，光纤通信中的编码方案等一系列技术都己被应用到千兆和万兆以太网的物理 层实现中。表1 3 列出了千兆和万兆以太网的一些特性。特别是万兆以太网不再支持单工和 用载波侦听多路存取碰撞检测( c s m c d ) 机制的半双工模式，而仅运行于全双工模式。同时 最大传输距离也已达到了4 0 l ( m ，使得万兆以太网克服了以传统的s d h 和d w d m 技术作为 骨干存在的网络结构复杂、难于维护和建设成本高的难题，从而进入低成本、高性能和具有 丰富业务支持能力的城域网和广域网建设之中。随着各种内容业务( 如多媒体视频应用、多 媒体互动游戏) 的纷纷出现而对带宽提出的更高应用要求，光以太网也将会向4 0 g 以太网甚 至于1 0 0 g 以太网不断发展。 表1 3 千兆以太网和万兆以太网特性 ? 。 千兆以太网万兆以太网 传输方式铜缆或光纤光纤 工作方式半双工或是全双工全双工 速率控制载波和帧冲突检测控制m a c 层的速率 编解码方式8 b 1 0 b 编解码8 b 1 0 b 和6 4 b 6 6 b 编解码 传输距离最大传输距离5 l 最大传输距离4 0 l 1 3 主要的工作 本文对千兆以太网标准i e e e 8 0 2 3 z 和万兆以太网标准i e e e 8 0 2 3 a e 进行学习和研究。对 、 以太网在传输速率发展到千兆比特率以上以及采用光纤作为传输媒质所发生的变化进行分 析，从网络分层体系的角度，对几代以太网的异同作了比较说明【1 5 0 1 。以此作为基础，本论文 的重点在于对千兆以太网以及万兆以太网的物理层传输系统进行研究，并以集成电路的设计 和实现作为最终目标。以标准定义的规范作为依据，论文研究并设计了千兆以太网和万兆以 太网物理传输系统中的8 b 1 0 b 编解码电路【1 5 、发送端的高速1 0 ：1 并串转换电路【1 5 2 1 、1 0 倍 频频率综合器【1 5 3 1 、高速接口电路以及接收端的1 ：1 0 串并转换电路1 。5 4 。1 55 1 ，时钟恢复和数据 判决电路等若干功能电路，并最终以t s m c 公司的0 2 5 “mc m o s 工艺实现了单片集成数模 混合的支持全双工工作的传输系统芯片。 0 东雨大学搏：l 学位论义 本文对千兆以太网和万兆以太网中的光纤作为传输媒质的系统进行了归纳。按照在系统 中所采用编码方法的不同，将它们分成基于8 b 1 0 b 编码和基于6 4 b 6 6 b 编码的两个大类。 在对编码方案进行研究的过程中，从8 b 1 0 b 编码相关性的角度，对编码方法和解码方法进行 了深入研究，提出了一种结构简单且易于高速实现的基于逻辑运算的8 b 1 0 b 编解码方法。在 总结前人在串并转换电路中所做工作的基础上，针对现有方法的不足，提出了一种级联结构 的具有c o m m a 信号检测以及字对齐功能的1 ：1 0 串并转换的方法和电路结构。本文还对s d h 系统、s o n e t 系统以及千兆和万兆以太网系统中的时分复用模式进行了归纳，提出了一种可 编程的时分复用方法及电路结构。由于该结构可涵盖所有光纤通信系统中的时分复用模式， 因此可广泛应用于各种不同标准、不同传输速率等级的光纤通信系统中。 根据本文所做的研究，作者已申报了三项发明专利，其一为“千兆以太网物理介质附加 子层数据传输方法及装置”( 专利申请号0 1 1 3 4 1 3 4 3 ) 6 1 ，其二为“时分复用可编程复接装 置( 专利申请号0 2 13 8 2 1 4 x ) 7 1 ，其三为8 b 10 b 编码的实现装置”( 专利申请号 2 0 0 4 1 0 0 1 4 2 9 7 3 ) 【1 58 1 。第一项发明己获得了专利授予权。 此外，本文还在对单元电路进行深入分析的基础上，提出了1 0 g b p s 基于6 4 b 6 6 b 编码的 并串转换以及串并转换电路所应采用的具体电路的实现方法【1 5 9 1 。 本文结合物理层收发系统所要达到的性能，以及对多种集成电路加工工艺的比较，在理 论分析的基础上，论述了作者在实际采用t s m c 0 3 5 斗m 0 2 5 mc m o s 工艺，分别实现的收 发系统中各个功能模块电路以及系统芯片。这些芯片和电路的在晶片测试与封装测试结果表 明，设计达到了预期指标要求。 作者在已经成功设计出十余种发送端和接收端关键电路的基础上，最终设计并实现了基 于千兆和万兆以太网应用的物理层传输系统芯片，并对推进该芯片的产业化作出了有益的尝 试。 本文结构如下：第一章为概述，简单介绍了以太网的发展和体系结构。第二章对千兆和 万兆以太网物理层收发系统进行了研究。第三章讨论了本论文所选择的集成电路设计工艺和 实现途径。第四章给出了本论文所研究的8 b 1 0 b 编解码方法和电路设计方案。第五章研究了 发送端并串转换电路的设计、流片和测试，其中包括1 0 ：1 转换电路和可编程时分复用器。第 六章研究了接收端串并转换电路，以及电路的流片和测试。第七章的研究重点在于发送端完 成倍频功能时钟电路的设计、流片以及在晶片与封装测试。第八章在理论分析的基础上，完 成了接收端的时钟恢复电路和其中压控振荡器等关键电路的设计、流片以及在晶片与封装测 试。第九章论述了对c m o s 单片集成的全双工收发系统芯片的设计、流片与测试。最后第十 章对全文进行了总结。 一l o 第一章概述 参考文献 1 1 】j a y a j l tk ，i a nc ，m 0 h a nk 著千兆位以太网教程- 向高带宽网络迁移 m 段晓译 北京：清华大学出版社，2 0 0 3 1 2 赵文虎，王志功千兆以太网及v l s i 集成电路设计 j 计算机应用与研究，2 0 0 2 ，6 ， 1 7 7 1 7 8 1 3 】 s i d n i ef e i t 著高速局域网 m 郭幽燕，屈健，张灵欣等译北京：电子工业出版社， 2 0 0 1 1 4 d a v i dg c u i u l i n g h a m ，w i l l i a mgl a j l e 著千兆位以太网组网技术 m ，韩松，何道 君，邓迎春等译北京：电子工业出版社 1 5 h e c h tj e 正g i g a b i te t h e m e tt a k e so nt 1 1 ea c c e s sn e t w o r k j 】l a s e rf o c u sw 6 r l d ，2 0 0 3 ，3 9 ( 1 ) ， 1 3 l - 1 3 5 1 6 李军i pq o s 技术在千兆位以太网中的实现 j 计算机工程与科学， 2 0 0 3 ，2 5 ( 3 ) ， 1 4 1 7 1 7 】 f a r r e up a u la ， 0 n gh o n g c o m m u i l i c a t i o np e r f o n n a n c eo v e rag i g a b i te t h e m e t n e t w o r k c i e e ei n t e m a t i o n a l p e r f o 肌a n c e ， c o m p u t i n g ， a n dc o m m u n i c a t i o n s c o n f e r e n c e ，2 0 0 2 ，p h o e n i x ，a z ，u s a ，1 8 1 1 8 9 1 8 】李春林，李腊元高速千兆位以太网络技术分析及应用 j 计算机工程与应用，2 0 0 2 ， 一 3 8 ( 3 ) ， 2 0 1 - 2 0 3 【1 9 】 姚壶、李月乔万兆以太网在宽带i p 城域骨干网的应用 j 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