一对差分线，实现全双工？

时间：2024-05-04 11:40:48 来源：网络cs 作者：焦糖栏目：卖家故事阅读：

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阅读本书更多章节>>>> 1.1 相关概念

在具体分析之前，我们先明确下单工、半双工及全双工的概念
单工(Simplex)：
Simplex communication is a communication channel that sends information in one direction only.（See IEEE Authoritative Dictionary），指数据传输链路只支持数据在一个方向上传输；
半双工(half duplex)：
A communication manner that provides communication in both directions, but only one direction at a time, not simultaneously in both directions.（See IEEE 2873-2021），指数据链路允许两个方向传输数据，但同一时间只允许一个方向传输，不能在两个方向上同时传输数据；
全双工(full duplex)：
A link segment capable of transferring signals in both directions simultaneously.（See IEEE 802.3-1998），指能够同时在两个方向上传输信号的链路
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1.2 常见的差分传输模式的串行总线

在常见的采用差分传输模式的串行总线标准里，如下所示

RS485：半双工，一对差分线。最大传输速率10Mbps；
RS422：全双工，两对差分线，一对用于TX，另一对用于RX；同时支持半双工。最大传输速率10Mbps；
USB2.0：半双工，一对差分线。最大传输速率480Mbps；
USB3.0：全双工，在USB2.0的基础上增加两对高速差分线，一对做TX链路，另一对做RX链路。最大传输速率5.0Gbps；
LVDS：单工，使用一对差分线传输，但是只能单向，Transimitter与Receiver必须配合使用，且要求两者的TCLK与RCLK必须同频。最大传
输速率655Mbps；
100Base-Tx: 全双工，最高传输速率125Mbps，使用两对差分线，一对用于TX，另一对用于RX。最大传输速率125Mbps；
1000Base-T：全双工，最高传输速率为1000Mbps，使用4对差分线，每对差分线同时用于TX与RX。最大传输速率1000Mbps。

2. 以太网相关标准

以太网相关标准起源于20世纪70年代，经历了10M、100M、1000M、10G、40G、100G、200G/400G等多代的迭代与发展，是目前地球上最成熟、最广泛使用的网络连接技术。负责以太网传输协议的是IEEE组织。以太网的 ※※Base-T※标准名称由三部分组成，以100Base-T为例：
100Base-T里的“100”表示网线每秒可传输多少“兆比特”，即单位为Mbps。
“Base”指的是基带（baseband）这里的基带定义刚出现时，是与宽带（broadband）相对应，区别是基带在介质中光传输数字信号，宽带在介质中传递模拟信号。
“-T”表示为双绞线（Twisted Pair）,类似标准还有“-2”、“-5”表示最大长度为200M、500M的同轴电缆，以及“-SR”、“-LR”表示其为短距离（Short Range）和长距离（Long Range）光纤。

2.1 10M&100M 以太网

10Base-T与100Base-Tx表示使用双绞线介质和RJ45连接器做数据传输的以太网标准，速率分别为10Mbps与100Mbps。10Base-T标准在20世纪90年代提出，目前市面上大部分100Base-Tx与1000Base-T的设备依然可以保持与10Base-T标准的兼容。100Base-Tx标准在20世纪90年代中期推出，目的是把以太网的传输速率在10Base-T的基础上提升10倍。两者都使用RJ45的8个Pin其中4个Pin，组成两对差分线，一对用来发送，一对用来接收。Pin定义如图所示
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10Base-T的传输线使用CAT3类电缆即可，100Base-Tx需要使用CAT5类电缆。

2.2 1000M以太网

1000Base-Tx标准使用了RJ45连接器里的全部8个Pin组成4对线，并且规定其中两对线为TX，另外两对线为RX，但是因为要达到1000Mbps的速率，则每对差分线上需要能传输500Mbps的数据，这对于网线的高速特性是个极大考验，因此需要更昂贵的Cat6网线（俗称六类线），而不是更低成本的Cat5网线，因此100Base-Tx较少使用。
1000Base-T的标准在20世纪90年代末期推出，为保证与前面标准的兼容性和使用双绞线网络，该标准以全双工模式同时使用RJ45连接器的4对差分线，每对差分线上只需要传输250Mbps的数据，并且由于使用PAM-5信号幅度编码技术，实际上每对差分线上信号速率是125MHz，这样只需要使用适合100Base-Tx的CAT5类电缆即可实现。
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2.3 10Base-T、100Base-Tx 与 1000Base-T的一致性测试

10Base-T的信号在线路上采用两电平的曼彻斯特编码，用低到高的电平跳变表示1，用高到低的电平跳变表示0。由于无论传输什么样的数字信号都有足够的跳变边缘，因此，不需要专门的时钟线，接收端可以直接从跳变沿中恢复出时钟。其一致性测试（Compliance test）项目包括信号模板测试、峰值电压测试、Link脉冲测试、Idle模板测试、谐波测试与抖动测试等。在进行不同项目的测试时，需要被测DUT发出不同测试码型，经过不同的传输通道以及连接不同的负载。

100Base-Tx的数据在一对差分线上有效传输速率是100Mbps，但因为数据传输过程中进行4b/5b的信号编码，因此实际数据的传输波特率是125Mbaud，另外100Base-T在线路上采用MLT-3（Multi-Level Transmit）的3电平编码方式。根据 **比特率= 波特率*log2(N) （N为码元数）**计算公式，100Base-Tx的实际传输速率为125Mbps。因为该标准只使用一对差分线，故根据波特率该差分线传输时钟Clock必定为125MHz，而数据信号则由于MLT-3编码而形成双层眼图，如下图所示
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100Base-Tx一致性测试的项目比较多，包括峰值电压、上升\下降时间、过冲、对称性、模板、占空比失真、抖动等，测试环境相对对10Base-T而言更加简单。

1000Base-T的数据传输速率是1000Mbps，因为使用4对差分线，每对差分线上传输速率为250Mbps，为了进一步减少线路损耗对于信号传输的影响，1000Base-T标准在线路上传输时采用5电平的PAM5信号编码方式（即每一个信号跳变可以表示2个数据bit）。根据 **比特率= 波特率*log2(N) （N为码元数）**计算公式，每对差分线上波特率为125Mbaud，这与100Base-Tx相同，故该差分线上传输时钟Clock同样为125MHz。如下图所示
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1000Base-T的一致性测试内容主要有模板测试、峰值电压测试、Droop测试、抖动测试、失真测试等。相较于100Base-Tx标准的一致性测试而言，最大的区别在于，由于1000Base-T标准是4对差分线上同时有信号收发，而且信号采用5电平方式对噪声更加敏感，因此对线路上的反射和串扰会更加敏感，所以会关注回波损耗（Return Loss）指标。当然如果要测量回波损耗（即S11反射参数），除了示波器之外，还需要用到矢量网络分析仪。
目前市面上的中高端示波器都提供有10Base-T/100Base-TX/1000Base-T TX Compliance test的解决方案，例如Tek示波器的CMENET3 TekExpress Ethernet compliance test application，介绍如下图所示
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3. 1000Base-T的全双工实现方案

1000Base-T标准能够在一对差分线上实现全双工模式，这是通过混合器（Hybrid）与回声消除（Echo Cancel）技术去实现的，IEEE802.3里这样定义
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在IEEE802.3.org 里收录的《How 1000BASE-T Works》一文中，简要介绍了原理框图，如下图所示

3.1 Hybrid混合器

对于1000Base-T的一个节点而言，怎么又能有TX信号，又能有RX信号呢？这里就需要混合变压器（Hybrid Transformer）来实现TX信号与RX信号的分离。
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Hybrid结构如上图所示，对于一个节点（end point）而言，Z0是节点向外看传输线的阻抗，而Hybrid会将传输线传来的信号与TX信号进行耦合分离出RX，Hybird由六组相互紧密耦合的绕组W1~W6组成。传输线上信号经过W4与W5，而发送信号TX通过W1感应耦合至W2与W4，而接收信号RX从W3与W5耦合至W6输出。如果Zb=Z0,也就是上、下绕组完全匹配，则W2与W4将耦合的W1信号以反向极性将相同数量的发送信号耦合至W3与W5，此时W3与W5极性相反，同时感应耦合至W6，等同于W6只接收来自W5的RX分量，从而实现TX/RX的分离。

3.2 Echo Cancellation技术

回声消除（Echo Cancellation）这个术语来源于古老的电话机语音通话，如果电话接听打开免提（开启扬声器）模式，则接听方的麦克风既拾取近端声音同时也采集了扬声器的声音，这样说话方又将听到自己的声音又被传了回来，这成为回声。而高端的免提电话可以通过麦克风拾取的声波中提取扬声器所发出的声波来消除这种影响，这一过程称为回声消除。
在1000Base-T标准里，通常使用混合器（Hybrid）来隔离接收端和发送信号，然而由于电缆和连接器的阻抗变化，仍会导致大量的发送信号泄露，从而产生近端串扰NEXT（Near-end crosstalk）；此外，电缆沿途和末端阻抗不匹配会产生远端串扰FEXT（Far-end crosstalk），RX端需要消除TX经传输线之后的信号噪声才能作为真正的RX信号。echo canceller在PHYs中的位置如下图所示，首先250Mb/s的二进制数据流被转化为125Mbaud的PAM-5信号，然后经过FIR滤波器至DAC，DAC驱动hybrid与RX 模拟信号传输线，Echo Canceller作用于ADC接口之前，数字化之后的RX信号输出给数字处理器。
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Echo canceller的详细原理架构如下图所示，包括一个64位的FIFO寄存器和DAC，驱动Hybrid和传输线，接收机采用差分电压到电流的转换器（VIC），校准电路（calibration circuit）包括反射定位器电路、最小均方差LMS计算电路和模拟FIR滤波器
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Echo canceller的运行流程是：在启动时，Transimitter向hybrid施加一个单位阶跃信号（而非impluse冲击信号），反射定位电路通过开关电容搭建的离散微分电路去获得脉冲响应，接下来FIR滤波器会输出模拟回声（emulated Echo），并通过LMS计算回声残留不断更新FIR滤波器的乘法器系数直到完全模拟电缆回声。当Transitter向hybrid传输真实的电缆信号后，hybrid输出带回声的模拟RX信号，然后将该信号与阶跃信号相乘，并经过反射定位电路与FIR滤波器，可以得到回声信号输出，将模拟RX信号与回声信号输出做差，输出一个抑制回声的RX信号，传输至数字处理器。