在之前的文章中,我们介绍了IEEE 802.3cz[1]协议,MultiGABSE-AU物理层中XMII、PCS子层以及两个可选功能的相关内容,本篇将介绍MultiGABSE-AU物理层PMA子层及PMD子层的相关机制。 PMA子层 PMA子层位于PCS子层和PMD子层之间,规范中定义了PMA子层的三个功能:PMA Transmit、PMA Receive及PHY Control。 PMA Transmit功能依赖于PHY的分组参数G,接收到PCS传输下来的数据后,PMA Transmit会按照下图中的方案,将比特映射为对应的符号。 当G=1时,Transmit Block会被映射为195840个独立小组,对应符号{-1}和{+1}。 当G=2时,Transmit Block会被映射为97920个2bit小组,对应符号{-1},{-1/3},{+1/3}和{+1}。 PMA Receive的功能包括了Transmit Block的同步以及从PMD Receive中恢复时钟和数据。 PMA Receive的时钟恢复包含粗定时恢复,时钟频率偏差估计以及精细时钟恢复三个过程:粗定时恢复用于与接收Transmit Block的起始进行同步,精细时钟恢复用于输出稳定的恢复时钟,可通过这个时钟从PMD传输的信号中采样并接收符号数据。符号数据会通过上图的方案,映射为Bit Group发送给PCS Receive。 PHY Control包含了五个模块:PHY Tx Control、PHY Rx Control、PHD monitor、Link monitor以及PHY quality monitor,五个模块共同定义了从初始化到稳定传输信号之间,PHY需要进行的工作。以下是五个模块主要功能的介绍。 » PHY Tx control:数据发送控制 » PHY Rx control:时钟恢复、数据接收 » PHD monitor:PHD恢复、解析及完整性检查 » Link monitor:link状态检测 » PHY quality monitor:通信质量检测 为了更好地理解PHY Control的整体功能,接下来会将五个模块整合起来,通过上电后的流程进行简要介绍,要注意的是,相同序号的步骤并不一定在同一时刻发生。 ① 系统上电,PMA子层Reset,所有模块进入初始化阶段。 ② 初始化完成后,PHY Tx control模块开始发送数据,由于此时还没有Link up,发送的数据并不是payload数据,而是一种特殊的65B控制信号:Local Fault,在正式收到link up信号前,PHY Tx control模块会持续发送携带PHD的Local Fault信号。 ③ 在发送Local Fault信号的同时,链路伙伴也完成了上述步骤,开始发送该信号,因此,PHY Rx control模块会接收携带了PHD的Local Fault信号,并进行时钟恢复。 ④ 针对收集的数据,解析后得到PHD和Payload两部分,Payload会在PHY quality monitor模块中持续检测基于符号噪声方差估计的Link Margin,这是一个持续检测的过程。PHD则是在进行CRC16校验后,读取PHD中LINKSTATUS和HDRSTATUS的值,分别输入给Link monitor模块和PHD monitor模块,这一步骤的目的是通过检测PHD获取对方接收Payload和PHD的状态,对方接收到步骤2发出的数据后也会进行步骤四的分析,并将结论写入PHD发送至本地的PHY Rx control模块。 ⑤ 与此同时,CRC校验后,PHD monitor模块还会将结果写入本地的HDRSTATUS参数中,通知发送和接收模块以正确接收PHD,这个结果也会通过PHD告知链路伙伴。 ⑥ 接下来,PHY Rx control模块会持续接收多条数据用于PHY quality monitor模块的链路余量估计,至少一次Link Margin大于0可认为本地接收状态通过。 ⑦ 检测到本地接收状态通过后,PHY quality monitor模块会将这个结果通知Link monitor模块。 ⑧ Link monitor模块根据步骤4和步骤7输出的远程和本地接收状态,二者均为OK则进入Link UP状态,要注意的是,只有二者均为OK才可以进入Link UP状态,其中一个出现问题会退出Link UP。 ⑨ Link up后,PHY Tx control模块会确认TX.NEXT.MODE,如果是normal transmission模式则开始发送XMII上下发的Payload数据,PHY Rx control模块开始接收对方发送的Payload数据,进入正常工作模式。 PMD子层 PMD子层全称Physical Medium Dependent,位置在PMA子层和传输介质之间,主要功能是光信号与电信号的转换,802.3cz中定义了PMD子层的三个功能:PMD Transmit、PMD Receive以及PMD signal detect。 PMD Transmit与PMD Receive的功能比较简单,PMD Transmit接收到PMA Transmit发送的符号后,会根据TP2节点的平均光功率进行符号到发射功率的计算。PMD Receive收到光信号后同样会根据接收到的光功率反向计算出符号发送至PMA Receive。 输出光功率的计算公式如下: PMD 发射机的信号速率及调制方式如下图所示: PMD signal detect功能是在PMD Receive端运行的功能,其作用是通过检测TP3处的平均光功率确认是否收到光信号,判断条件如下图所示: Signal detect为FAIL表示没有收到光信号,无法发起链路建立,因此在启用EEE功能时,PMD signal detect功能可用于将系统由正常状态转变为EEE状态。 除此之外,803cz在PMD的章节中还提出了对传输介质的需求: - MultiGBASE-AU在传输介质上需要采用50/125 µm 的OM3规格多模光纤
- 光纤中心波长范围为970-990nm
- 光纤传输距离如下图所示,但规范中同样提到,当满足所有光学规格的情况下,超过规定长度的PMD是合规的
结语 以上便是介绍的MultiGBASE-AU物理层的全部内容,主要包括了XMII、PCS子层、PMA子层及PMD子层四大板块的内容。随着车载领域对于高带宽、低延迟、低电磁干扰的需求,光通信和MultiGBASE-AU成为可供选择的车载通信新技术,带来更多的创新和进步的同时,也带来了更大的挑战。 经纬恒润作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴,长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务,积极研发和探索车载网络前沿技术的工程应用。通过多个项目的实践经验,已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案,为整车网络架构提供可靠支持。 参考文献 [1] IEEE, 802.3cz-2023, " IEEE Standard for Ethernet, Amendment 7: Physical Layer Specifications and Management Parameters for Multi‐Gigabit Glass Optical Fiber Automotive Ethernet ", 2023.
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