MultiGABSE-AU物理層PMA子層及PMD子層的相關機制

在之前的文章中，我們介紹了IEEE 802.3cz[1]協(xié)議，MultiGABSE-AU物理層中XMII、PCS子層以及兩個可選功能的相關內(nèi)容，本篇將介紹MultiGABSE-AU物理層PMA子層及PMD子層的相關機制。

PMA子層

PMA子層位于PCS子層和PMD子層之間，規(guī)范中定義了PMA子層的三個功能：PMA Transmit、PMA Receive及PHY Control。

PMA Transmit功能

PMA Transmit功能依賴于PHY的分組參數(shù)G，接收到PCS傳輸下來的數(shù)據(jù)后，PMA Transmit會按照下圖中的方案，將比特映射為對應的符號。

當G=1時，Transmit Block會被映射為195840個獨立小組，對應符號{-1}和{+1}。

當G=2時，Transmit Block會被映射為97920個2bit小組，對應符號{-1}，{-1/3}，{+1/3}和{+1}。

PMA Receive功能

PMA Receive的功能包括了Transmit Block的同步以及從PMD Receive中恢復時鐘和數(shù)據(jù)。

PMA Receive的時鐘恢復包含粗定時恢復，時鐘頻率偏差估計以及精細時鐘恢復三個過程：粗定時恢復用于與接收Transmit Block的起始進行同步，精細時鐘恢復用于輸出穩(wěn)定的恢復時鐘，可通過這個時鐘從PMD傳輸?shù)?a target="_blank">信號中采樣并接收符號數(shù)據(jù)。符號數(shù)據(jù)會通過上圖的方案，映射為Bit Group發(fā)送給PCS Receive。

PHY Control功能

PHY Control包含了五個模塊：PHY Tx Control、PHY Rx Control、PHD monitor、Link monitor以及PHY quality monitor，五個模塊共同定義了從初始化到穩(wěn)定傳輸信號之間，PHY需要進行的工作。以下是五個模塊主要功能的介紹。

PHY Tx control：數(shù)據(jù)發(fā)送控制

PHY Rx control：時鐘恢復、數(shù)據(jù)接收

PHD monitor：PHD恢復、解析及完整性檢查

Link monitor：link狀態(tài)檢測

PHY quality monitor：通信質(zhì)量檢測

為了更好地理解PHY Control的整體功能，接下來會將五個模塊整合起來，通過上電后的流程進行簡要介紹，要注意的是，相同序號的步驟并不一定在同一時刻發(fā)生。

系統(tǒng)上電，PMA子層Reset，所有模塊進入初始化階段。

初始化完成后，PHY Tx control模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)，由于此時還沒有Link up，發(fā)送的數(shù)據(jù)并不是payload數(shù)據(jù)，而是一種特殊的65B控制信號：Local Fault，在正式收到link up信號前，PHY Tx control模塊會持續(xù)發(fā)送攜帶PHD的Local Fault信號。

在發(fā)送Local Fault信號的同時，鏈路伙伴也完成了上述步驟，開始發(fā)送該信號，因此，PHY Rx control模塊會接收攜帶了PHD的Local Fault信號，并進行時鐘恢復。

針對收集的數(shù)據(jù)，解析后得到PHD和Payload兩部分，Payload會在PHY quality monitor模塊中持續(xù)檢測基于符號噪聲方差估計的Link Margin，這是一個持續(xù)檢測的過程。PHD則是在進行CRC16校驗后，讀取PHD中LINKSTATUS和HDRSTATUS的值，分別輸入給Link monitor模塊和PHD monitor模塊，這一步驟的目的是通過檢測PHD獲取對方接收Payload和PHD的狀態(tài)，對方接收到步驟2發(fā)出的數(shù)據(jù)后也會進行步驟四的分析，并將結(jié)論寫入PHD發(fā)送至本地的PHY Rx control模塊。

與此同時，CRC校驗后，PHD monitor模塊還會將結(jié)果寫入本地的HDRSTATUS參數(shù)中，通知發(fā)送和接收模塊以正確接收PHD，這個結(jié)果也會通過PHD告知鏈路伙伴。

接下來，PHY Rx control模塊會持續(xù)接收多條數(shù)據(jù)用于PHY quality monitor模塊的鏈路余量估計，至少一次Link Margin大于0可認為本地接收狀態(tài)通過。

檢測到本地接收狀態(tài)通過后，PHY quality monitor模塊會將這個結(jié)果通知Link monitor模塊。

Link monitor模塊根據(jù)步驟4和步驟7輸出的遠程和本地接收狀態(tài)，二者均為OK則進入Link UP狀態(tài)，要注意的是，只有二者均為OK才可以進入Link UP狀態(tài)，其中一個出現(xiàn)問題會退出Link UP。

Link up后，PHY Tx control模塊會確認TX.NEXT.MODE，如果是normal transmission模式則開始發(fā)送XMII上下發(fā)的Payload數(shù)據(jù)，PHY Rx control模塊開始接收對方發(fā)送的Payload數(shù)據(jù)，進入正常工作模式。

PMD子層

PMD子層全稱Physical Medium Dependent，位置在PMA子層和傳輸介質(zhì)之間，主要功能是光信號與電信號的轉(zhuǎn)換，802.3cz中定義了PMD子層的三個功能：PMD Transmit、PMD Receive以及PMD signal detect。

PMD Transmit與PMD Receive的功能比較簡單，PMD Transmit接收到PMA Transmit發(fā)送的符號后，會根據(jù)TP2節(jié)點的平均光功率進行符號到發(fā)射功率的計算。PMD Receive收到光信號后同樣會根據(jù)接收到的光功率反向計算出符號發(fā)送至PMA Receive。

輸出光功率的計算公式如下：

PMD 發(fā)射機的信號速率及調(diào)制方式如下圖所示：

PMD signal detect功能是在PMD Receive端運行的功能，其作用是通過檢測TP3處的平均光功率確認是否收到光信號，判斷條件如下圖所示：

Signal detect為FAIL表示沒有收到光信號，無法發(fā)起鏈路建立，因此在啟用EEE功能時，PMD signal detect功能可用于將系統(tǒng)由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镋EE狀態(tài)。

除此之外，803cz在PMD的章節(jié)中還提出了對傳輸介質(zhì)的需求

MultiGBASE-AU在傳輸介質(zhì)上需要采用50/125 μm 的OM3規(guī)格多模光纖

光纖中心波長范圍為970-990nm

光纖傳輸距離如下圖所示，但規(guī)范中同樣提到，當滿足所有光學規(guī)格的情況下，超過規(guī)定長度的PMD是合規(guī)的。

結(jié)語

以上便是介紹的MultiGBASE-AU物理層的全部內(nèi)容，主要包括了XMII、PCS子層、PMA子層及PMD子層四大板塊的內(nèi)容。隨著車載領域?qū)τ诟邘?、低延遲、低電磁干擾的需求，光通信和MultiGBASE-AU成為可供選擇的車載通信新技術，帶來更多的創(chuàng)新和進步的同時，也帶來了更大的挑戰(zhàn)。

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參考文獻

[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.