CN113872568B - 一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法及其系统 - Google Patents

一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法及其系统，定义IIR滤波器为预均衡器；IIR滤波器的系数由RC模拟电路建模获得，IIR滤波器的系数可取多组值，对应预均衡器可设置多个预均衡档位；输入信号依次输入自动增益控制单元和预均衡器，初始化预均衡器开启最小的预均衡档位，依次执行训练步骤及收敛步骤，后输出预均衡信号。本发明用数字方法实现以太网自适应预均衡，实现较为简单，节约芯片面积，降低芯片成本，可配置性高，灵活性更强，可移植性更高，信号不会溢出，准确度高。

Description

一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法及其系统
技术领域
本发明属于数字电子技术领域，尤其涉及一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法及其系统。
背景技术
以太网信号在传输的过程中会受到信道的影响，这主要是由于双绞线信道的趋肤效应导致的，信号频率越高，趋肤效应越明显，导致传输的损耗就越大，从而导致信号的高频分量衰减和符号间干扰（ISI）。而预均衡技术主要针对前者，提高高频分量的补偿，属于频域均衡方法，判决反馈均衡（DFE）则针对后者，属于时域均衡。只有两者完美配合才能达到最佳的解调性能。
目前预均衡的实现方法主要是模拟预均衡方法，通过电阻，电感，电容等无源器件来实现一个频率选择滤波器。固定的模拟预均衡器很好实现，但是针对以太网这种线长不固定，即需要自适应不同信道的模拟预均衡器实现起来较为复杂。而且其补偿的范围较窄，导致所有频率的信号都被影响，从而导致较低的信噪比。而且模拟预均衡器对模型和工艺的变化十分敏感，难以精确控制。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中以太网信号传输过程中自适应模拟预均衡较为复杂不够简便的问题，本发明提供一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法及其系统。
技术方案：一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法，包括以下步骤：
定义IIR滤波器为预均衡器；对RC模拟电路建模，再转换至数字域，得到IIR滤波器的系数，IIR滤波器的系数可取多组值，对应预均衡器可设置多个预均衡档位；
输入信号依次输入自动增益控制单元和预均衡器，初始化预均衡器开启最小的预均衡档位，依次执行训练步骤及收敛步骤，后输出预均衡信号；
所述训练步骤包括：自动增益控制单元对输入信号进行自动增益控制，当自动增益控制单元锁定后，输出第一增益值至预均衡器，预均衡器根据第一增益值设置预均衡档位；
所述收敛步骤包括：自动增益控制单元对预均衡器的输出信号进行自动增益控制，自动增益控制单元输出第二增益值，预均衡器保持训练步骤中设置的预均衡档位不变。
进一步地，收敛步骤中，预均衡器向自动增益控制单元发出收敛信号，自动增益控制单元接收到收敛信号后，对预均衡器输出的信号进行增益调节；训练步骤中，预均衡器不发出收敛信号，自动增益控制单元默认对输入信号进行增益调节。
进一步地，所述IIR滤波器系数与RC相关，预均衡器的各预均衡档位中IIR滤波器系数中的RC取值由不同长度网线的信道响应拟合所得，预均衡档位越高，对应的网线长度越长。
进一步地，RC模拟电路建模采用一阶RC模拟电路建模，具体包括：
对一阶RC模拟电路进行频域分析，得频域响应为：
Figure 464428DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，
Figure 910453DEST_PATH_IMAGE002
为频率响应函数，UO为RC模拟电路输出信号，Ui为RC模拟电路输入信号，R为RC模拟电路中的电阻R的电阻值，C为RC模拟电路中的电容C的电容值；
令式(1)中的jw=s,得到s域传递函数H(s)：
Figure 244482DEST_PATH_IMAGE003
（2）
对式（2）采用一阶后向差分法转换至数字域，令
Figure 321023DEST_PATH_IMAGE005
,T表示采样周期，得到Z域的传递函数H(z)：
Figure 576555DEST_PATH_IMAGE006
（3）
由式（3）得到传递函数H(z)的零点和极点分别为
Figure 29533DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 686910DEST_PATH_IMAGE008
，分别作为IIR滤波器传递函数的分母和分子。
进一步地，训练步骤中，预均衡器根据第一增益值设置预均衡档位，第一增益值越大，预均衡档位越高。
一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡系统，包括自动增益控制单元及预均衡器，所述预均衡器为IIR滤波器，IIR滤波器的系数由RC模拟电路建模再转换至数字域得到；输入信号从自动增益控制单元输入端输入，自动增益控制单元的输出端连接预均衡器输入端，预均衡器输出端输出预均衡信号，且预均衡器的输出端连接自动增益控制单元的输入端；在自动增益单元锁定前，预均衡器输出信号输入自动增益控制单元无效，自动增益控制单元对输入信号进行增益调节；当自动增益单元锁定后，预均衡器发出收敛信号至自动增益控制单元，预均衡器输出信号输入自动增益控制单元有效，自动增益控制单元对预均衡器输出的信号进行增益调节，且预均衡器保持原有调节参数不变。
进一步地，IIR滤波器的系数可取多组值，对应预均衡器可设置多个预均衡档位。
进一步地，所述IIR滤波器系数与RC相关，预均衡器的各预均衡档位中IIR滤波器系数中的RC取值由不同长度网线的信道响应拟合所得，预均衡档位越高，对应的网线长度越长。
进一步地，所述原有调节参数指由第一增益值对应的预均衡档位的调节参数，所述第一增益值为自动增益控制单元锁定前输出的增益值，预均衡器根据第一增益值设置预均衡档位，第一增益值越大，预均衡档位越高。
进一步地，对RC模拟电路建模为对一阶RC模拟电路建模，具体包括：
对一阶RC模拟电路进行频域分析，得频域响应为：
Figure 731090DEST_PATH_IMAGE009
（1）
其中，
Figure 473918DEST_PATH_IMAGE002
为频率响应函数，UO为RC模拟电路输出信号，Ui为RC模拟电路输入信号，R为RC模拟电路中的电阻R的电阻值，C为RC模拟电路中的电容C的电容值；
令式(1)中的jw=s,得到s域传递函数H(s)：
Figure 996166DEST_PATH_IMAGE010
（2）
对式（2）采用一阶后向差分法转换至数字域，令
Figure 570367DEST_PATH_IMAGE005
,T表示采样周期，得到Z域的传递函数H(z)：
Figure 982850DEST_PATH_IMAGE011
（3）
由式（3）得到传递函数H(z)的零点和极点分别为
Figure 744133DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 273335DEST_PATH_IMAGE012
，分别作为IIR滤波器传递函数的分母和分子。
本发明提供一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法，相比较现有的模拟方法而言存在以下有益效果：
1、数字实现较为简单，在芯片设计中可以大面积的节约芯片面积，尤其适用于对成本要求较高的场合；
2、可配置性高，数字预均衡可预留更多的配置参数和算法模型，适用于更多的场景，灵活性更强；
3、数字实现的可移植性更高，在芯片设计中可以忽略工艺环境等不同影响因素，从一块芯片中完美移植到另一芯片中，既可以在FPGA芯片中实现，也可以在ASIC芯片中实现；
4、AGC单元及预均衡器配合使用二次收敛法，使AGC输出合适的增益值，预均衡器设置合适的预均衡档位，信号不会溢出，不影响后续信号的计算和处理，提高准确度。
附图说明
图1为百兆以太网的自适应数字预均衡系统的整体框图；
图2为一阶RC模拟电路的示意图；
图3为s域与Z域响应对比图；
图4为建模信道与补偿滤波器的传输函数；
图5为预均衡器的硬件电路实现图；
图6为预均衡器的硬件仿真结果波形图；
图7为预均衡前后的时域波形图；
图8为预均衡前后的眼图对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
如图1所示，适用于百兆以太网的自适应数字预均衡系统，包括自动增益控制单元（AGC）及预均衡器，所述预均衡器为IIR滤波器，IIR滤波器的系数由RC模拟电路建模再采用一阶后向差分法转换至数字域得到；输入信号从自动增益控制单元输入端输入，自动增益控制单元的输出端连接预均衡器输入端，预均衡器输出端输出预均衡信号，预均衡信号用于后续输入至判决反馈均衡模块（DFE）等进行后续均衡处理；且预均衡器的输出端连接自动增益控制单元的输入端。
在自动增益单元锁定前，预均衡器输出信号输入自动增益控制单元无效，自动增益控制单元对输入信号进行增益调节；当自动增益单元锁定后，预均衡器发出收敛信号至自动增益控制单元，预均衡器输出信号输入自动增益控制单元有效，自动增益控制单元对预均衡器输出的信号进行增益调节，且预均衡器保持原有调节参数不变。所述原有调节参数指由第一增益值对应的预均衡档位的调节参数，所述第一增益值为自动增益控制单元锁定前输出的增益值，预均衡器根据第一增益值设置预均衡档位，第一增益值越大，预均衡档位越高。IIR滤波器的系数可取多组值，对应预均衡器可设置多个预均衡档位，不同档位中IIR滤波器系数的取值不同。
100base-TX传输中MLT3信号经过不同长度的CAT5E线缆，呈现不同程度的衰减，AGC模块为这些不同程度的衰减提供了不同程度的增益，预均衡器根据增益值开启不同挡位的预均衡，预均衡后的信号经过后续的DFE均衡和时钟恢复算法后，再解调出比特流。
本实施例对RC模拟电路建模采用如图2所示的一阶RC模拟电路建模，也可以使用二阶RC模拟电路等其他模拟电路进行建模。一阶RC模拟电路建模过程具体包括：
对一阶RC模拟电路进行频域分析，得频域响应为：
Figure 702042DEST_PATH_IMAGE013
（1）
其中，
Figure 25707DEST_PATH_IMAGE002
为频率响应函数，UO为RC模拟电路输出信号，Ui为RC模拟电路输入信号，R为RC模拟电路中的电阻R的电阻值，C为RC模拟电路中的电容C的电容值；
令式(1)中的jw=s,得到s域传递函数H(s)：
Figure 539865DEST_PATH_IMAGE003
（2）
其截至频率和增益分别为：
Figure 872757DEST_PATH_IMAGE015
（3）
Figure 155971DEST_PATH_IMAGE016
（4）
对式（2）采用一阶后向差分法转换至数字域，令
Figure 384958DEST_PATH_IMAGE017
,T表示采样周期，得到Z域的传递函数H(z)：
Figure 589675DEST_PATH_IMAGE011
（5）
由式（5）传递函数H(z)的零点和极点分别为
Figure 726258DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 863978DEST_PATH_IMAGE012
，颠倒分子分母实现补偿，于是将零点和极点分别作为IIR滤波器传递函数的分母和分子。
因为IIR滤波器的系数由RC模拟电路建模所得，所以IIR滤波器系数与RC相关，预均衡器的各预均衡档位中IIR滤波器系数中的RC取值由不同长度网线的信道响应拟合所得，预均衡档位越高，对应的网线长度越长。比如本实施例中通过拟合实际网线的信道响应得到如下几个预均衡档位，其中RC的取值为举例，也可根据实际场合取不同数值，只要满足拟合关系即可：
预均衡挡位Y R值 C值
0 470ohm 5
1 470ohm 16
2 470ohm 33
3 470ohm 59
4 470ohm 75
假设实验中输入信号经过AGC单元后，根据AGC的增益值选择预均衡档位1，此时，以470ohm的电阻值和16pf的电容值得到最终的Z域响应，如图3所示。最终根据该档位的RC取值，计算
Figure 591763DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 18196DEST_PATH_IMAGE020
即为数字IIR滤波器传输函数的分母和分子，对其取反得到补偿滤波器的传输函数，如图4所示。因为建模使用的是一阶RC电路建模，最终在数字域实现一个2阶的FIR补偿滤波算法即可，计算复杂度非常低但效果良好。
该IIR滤波器的硬件电路实现起来也十分简单，仅需要一个7bit的寄存器来缓存采样数据，加上两个7bit*7bit的乘法器和一个14bit+14bit的加法器，仅需一个时钟周期的群延时就可以计算出有效结果，如图5所示。通过verilog语言进行算法编写，仿真结果如图6所示，上下波形分别为IIR滤波器的输入信号及输出信号。
适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法，包括以下步骤：
定义IIR滤波器为预均衡器；对RC模拟电路建模，再采用一阶后向差分法转换至数字域，得到IIR滤波器的系数，IIR滤波器的系数可取多组值，对应预均衡器可设置多个预均衡档位；
输入信号依次输入自动增益控制单元和预均衡器，初始化预均衡器开启最小的预均衡档位y1，依次执行训练步骤及收敛步骤，后输出预均衡信号；
所述训练步骤包括：预均衡器不发出收敛信号，自动增益控制单元默认对输入信号进行自动增益调节，当自动增益控制单元锁定后，输出第一增益值X_lock至预均衡器，预均衡器根据第一增益值X_lock设置预均衡档位yx；
所述收敛步骤包括：预均衡器向自动增益控制单元发出收敛信号，自动增益控制单元对预均衡器的输出信号进行自动增益控制，自动增益控制单元输出第二增益值X_lock_new，预均衡器保持训练步骤中设置的预均衡档位yx不变。
预均衡器虽然只会提高高频增益，但是由于基线漂移和信实际信道非线性等因素还是会导致预均衡后的信号溢出，导致后续的算法计算不准确。所以本方法提出了训练和收敛两个阶段，通过这种二次收敛均衡法，可以有效地保证预均衡器和AGC位于合适的挡位，使得信号不溢出。
下面通过时域波形和眼图来观察预均衡器补偿前后的对比，以100米CAT5E网线实际传输信号为实验，预均衡前后的时域波形如图7所示，眼图如图8所示。可以看出经过100mCAT5E网线的传输，信号的高频成分衰减十分严重，而均衡后的信号，高频成分得到了合理的补偿，明显的，眼图由闭合转为张开，信号质量得到了明显改善。但是也明显的可以看出，信号的幅度被均衡器也放大了，因此这时候需要执行二次收敛的操作，将预均衡后的信号再次输入到AGC模块，得到一个合理的增益值，锁定电路，使信号不会溢出。
实验证明，该方法能够有效的提高系统整体30%的解调距离，实际测试原本的解调距离只能达到120米，使用该方法后能达到160米。

Claims (9)

1.一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
定义IIR滤波器为预均衡器；对RC模拟电路建模，再转换至数字域，得到IIR滤波器的系数，IIR滤波器的系数可取多组值，对应预均衡器可设置多个预均衡档位；
输入信号依次输入自动增益控制单元和预均衡器，初始化预均衡器开启最小的预均衡档位，依次执行训练步骤及收敛步骤，后输出预均衡信号；
所述训练步骤包括：预均衡器不发出收敛信号，预均衡器的输出信号输入自动增益控制单元无效；自动增益控制单元默认对输入信号进行自动增益控制，当自动增益控制单元锁定后，输出第一增益值至预均衡器，预均衡器根据第一增益值设置预均衡档位，预均衡器的输出信号溢出；
所述收敛步骤包括：预均衡器发出收敛信号至自动增益控制单元，预均衡器输出信号输入自动增益控制单元有效；自动增益控制单元接收到收敛信号后，对预均衡器的输出信号进行自动增益控制，自动增益控制单元输出第二增益值，预均衡器保持训练步骤中设置的预均衡档位不变。
2.根据权利要求1所述的适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法，其特征在于，所述IIR滤波器系数与RC相关，预均衡器的各预均衡档位中IIR滤波器系数中的RC取值由不同长度网线的信道响应拟合所得，预均衡档位越高，对应的网线长度越长。
3.根据权利要求1或2所述的适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法，其特征在于，RC模拟电路建模采用一阶RC模拟电路建模，具体包括：
对一阶RC模拟电路进行频域分析，得频域响应为：
Figure 17880DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，
Figure 727210DEST_PATH_IMAGE004
为频率响应函数，UO为RC模拟电路输出信号，Ui为RC模拟电路输入信号，R为RC模拟电路中的电阻R的电阻值，C为RC模拟电路中的电容C的电容值；
令式(1)中的jw=s,得到s域传递函数H(s)：
Figure 677848DEST_PATH_IMAGE006
（2）
对式（2）采用一阶后向差分法转换至数字域，令
Figure 904562DEST_PATH_IMAGE007
,T表示采样周期，得到Z域的传递函数H(z)：
Figure 53783DEST_PATH_IMAGE008
（3）
由式（3）得到传递函数H(z)的零点和极点分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，分别作为IIR滤波器传递函数的分母和分子。
4.根据权利要求1或2所述的适用于百兆以太网的自适应数字预均衡方法，其特征在于，训练步骤中，预均衡器根据第一增益值设置预均衡档位，第一增益值越大，预均衡档位越高。
5.一种适用于百兆以太网的自适应数字预均衡系统，其特征在于，包括自动增益控制单元及预均衡器，所述预均衡器为IIR滤波器，IIR滤波器的系数由RC模拟电路建模再转换至数字域得到；输入信号从自动增益控制单元输入端输入，自动增益控制单元的输出端连接预均衡器输入端，预均衡器输出端输出预均衡信号，且预均衡器的输出端连接自动增益控制单元的输入端；在自动增益单元锁定前，预均衡器输出信号输入自动增益控制单元无效，自动增益控制单元对输入信号进行增益调节；当自动增益单元锁定后，自动增益控制单元将第一增益值发送至预均衡器，预均衡器发出收敛信号至自动增益控制单元，预均衡器输出信号输入自动增益控制单元有效，自动增益控制单元对预均衡器输出的信号进行增益调节，且预均衡器保持原有调节参数不变。
6.根据权利要求5所述的适用于百兆以太网的自适应数字预均衡系统，其特征在于，IIR滤波器的系数可取多组值，对应预均衡器可设置多个预均衡档位。
7.根据权利要求6所述的适用于百兆以太网的自适应数字预均衡系统，其特征在于，所述IIR滤波器系数与RC相关，预均衡器的各预均衡档位中IIR滤波器系数中的RC取值由不同长度网线的信道响应拟合所得，预均衡档位越高，对应的网线长度越长。
8.根据权利要求5-7任一所述的适用于百兆以太网的自适应数字预均衡系统，其特征在于，所述原有调节参数指由第一增益值对应的预均衡档位的调节参数，所述第一增益值为自动增益控制单元锁定前输出的增益值，预均衡器根据第一增益值设置预均衡档位，第一增益值越大，预均衡档位越高。
9.根据权利要求5-7任一所述的适用于百兆以太网的自适应数字预均衡系统，其特征在于，对RC模拟电路建模为对一阶RC模拟电路建模，具体包括：
对一阶RC模拟电路进行频域分析，得频域响应为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（1）
其中，
Figure 42337DEST_PATH_IMAGE004
为频率响应函数，UO为RC模拟电路输出信号，Ui为RC模拟电路输入信号，R为RC模拟电路中的电阻R的电阻值，C为RC模拟电路中的电容C的电容值；
令式(1)中的jw=s,得到s域传递函数H(s)：
Figure 886796DEST_PATH_IMAGE006
（2）
对式（2）采用一阶后向差分法转换至数字域，令
Figure 307413DEST_PATH_IMAGE007
,T表示采样周期，得到Z域的传递函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（3）
由式（3）得Z域的零点和极点分别为
Figure 216201DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，分别作为IIR滤波器传递函数的分母和分子。
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