CN117640293A - 一种以太网传输电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种以太网传输电路，所述电路包括：差分传输线和特性匹配单元；所述差分传输线用于传输差分信号；所述特性匹配单元耦接在所述以太网传输电路的输入端和负载之间，所述特性匹配单元包括阻抗匹配模块和滤波模块；所述阻抗匹配模块，用于使所述特性匹配单元的差分阻抗与所述差分传输线的特性阻抗相匹配；所述滤波模块，用于抑制共模信号。本申请提供的以太网传输电路，可以有效减少以太网链路中的回波损耗，使以太网链路满足信号传输要求。

Description

一种以太网传输电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，具体涉及一种以太网传输电路。

背景技术

以太网是一种计算机网络，其中车载以太网是用于连接汽车内各种电气设备的一种物理网络，其设计的目的是为了满足车载环境中的一些特殊需求，例如：满足车载设备对于电气特性的要求；满足车载设备对高带宽、低延迟以及音视频同步等应用的要求；满足车载系统对网络管理的需求等。

在以太网的物理层接口性能中，回波损耗是一项重要的指标，它测量的是传输信号被反射到发射端的比例，回波损耗会引入信号波动，会被双工的网络误认为是收到的信号而产生混乱。在千兆以太网中，由于信号频率变化范围较大，回波损耗问题更加严重。为了评估以太网的回波损耗，一般会进行MDI(Media Dependent Interface，介质相关接口)回波损耗测试，该测试主要是验证在MDI接口处因阻抗不连续造成的信号反射是否符合标准要求。在现有技术中，主要是通过选择回波损耗较小的器件使得总的回波损耗较小，以便通过回波损耗测试。但这种处理方式并没有从源头上解决回波损耗的问题。

发明内容

本申请提供一种以太网传输电路，使得以太网传输电路在较高的频率变化范围内均能与以太网的差分传输线阻抗匹配，以有效减少以太网链路中的回波损耗。

本申请实施例提供一种以太网传输电路，所述电路包括：差分传输线和特性匹配单元；

所述差分传输线用于传输差分信号；

所述特性匹配单元耦接在所述以太网传输电路的输入端和负载之间，所述特性匹配单元包括阻抗匹配模块和滤波模块；

所述阻抗匹配模块，用于使所述特性匹配单元的差分阻抗与所述差分传输线的特性阻抗相匹配；

所述滤波模块，用于抑制共模信号。

可选地，所述特性匹配单元的差分阻抗与所述传输线的特性阻抗在预设信号频率范围内相匹配。

可选地，所述特性匹配单元的差分阻抗与所述差分传输线的特性阻抗的相对偏差小于等于设定阈值。

可选地，所述阻抗匹配模块包括：铁氧体磁珠，所述磁珠的谐振频点高于所述预设信号频率范围的最高频率。

可选地，所述电路还包括：耦接在所述以太网传输线路输入端和所述阻抗匹配模块之间的隔直电容。

可选地，所述电路还包括：共模滤波网络，用于为共模信号提供泄放途径；所述差分传输线路包括：第一传输线和第二传输线。

可选地，所述共模滤波网络为RC高阻网络。

可选地，所述RC高阻网络包括：串接在所述第一传输线和接地端之间的第一电阻R1和电容C、以及串接在所述第二传输线和接地端之间的第二电阻R2和第三电阻R3，所述第一电阻R1和电容C的连接端与第二电阻R2和第三电阻R3的连接端相连接。

可选地，所述共模滤波网络包括：连接在所述第一传输线和接地端的第四电阻R4、以及连接在所述第二传输线和接地端的第五电阻R5。

可选地，所述电路还包括：耦接在所述以太网传输线路输入端和所述共模滤波网络之间的保护模块；所述保护模块，用于泄放静电并抑制瞬时电压尖峰。

可选地，所述保护模块包括：第一TVS管和第二TVS管；所述第一TVS管耦接于所述第一传输线和接地端之间，所述第二TVS管耦接于所述第二传输线和所述接地端之间。

可选地，所述预设信号频率范围的上限大于等于600MHz。

可选地，所述预设信号频率范围为0～600MHz。

本申请提供的以太网传输电路，在以太网传输电路的输入端和负载之间耦接特性匹配单元，利用特性匹配单元中的滤波模块抑制共模信号，利用特性匹配单元中的阻抗匹配模块使特性匹配单元的差分阻抗与差分传输线的特性阻抗相匹配，从而弥补由于滤波模块的差分阻抗随信号频率的变化而发生变化所带来的差分阻抗不匹配的问题。该以太网传输电路在不影响其他性能的前提下，可以有效减少以太网链路中的回波损耗，使以太网链路满足回波损耗的要求。

附图说明

图1是现有的车载以太网传输电路进行回波损耗项测试的原理图；

图2是本申请实施例以太网传输电路的原理框图；

图3是本申请实施例以太网传输电路在车载以太网系统中的示意图；

图4是现有的以太网传输电路中输出端有负载端接时的共模电感输入端差分阻抗示意图；

图5是本申请实施例以太网传输电路中铁氧体磁珠的频率阻抗特性示意图；

图6是本申请实施例以太网传输电路的一种结构示意图；

图7是本申请实施例以太网传输电路的另一种结构示意图；

图8是本申请实施例以太网传输电路的另一种结构示意图；

图9是图6所示以太网传输电路中差分传输线的特性阻抗示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施例做详细的说明。

回波损耗又称反射损耗，是表示信号反射性能的参数，它的定义如下：

RL＝20·log|τ|

其中，τ表示反射系数，是反射信号与入射信号的比值。

信号在传输的过程中，只要阻抗发生变化就会产生反射，若信号在媒质1中传输时的特性阻抗为Z₁，在媒质2中传输时的特性阻抗为Z₂，那么当信号从媒质1进入媒质2时的反射系数可以表征为：

回波损耗产生的原因是由于链路中阻抗不匹配导致的，回波损耗会引入波动信号，将被双工的千兆网误认为是收到的信号而产生混乱。

由于以太网高速传输性以及UTP(Unshielded Twisted Pair，非屏蔽双绞线)布线性质会引发大量的辐射噪声，因此，为了抑制共模噪声，通常会引入共模电感来改善以太网的辐射噪声，即将共模电感串接在以太网差分传输线上。在车载以太网系统中，阻抗的严重突变主要是由于共模电感的引入造成的，当信号从特性阻抗为100Ω的传输线进入到共模电感时，若共模电感前端的差分阻抗为Z_d，则回波损耗可以表征为：

MDI回波损耗测试项主要是验证在MDI接口处因阻抗不连续造成的信号反射是否符合相关标准要求。现有的解决方案主要是选择回波损耗较小的器件使得总的回波损耗较小，但是这样的处理方案只是会减小测试场景中连接器件间的反射，并不能减小由于共模电感造成的损耗，也就是说，不能从源头上解决回波损耗的问题。

如图1所示，是现有的车载以太网传输电路进行回波损耗项测试的原理图。

在进行回波损耗测试时，由矢量网络分析仪10端口发射能量，通过线缆、测试夹具20、连接器30进入千兆以太网PCB电路40。差分信号在传输的过程中会感受到传输通道的差分阻抗，当遇到差分阻抗发生突变时信号就会发生反射，阻抗突变越严重，信号反射系数就越大，回波损耗结果越恶劣。即回波损耗测试项是通过检测矢量网络分析仪10端口上反射回来的差分信号能量大小得到最终测试结果。

车载以太网的通信方式采用的是差分传输，差分传输是在一对传输线路上通过反向施加电流的方式来传送信号，共模电流会产生噪声，一般引入共模电感来解决差分信号的共模噪声问题。共模电感是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同、匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧环形磁芯上，形成一个四端器件，当有共模成分流过共模电感时，会在两个线圈形成方向相同的磁场，相互加强，相当于对共模信号存在较高的感抗，对共模信号起到抑制作用，当有差模成分流过共模电感时，会在两个线圈形成方向相反的磁场，相互抵消，相当于对差模信号存在较低的感抗，使差模信号可以无衰减地通过。因此共模电感在线路中能有效地抑制共模干扰信号，而对线路传输的差模信号无影响，达到滤波的目的。在选择共模电感时主要根据阻抗频率曲线选择，一般共模阻抗越大越好。

回波损耗主要由差分阻抗不匹配导致，选择共模电感时并不会考虑共模电感差模阻抗对信号的影响，因此共模电感的引入会产生回波损耗。相较于百兆以太网，千兆以太网传输电路中由于共模电感的引入导致的回波损耗更严重，因为共模电感的差分阻抗随着信号频率的增加而下降，百兆以太网中信号频率变化范围一般为几十兆，而千兆以太网中信号频率变化范围较大(至少是0～600MHz的范围)，共模电感在不同频段下的差分阻抗会发生较大变化(可能有二三十欧)，这导致在大的频段范围内不能保证差分阻抗匹配(即在0～600MH范围内保证回波损耗小于一定范围)，因此会产生回波损耗。

为此，本申请实施例提供一种以太网传输电路，通过在以太网传输电路中的共模电感的输入端串接一个阻抗匹配模块来进行差分阻抗匹配，改善由于共模电感引入导致差分阻抗突变严重的现象，减小以太网传输电路的回波损耗，从而使得以太网能够通过回波损耗测试。

如图2所示，是本申请实施例以太网传输电路的原理框图。该以太网传输电路包括：差分传输线200和特性匹配单元100。其中，差分传输线200用于传输差分信号；特性匹配单元100耦接在以太网传输电路的输入端300和负载400之间，用于抑制共模信号并进行差分阻抗匹配。

差分传输线200包括两根传输线，后续为了描述方便，将其中一根称为第一传输线，另一根称为第二传输线。

该实施例中，特性匹配单元100包括阻抗匹配模块101和滤波模块102。其中，阻抗匹配模块101用于使所述特性匹配单元100的差分阻抗与差分传输线200的特性阻抗相匹配；滤波模块102用于抑制共模信号。

该以太网传输电路不仅能有效地抑制传输信号中的共模干扰，而且可以有效减少以太网链路中的回波损耗。比如，将其用在车载以太网系统中，结合图3所示，在MDI接口和以太网芯片之间通过两根差分传输线实现差模信号传输。滤波模块102采用共模电感，共模电感对共模信号存在较高的感抗，对差模信号存在较低的感抗，因此可使差模信号无衰减地通过，而对共模信号起到抑制作用，达到滤波的目的。由于共模电感的差分阻抗随着信号频率的增加而下降，而利用阻抗匹配模块101可以减少或消除由于共模电感在不同频段下的差分阻抗的变化而导致的回波损耗。

考虑到千兆以太网中信号频率变化范围较大，比如在0～600MHz范围内变化，共模电感在不同频段下的差分阻抗会发生较大变化，比如可能有二三十欧的变化。因此，在实际应用中，可以根据应用场景中使用的信号频率范围，设计特性匹配单元100的差分阻抗与差分传输线200的特性阻抗在该频率范围内相匹配。也就是说，本申请实施例提供的以太网传输电路中，可以根据应用需要，设计特性匹配单元100的差分阻抗与差分传输线200的特性阻抗在预设信号频率范围内相匹配。比如，所述预设信号频率范围可以是0～600MHz，当然，所述预设信号频率范围的上限也可以大于等于600MHz，对此本申请实施例不做限定。

前面提到，阻抗匹配模块101用于使所述特性匹配单元100的差分阻抗与差分传输线200的特性阻抗相匹配，所谓相匹配是指两者一致。考虑到不同信号传输场景下对线路上回波损耗要求的不同、以及器件工艺的精度影响，在实际应用中，特性匹配单元100的差分阻抗与传输线200的特性阻抗也可以存在一定的偏差，比如，允许特性匹配单元100的差分阻抗与传输线200的特性阻抗的相对偏差小于等于设定阈值，如设定该阈值为15％，当然，也可以是其它数值，对此本申请实施例不做限定。

现有的以太网传输电路中没有上述阻抗匹配模块101，共模电感输出端耦接以太网芯片时，其输入端端口的差分阻抗特征如图4所示。

从图4可以看出，在0～600MHz频段内，当共模电感输出端有负载端接时，其输入端端口的差分阻抗特性曲线随着频率的升高整体呈现下降趋势。而回波损耗理想情况下，希望任意时刻的共模电感输入端端口的差分阻抗幅值与差分传输线的特性阻抗都相等。

在图3所示本申请实施例提供的以太网传输电路中，在共模电感102的输入端引入阻抗匹配模块101，设计该阻抗匹配模块101在一定频率范围内的阻抗变化与共模电感102输入端差分阻抗变化互补，即可有效减少或消除由于共模电感在不同频段下的差分阻抗的变化而导致的回波损耗。

磁珠是一种电子元件，专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰。在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小，但是这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加。当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。

为此，在本申请以太网传输电路的一种非限制性实施例中，所述阻抗匹配模块101可以包括：铁氧体磁珠。也就是说，在共模电感的输入端串接铁氧体磁珠，它等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。串接的铁氧体磁珠的频率阻抗特性如图5所示。由图5可知，在0～600MHz频段内，铁氧体磁珠的阻抗特性曲线整体呈现上升趋势。

将铁氧体磁珠串接在共模电感的输入端，假设差分传输线上铁氧体磁珠输入端的差分阻抗为Zb，差分传输线的特性阻抗为Zo。Zo与Zb的幅值偏差越小造成的反射越小，当Zo与Zb相等(即铁氧体磁珠输入端的特性阻抗Zb与差分传输线的特性阻抗Zo相匹配)时为理想状态，此时反射系数为0，回波损耗最佳。

实验表明，共模电感输入端串接磁珠后的差分阻抗即上述Zb与传输线特性阻抗Zo的相对偏差控制在15％以内，就可以达到当前千兆以太网物理层回波损耗测试项的标准。

需要说明的是，铁氧体磁珠的接入并没有减少共模电感差分阻抗不匹配产生的反射回波，而是吸收了这部分反射回波，传入负载(如图3中的以太网芯片)端的能量也没有增加。

另外，由于铁氧体磁珠都会有典型的LC谐振频率点，超过谐振频率点之后的阻抗呈容性，因此，为了更好地保证在所述预设信号频率范围(如待测2～600MH)内使铁氧体磁珠呈现电感特性，可以设计铁氧体磁珠的谐振频点高于所述预设信号频率范围的最高频率。

采用铁氧体磁珠，使其差分阻抗与共模电感的差分阻抗互补，即采用在千兆以太网的频段内共模电感的差分阻抗变化较小的铁氧体磁珠，例如在0～600MHZ频率范围内，共模电感的差分阻抗降低20欧姆，则选择在0～600MHZ频率范围内差分阻抗上升20欧姆的铁氧体磁珠。

需要说明的是，在具体应用中，所述阻抗匹配模块101并不仅限于采用上述铁氧体磁珠，也可以采用具有类似特性的其它器件，例如铁氧体磁珠与电感串联结构，或电阻与电感串联结构等。

如图6所示，是本申请实施例以太网传输电路的一种结构示意图。

在该实施例中，特性匹配单元100中的阻抗匹配模块101采用铁氧体磁珠，滤波模块102采用共模电感。另外，在以太网传输线路输入端(如图6中的MDI接口)和阻抗匹配模块101之间还耦接有隔直电容，如图6中位于第一传输线上的电容C1和位于第二传输线上的电容C2。所述隔直电容可以防止直流电通过，避免负载400的电压抬升造成负载内的器件损坏。

进一步地，该以太网传输电路还可包括：耦接在所述以太网传输线路输入端和所述共模滤波网络之间的保护模块，用于泄放静电并抑制瞬时电压尖峰。

在一种非限制性实施例中，如图6所示，所述保护模块可以包括：第一TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态二极管)管D1和第二TVS管D2。其中，第一TVS管D1耦接于所述第一传输线和接地端之间，第二TVS管D2耦接于第二传输线和接地端之间。第一TVS管D1和第二TVS管D2只在电压高时导通，避免尖峰电压攻击以太网。

在另一种非限制性实施例中，该以太网传输电路还可包括共模滤波网络，用于为共模信号提供泄放途径。也就是说，阻止共模信号从参考平面上回流，改善共模滤波效果。当传输信号中含有丰富的高频分量时，通过该共模滤波网络，可以有效降低辐射发射水平。

在具体应用中，所述共模滤波网络可以有多种不同的实现方式。

比如，一种实现方式中，所述共模滤波网络可以采用RC高阻网络实现，如图7所示，所述RC高阻网络可以包括：串接在第一传输线和接地端之间的第一电阻R1和滤波电容C、以及串接在第二传输线和接地端之间的第二电阻R2和第三电阻R3，而且，第一电阻R1和电容C的连接端与第二电阻R2和第三电阻R3的连接端相连接。

再比如，另一种实现方式中，如图8所示，所述共模滤波网络可以包括：连接在第一传输线和接地端的第四电阻R4、以及连接在第二传输线和接地端的第五电阻R5。

当然，所述共模滤波网络还可以有其它实现方式，对此不再一一举例说明。

本申请实施例提供的以太网传输电路，在以太网传输电路的输入端和负载之间耦接特性匹配单元，特性匹配单元包括阻抗匹配模块和滤波模块，利用滤波模块抑制共模信号，利用阻抗匹配模块使特性匹配单元的差分阻抗与差分传输线的特性阻抗相匹配，从而弥补由于滤波模块的差分阻抗随信号频率的变化而发生变化所带来的差分阻抗不匹配的问题。该以太网传输电路在不影响其他性能的前提下，可以有效减少以太网链路中的回波损耗，使以太网链路满足回波损耗项测试的要求。

本申请实施例提供的以太网传输电路，可以应用于多种场景，比如车载以太网系统、视频点播业务系统、虚拟电子商务系统等。

以图6所示以太网传输电路为例，铁氧体磁珠输入端的差分阻抗如图9中曲线所示，图9中细直线表示差分传输线的特性阻抗Zo。

相较于现有的以太网传输电路，本申请方案在高频信号传输线路中，只引入一个阻抗匹配模块即可以使其通过回波损耗测试，不需要设计额外的阻抗匹配支路，不影响原有布线和其他性能测试，且从源头上减小了回波损耗，提高了以太网传输电路的性能。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请实施例中出现的“多个”是指两个或两个以上。

本申请实施例中出现的第一、第二等描述，仅作示意与区分描述对象之用，没有次序之分，也不表示本申请实施例中对设备个数的特别限定，不能构成对本申请实施例的任何限制。

本申请实施例中出现的“连接”是指直接连接或者间接连接等各种连接方式，以实现设备间的通信，本申请实施例对此不做任何限定。

虽然本申请披露如上，但本申请并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种以太网传输电路，其特征在于，所述电路包括：差分传输线和特性匹配单元；

所述差分传输线用于传输差分信号；

所述特性匹配单元耦接在所述以太网传输电路的输入端和负载之间，所述特性匹配单元包括阻抗匹配模块和滤波模块；

所述阻抗匹配模块，用于使所述特性匹配单元的差分阻抗与所述差分传输线的特性阻抗相匹配；

所述滤波模块，用于抑制共模信号。

2.根据权利要求1所述的以太网传输电路，其特征在于，所述特性匹配单元的差分阻抗与所述传输线的特性阻抗在预设信号频率范围内相匹配。

3.根据权利要求2所述的以太网传输电路，其特征在于，所述特性匹配单元的差分阻抗与所述差分传输线的特性阻抗的相对偏差小于等于设定阈值。

4.根据权利要求2所述的以太网传输电路，其特征在于，所述阻抗匹配模块包括：铁氧体磁珠，所述磁珠的谐振频点高于所述预设信号频率范围的最高频率。

5.根据权利要求1至4任一项所述的以太网传输电路，其特征在于，所述电路还包括：耦接在所述以太网传输线路输入端和所述阻抗匹配模块之间的隔直电容。

6.根据权利要求5所述的以太网传输电路，其特征在于，所述电路还包括：

共模滤波网络，用于为共模信号提供泄放途径；

所述差分传输线路包括：第一传输线和第二传输线。

7.根据权利要求6所述的以太网传输电路，其特征在于，所述共模滤波网络为RC高阻网络。

8.根据权利要求7所述的以太网传输电路，其特征在于，所述RC高阻网络包括：串接在所述第一传输线和接地端之间的第一电阻(R1)和电容(C)、以及串接在所述第二传输线和接地端之间的第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述第一电阻(R1)和所述电容(C)的连接端与第二电阻(R2)和第三电阻(R3)的连接端相连接。

9.根据权利要求6所述的以太网传输电路，其特征在于，所述共模滤波网络包括：

连接在所述第一传输线和接地端的第四电阻(R4)、以及连接在所述第二传输线和接地端的第五电阻(R5)。

10.根据权利要求6所述的以太网传输电路，其特征在于，所述电路还包括：耦接在所述以太网传输线路输入端和所述共模滤波网络之间的保护模块；

所述保护模块，用于泄放静电并抑制瞬时电压尖峰。

11.根据权利要求10所述的以太网传输电路，其特征在于，所述保护模块包括：第一TVS管和第二TVS管；所述第一TVS管耦接于所述第一传输线和接地端之间，所述第二TVS管耦接于所述第二传输线和所述接地端之间。

12.根据权利要求2所述的以太网传输电路，其特征在于，所述预设信号频率范围的上限大于等于600MHz。

13.根据权利要求12所述的以太网传输电路，其特征在于，所述预设信号频率范围为0～600MHz。