CN1665225A - 用于以太网物理层的判决反馈均衡器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于网络技术领域，具体为一种用于以太网物理层的判决反馈均衡器。它采用混合结构形式，即以K阶标准结构单元为一组，再与其转置结构串联而成。其系数调整单元采用N阶复用结构，均衡性能可自适应调整。本发明减小了关键路径的延时及输入负载，速度大大提高，可满足以太网高速传输的需要，同时系数调整单元的复用节省了大量的面积和功耗。
Description
技术领域
本发明属于网络技术领域，具体涉及一种适用于以太网物理层的判决反馈均衡器，特别是关于一种自适应均衡器。
背景技术
随着数字化时代的到来，人们对网络带宽的需求不断增加。在计算机技术和通信技术相结合的今天，数字化和数字通信得到广泛应用，数据的传送与接收成为十分关键的技术。在局域网技术中，以太网规范是目前市场的主流，其中10Base-T/100Base-TX/1000Base-T采用五类非屏蔽双绞线(UTP)作为物理传输介质，UTP价格低廉，容易安装及重新配置，但随着传输距离的增加，UTP上存在噪声、衰减、信号失真等现象，在接收端必须设计一个均衡器用于补偿信道的衰减和其他性能恶化，恢复发送的信号。由于信道情况的复杂性与不可预知性，均衡器性能必须可以随着环境变化而自适应地进行调整。
自适应均衡器利用输入采样数据调整均衡器参数，通常包括前馈均衡器与判决反馈均衡器，见图1所示。其中前馈均衡器是输入为模数转换器采样数据的线性均衡器，判决反馈均衡器结构与前馈均衡器类似，但输入为判决结果的反馈。均衡器的系数根据最小均方误差(LMS)算法调整。
自适应数字均衡技术与其他均衡技术相比具有性能可靠，设计灵活，自动调整参数补偿未知特性信道损失等优点，但缺点是运算时间较长。无论是100Base-TX或是1000Base-T，其时钟的最高频率均为125MHz，这意味着关键路径的延时不能超过8ns，因此，采用怎样的硬件结构来实现均衡器，将对整个电路的速度有很大的影响。
判决反馈均衡器的硬件实现通常有两种结构，即标准结构和转置结构，如图2所示。图2(a)所示为标准结构19，输入序列11与抽头系数序列(14，15，16，17，18)作内积运算，内积结果作为输出序列12。输入序列13是误差值，根据LMS算法用于系数序列更新。若以x(n)表示输入序列11，Wk(n)表示第k阶的抽头系数(即W1(n)＝14，W2(n)＝15，W3(n)＝16，W4(n)＝17，W5(n)＝18)，ue(n)表示误差值13，y(n)表示输出序列12，则上述运算可表示为：
Wk(n)＝Wk(n-1)+x(n-k)×ue(n)，y(n)＝∑Wk(n)×x(n-k)。图2(b)所示为转置结构20，将每阶的输入序列寄存器移至输出序列，与标准结构实现的逻辑完全一致。
标准结构的关键路径延时为
(TM和TA分别代表乘法器延时和加法器延时，n为判决反馈均衡器的阶数)，延时随着n的增大呈对数增长趋势。
转置结构的关键路径延时为TM+TA。看似延时与阶数n无关，但随着n的增大，输入序列11的负载变大，必须插入缓冲器以增大驱动能力，n越大，缓冲器所引入的延时也越大。
根据10Base-T/100Base-TX，1000Base-T的信道仿真结果，为了达到传输距离100m时误码率不超过10-10，至少需要26阶(n＝26)，无论是标准结构还是转置结构，都无法满足时序上的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型结构的用于以太网物理层的判决反馈均衡器，以改善传统结构的判决反馈均衡器在速度、面积、功耗等方面的不足。
本发明提出的判决反馈均衡器，采用混合结构实现，如图3所示。混合结构是介于标准结构和转置结构之间的一种实现形式，根据重分时(Retiming)原理对延时单元重新分配得到，以k个标准结构单元为一组，再与其转置结构串连而成，这里的符号表示同前述，即X(n)为输入序列11，Wk(n)表示阶的抽头系数，对应于图3中标号21、22、…，44…，Ue(n)表示误差值13，y(n)表示输出序列12，一般k＜n，n≤26。在图3中，k＝5，n＝26。判决反馈均衡器的关键路径延时为
但当判决反馈均衡器处于整个均衡器电路中(图1)时，位于关键路径上的仅为第1阶的一个乘法器和一个加法器。图3中输入序列11的位宽是3bit，输出序列12的位宽是12bit，因此在
小于整个电路关键路径延时的条件下，可以尽量增大k值，以减少输出序列寄存器的数目，从而节省面积。
本发明提出的判决反馈均衡器，抽头系数调整模块采用N阶复用的结构，如图4所示。其中，判决反馈均衡器的N阶单元共用同一个系数调整模块。其具体结构如下：将每一阶的抽头系数送到一个N路选择器的输入端，在N个时钟周期内，从第1阶到第N阶单元的抽头系数依次被选中，同时，相应的输入序列被选中，被选中的输入序列与输入的误差作乘法运算，乘积与被选中的抽头系数相加，相加的结果即为更新后的抽头系数，送到每一阶单元中的2路选择器的输入端；当该阶抽头系数被选中时，更新后的抽头系数替代原来的抽头系数，否则抽头系数保持不变。综上所述，在N个时钟周期内，从第1阶到第N阶单元的抽头系数依次被更新，也就是说，由原来的每个时钟周期更新一次变为N个时钟周期更新一次，更新速度减小至原来的1/N。从规模上看，减少了(N-1)个乘加单元，增加了2个N路选择器和N个2路选择器。通过选取恰当的n值，可以在满足更新速度的要求下，尽量减小规模。一般地，N取2的整数幂值，例如：2m，m取2或3。
附图说明
图1显示以太网自适应均衡器框图。
图2显示自适应判决反馈均衡器的两种常用的结构。其中，图2(a)为标准结构，图2(b)为转置结构。
图3显示本发明提出的自适应判决反馈均衡器的混合结构。
图4显示本发明提出的自适应判决反馈均衡器的系数调整模块N阶复用的结构。
图中标号：6为发送器，7为信道，8为接收器，9为模数转换器，10为均衡器，01为前馈均衡器，02为判决器，03为判决反馈均衡器，04、05为算术运算单元，11为输入序列X(n)，12为输出序列y(n)，13为误差值Ue(n)，14-18为抽头系数序列Wk(n)，19为标准结构，20为转置结构，21-46为混合结构中的抽头系数序列Wk(n)；50为26阶的判决反馈均衡器结构图；51-55为以5阶标准结构为一组的子模块，60为系数调整单元N阶复用结构，61为误差序列，62为控制信号，63为加法器的输入信号，64为乘法器的输入信号(选择器的输出信号)，65为乘法器的输出信号，66为更新后的抽头系数，67、68、74、84为选择器，71、81为输入数据序列，72、82为均衡结果输入，75、85为均衡器输出，76、86为抽头系数输出，73、83为控制信号。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明。
以太网自适应均衡器10由前馈均衡器01，判决器02，判决反馈均衡器03及算术运算单元04，05组成。其框图如图1所示。模数转换器采样数据首先送到前馈均衡器01中，消除前馈干扰，其结果与判决反馈均衡器03的输出结果经过算术运算单元04相加得到软判决结果，将软判决结果送到判决器02，得到五值判决即硬判决结果，硬判决结果又反过来送到判决反馈均衡器03中。其中，硬判决与软判决结果送到05中作减法运算，差值作为误差送到01和03中用作抽头系数自适应调整的依据。
其中判决反馈均衡器03采用混合结构实现，如图3所示为26阶判决反馈均衡器结构图50，其中11为输入数据序列，12为输出数据序列，13为误差序列，21～46分别为第1阶至第26阶的抽头系数。虚线框内是以5阶标准结构为一组构成的子模块51～55，共有5组，将这5组子模块及第1阶单元用转置结构串联起来，即构成26阶判决反馈均衡器。
从图3可以看出，混合结构相比转置结构减少了输出序列寄存器的数目，由原来的26组×12个寄存器(26阶，每阶乘加结果输出为12bit)减少到6组×12个(每5阶一组，26阶共需6组)，一共减少240个寄存器，并且由于输入数据序列11的负载减少，使速度变快。
判决反馈均衡器的高阶部分针对较小的码间串扰均衡，因此其抽头系数的抖动，调整速度等性能对总体均衡效果影响不大，将系数调整单元N阶复用，可以进一步优化面积和功耗。
判决反馈均衡器系数调整单元N阶复用的结构60，如图4所示。虚线框内为单阶的反馈均衡器单元，与图3不同的是系数调整部分移到外部为N阶所共用。设第1阶和第N阶的输入数据序列分别为71和81，72和82分别是第1阶和第N阶的均衡结果输入，75和85分别是第1阶和第N阶的均衡结果输出，第k-1阶的均衡结果输出接第k阶的均衡结果输入，也就是说，将每一阶的输入数据序列与抽头系数的乘积相累加即得到最后的均衡结果。76和86分别是第1阶和第N阶的抽头系数输出，61是误差序列输入。62是N路选择器67的控制信号，其位宽为
(为了最大限度的利用控制信号，一般N取2的整数幂值)。在N个时钟周期内，从第1阶到第N阶的抽头系数(76……86)依次被选中，从第1阶到第N阶的输入数据序列(71……81)也同步被选中。举例来说，在第1个时钟周期内，N路选择器67的输出信号63为第1阶的抽头系数76，N路选择器68的输出信号64为第1阶的输入数据序列71，信号64与误差序列61相乘后与信号63累加，结果66即为第1阶的更新后的抽头系数，此时第1阶的2路选择器74的控制信号73为高电平，选中信号66，则第1阶的抽头系数被更新，同时其他各阶如第N阶的2路选择器84的控制信号83均为低电平，选中原来的抽头系数，即抽头系数保持不变。依此类推，各阶的抽头系数在N个时钟周期内各得到一次更新。
随着复用阶数的增加，减少的系数调整单元面积不足以抵消增加的多路选择器面积，因此面积优化的比例会相对减少，而且复用阶数过高会对均衡器性能造成较大的损害。当调整步长不变时，系数调整单元复用会降低均衡器收敛的速度，因此对权重较大的低阶单元的系数仍旧每个周期调整一次，而对于高阶单元来说，4阶复用一个系数调整单元。例如对于图3所示的26阶反馈均衡器，可采用前10阶为每个周期调整系数，后16阶为每4阶共用一个系数调整单元的结构。
Claims (3)
1、一种用于以太网物理层的判决反馈均衡器，其特征在于为根据重分时原理对延时单元重新分配得到，以K个标准结构单元为一组，再与其转置结构串连而成的混合结构形式，用X(m)表示输入序列，Wk(n)表示第K阶的抽头系数，Ue(n)表示误差值，y(n)表示输出序列，其中，k＜n，n≤26。
2、根据权利要求1所述的判决反馈均衡器，其特征在于抽头系数调整模块采用N阶复用结构：N阶单元共用一个系数调整模块。
3、根据权利要求2所述的判决反馈均衡器，其特征在于抽头系数调整模块的N阶复用结构的运行方式如下：将每一阶的抽头系数送到一个N路选择器的输入端，在N个时钟周期内，从第1阶到第N阶单元的抽头系数依次被选中，同时，相应的输入序列被选中，被选中的输入序列与输入的误差作乘法运算，乘积与被选中的抽头系数相加，相加的结果即为更新后的抽头系数，送到每一阶单元中的2路选择器的输入端；当该阶抽头系数被选中时，更新后的抽头系数替代原来的抽头系数，否则抽头系数保持不变。
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