TWI641238B

TWI641238B - 通訊系統與方法

Info

Publication number: TWI641238B
Application number: TW104135454A
Authority: TW
Inventors: 劉慶昌; 曾達欽; 郭協星; 莊勝富
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2018-11-11
Also published as: TW201633728A

Abstract

一種通訊系統包含封包流轉換單元、映射單元以及傳輸單元。封包流轉換單元用以接收四位元封包流並轉換四位元封包流為六位元封包流。映射單元用以將六位元封包流映射至多個三進制位元流，並根據六位元封包流中閒符號(IDLE symbols)的至少一特定位元，映射閒符號至三進制位元流。傳輸單元用以將三進制位元流透過一纜線傳送至遠端通訊裝置。

Description

通訊系統與方法

本揭示內容是有關於一種通訊系統與方法，特別是有關於一種用纜線傳輸資料的一種通訊系統與方法。

電機電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)為提升網路發展，針對不同速率以及不同媒介的網路傳輸訂定標準規格，在無數研究心血的投注下，有線電纜的傳輸速度已高達十億位元每秒(Gbps)。

在網路傳輸架構中，線路編碼(line coding)為有線乙太網路之物理層(physical layer,PHY)以及資料鏈結層(data link layer)中之重要技術，原始資料數據經過線路編碼後始透過纜線傳送，另外，線路編碼亦可針對傳輸媒介等特性設計，對於網路傳輸品質十分關鍵。

為因應有線網路之通訊需求，本揭示內容提供改善線路編碼之通訊系統與方法。本揭示內容之一態樣為一種通訊系統，通訊系統包含封包流轉換單元、映射單元以及傳輸單元。封包流轉換單元用以接收四位元封包流並轉換四位元封包流為六位元封包流。映射單元用以將六位元封包流映射至多個三進制位元流，並根據六位元封包流中閒符號(IDLE symbols)的至少一特定位元，映射閒符號至三進制位元流。傳輸單元用以將三進制位元流透過一纜線傳送至遠端通訊裝置。

本揭示內容之一態樣為一種通訊方法，包含下列步驟：轉換一四位元封包流為一六位元封包流；將六位元封包流映射至多個三進制位元流，並根據六位元封包流中至少一閒符號中的至少一特定位元，映射閒符號至三進制位元流；將三進制位元流透過一纜線傳送至一遠端通訊裝置。

上述之通訊系統與通訊方法能改善接收方之基準線漂移(baseline wander)之現象，使有線網路通訊之錯誤率下降，並提高傳輸效率。

100‧‧‧通訊系統

110‧‧‧封包流轉換單元

112‧‧‧位元數轉換單元

114‧‧‧資料攪亂器

116‧‧‧側流攪亂器

120‧‧‧映射單元

130‧‧‧傳輸單元

200‧‧‧通訊方法

1162‧‧‧延時器

1164‧‧‧加法器

S210~S240‧‧‧步驟

第1A圖係依照本揭示內容實施例繪示一種通訊系統的方塊示意圖；第1B圖係依照本揭示內容實施例繪示之側流攪亂器的方塊示意圖；以及第2圖依照本揭示內容實施例繪示之一種通訊方法的流程圖。

第1A圖係依照本揭示內容實施例繪示一種通訊系統的方塊示意圖。通訊系統100主要包含開放系統互連模型(open system interconnection reference model)中物理層(PHY)的部分，物理層由資料鏈結層(data link layer)中的介質存取控制(mediaaccess control)部分接收媒體獨立介面(media independent interface)資料，並對其進行線路編碼(line encoding)而產生線路碼(line code)，並透過纜線將所產生之線路碼傳送至遠端通訊裝置(未繪示於圖中)。為提升遠端通訊裝置解讀線路碼之正確率，所產生線路碼中應盡量避免有多個連續的相同邏輯準位，以免遠端通訊裝置對線路碼的位元長度解析發生錯誤。以下將詳細對通訊系統100所包含之元件與各元件功能做詳細的介紹。

通訊系統100包含封包流轉換單元110、映射單元120以及傳輸單元130。封包流轉換單元110用以接收四位元封包流並轉換四位元封包流為六位元封包流。映射單元120用以將六位元封包流映射至多個三進制位元流，並根據六位元封包流中閒符號(IDLE symbols)的至少一特定位元，映射閒符號至三進制位元流。傳輸單元130用以將三進制位元流透過一纜線傳送至遠端通訊裝置。封包流轉換單元110、映射單元120以及傳輸單元130包括恰當的邏輯、電路和/或編碼，以實現上述之功能。在一些實施例中，上述三進制位元包含-1、0、1等三種位元符號。

本揭示內容之映射單元120映射六位元封包流至三進制位元流時，多個三進制位元流中各三進制位元可能數值之組合數量較六位元封包流中每六位元中所有二進位元可能數值組合的數量大三個以上，因此，映射單元120在映射六位元封包流之閒符號至三進制位元流時，對於閒符號所映射到的三進制位元值組合有更多彈性，能選用降低三進制位元流中有連續多個相同的非零邏輯準位之三進制數值組合。亦即，通訊系統100能夠降低基準線飄移(baseline wander)現象，進一步提升了遠端通訊裝置解讀線路碼之成功率，達到更佳的通訊品質。

封包流轉換單元110包含位元數轉換單元112、資料攪亂器(data scrambler)114以及側流攪亂器(side stream scrambler)116。位元數轉換單元112包括恰當的邏輯、電路和/或編碼，用以自媒體獨立介面(未繪示於第1A圖中)接收四位元封包流MII[3：0]，並將其轉為六位元資料流6b_stream[5：0]。

於一實施例中，位元數轉換單元112將四位元封包流MII[3：0]直接以補零(padding)方式轉為六位元資料流6b_stream[5：0]。於另一實施例中，封包流轉換單元110中的位元數轉換單元112將四位元封包流MII[3：0]轉換為三位元封包流(4b3b)，再以先進先出方式將三位元封包流轉換為六位元資料流6b_stream[5：0]。

資料攪亂器114以及側流攪亂器116包括恰當的邏輯、電路和/或編碼，用以將二進制的六位元資料流 6b_stream[5：0]中零與一的數量打亂，使經擾亂過的六位元受擾資料流Sd_n[5：0]中零與一的數量幾乎相同，以讓信號具有隨機性，加快接收端的遠端通訊裝置取出所接收信號中時脈頻率的速度。資料攪亂器114以及側流攪亂器116在擾亂六位元資料流6b_stream[5：0]時，側流攪亂器116使用攪亂器多項式(scrambler polynomial)來產生側擾值Scr_n[5：0]，攪亂器多項式之次數越高，則經擾亂過的六位元受擾資料流Sd_n[5：0]中隨機程度也越高。

於一實施例中，側流攪亂器116所使用攪亂器多項式為g_M(x)=1+x¹³+x³³。於另一實施例中，側流攪亂器116所使用攪亂器多項式為g_S(x)=1+x²⁰+x³³。第1B圖係依照本揭示內容實施例繪示之側流攪亂器116的方塊示意圖，其中側流攪亂器116包含延時器1162和加法器1164，第1B圖上半部用於根據攪亂器多項式g_M(x)=1+x¹³+x³³產生側擾值Scr_n[5：0]，第1B圖下半部用於根據攪亂器多項式g_S(x)=1+x²⁰+x³³產生側擾值Scr_n[5：0]。

資料攪亂器114接收來自側流攪亂器116之側擾值Scr_n[5：0]與六位元資料流6b_stream[5：0]並對其加以處理，以產生六位元受擾資料流Sd_n[5：0]。資料攪亂器114首先使用算式g(x)=x³^x⁸以及側擾值Scr_n[5：0]中的Scr_n[0]以及Scr_(n-1)[0]來產生第一受擾中間值流Sy_n[2：0]，其算式如下：Sy_n[0]=Scr_n[0]

Sy_n[1]=g(Scr_n[0])=Scr_n[3]^Scr_n[8]

Sy_n[2]=g²(Scr_n[o])=Scr_n[6]^Scr_n[16]

將上述三式全部的下標n替換成(n-1)，則可得到Sy_(n-1)[2：0]。

資料攪亂器114在產生第一受擾中間值流Sy_n[2：0]後，再利用第一受擾中間值流Sy_n[2：0]與資料攪亂器114所接收的傳送模式信號tx_mode決定第二受擾中間值流Sc_n[5：0]，算式如下所示：

資料攪亂器114在產生第二受擾中間值流Scn[5：0]後，再利用第二受擾中間值流Sc_n[5：0]與資料攪亂器114所接收的傳送致能信號tx_enable以及本地接收器狀態loc_rcvr_status決定六位元受擾資料流Sd_n[5：0]，算式如下所示：

上述之六位元資料流6b_stream[5：0]、第二受擾中間值流Sc_n[5：0]以及六位元受擾資料流Sd_n[5：0]中皆以6個二進制位元為單位，因此均屬於六位元封包流。另外，六位元資料流6b_stream[5：0]、第二受擾中間值流Sc_n[5：0]、六位元受擾資料流Sd_n[5：0]以及傳送致能信號tx_enable均為時序信號，以n表示最新信號，而括弧中之數字(如n-6,n-1)表示與最新信號的時間差。

封包流轉換單元110輸出被擾亂與隨機化過之六位元受擾資料流Sd_n[5：0]，通訊系統100中映射單元120接收六位元受擾資料流Sd_n[5：0]，且六位元受擾資料流Sd_n[5：0]中包含至少一閒符號(IDLE symbol)，每一閒符號包含6個二進制位元，映射單元120對六位元受擾資料流Sd_n[5：0]作進一步之處理，將其映射至多個三進制位元流，以透過纜線將六位元受擾資料流Sd_n[5：0]傳送至遠端通訊裝置。

於一實施例中，映射單元120映射六位元受擾資料流Sd_n[5：0]中資料符號(data symbol)至四個三進制位元流(6B4T)，其對照表如表格1。

映射單元120在映射閒符號至三進制位元流時，根據閒符號的特定位元決定映射至三進制位元流之三進制數值。於一實施例中，映射單元120映射閒符號至三進制位元流時依據的特定位元包含最低有效位元(least significant bit)，亦即，映射單元120根據最低有效位元之二進位值，決定三進制位元流中第一位元流T1之三進位值。

具體而言，於另一實施例中，在最低有效位元為零時，映射單元120決定第一位元流T1之三進位值為零，當最低有效位元為非零時，映射單元決定第一位元流T1之三進位值為非零(1或-1)。透過上述編碼規則，接收端的遠端通訊裝置鎖定所接收線路碼內時脈之效率與正確率均會上升。

在又一實施例中，映射單元120映射閒符號至三進制位元流時依據的特定位元包含第一中間位元與最大有效位元(most significant bit)，映射單元120用以根據第一中間位元與最大有效位元之二進位值，決定三進制位元流中之第二位元流T2之三進位值，具體而言，映射單元120使用六位元受擾資料流Sd_n[5：0]中的Sd_n[3]作為第一中間位元，當第一中間位元和最大有效位元同時為零時，第二位元流T2之三進位值為零，否則第二位元流T2之三進位值為非零。

在又另一實施例中，映射單元120映射閒符號至三進制位元流時依據的特定位元包含第一中間位元與第二中間位元，映射單元120用以根據第一中間位元與第二中間位元之二進位值，決定三進制位元流中之第三位元流T3之三進位值，具體而言，映射單元120使用六位元受擾資料流Sd_n[5：0]中的Sd_n[3]作為第一中間位元，並使用六位元受擾資料流Sd_n[5：0]中的Sd_n[4]作為第二中間位元，當第一中間位元和第二中間位元同時為1時，第三位元流T3之三進位值為零，否則第三位元流T3之三進位值為非零。

於一特定實施例中，映射單元120結合上述所有編碼規則以將二進制的六位元封包流中的閒符號(IDLE symbol)映射至四個三進制位元流(6B4T)，其對照表如表格2。

表格1及表格2中，第一位元流T1~第四位元流T4之編號，係用以區分不同的三進制位元，並非用以限制其順序。亦即表格1及表格2中，T1~T4的欄位可以互相交換。

傳統線路編碼多將自媒體獨立介面接收之四位元封包流轉為三位元封包流，並直接將三位元封包流映射至兩個三進制位元流，但兩個三進制位元之所有數值可能組合數量(3的2次方)僅較三位元封包流中之三個二進制位元之所有數值可能組合數量(2的3次方)多出一個，使得映射時三進制位元之數值組合之選擇有限，使得傳統線路編碼電路欲在三進制位元流中增加符號(如用於標示的定界符)時，沒有足夠的數值組合可選擇，造成所產生三進制位元流中出現連續多個相同的非零三進制值，進而導致嚴重基準線飄移現象。

另一方面，由上述之對照表格1與表格2可知，將二進制的六位元封包流轉為四個三進制位元流時，所有可能的六位元二進制數值組合數量為64個(2的6次方)，而所有可能的四位元三進制數值組合數量為81個(3的4次方)，因此，還剩下17個三進制位元數值組合，但其中{0,0,0,0},{1,1,1,1}以及{-1,-1,-1,-1}中有連續四個相同的三進制值，會造成基準線漂移的問題，因此映射單元120不予使用，剔除上述組合後，剩下14種組合用來作於置於不同封包(packet)之間的定界符(delimiter)。定界符可為起始定界符(start stream delimiter,SSD)、結束定界符(end stream delimiter,ESD)或錯誤結束定界符(error end stream delimiter,ERR_ESD)，第一個用於標示封包的起始，第二個用於標示封包的結束，第三個則是用於標示封包的結束並提示異常狀況之發生。

於一實施例中，映射單元120於三進制位元流中加入定界符，且定界符中所包含連續三個非零三進位值不完全相同，亦即，定界符中不會包含連續三個相同的非零三進位值。因此，根據表2之內容，所有四位元三進位值組合扣除映射閒符號已使用的組合，再扣除連續四個相同三進位值之三進位值組合後，其中{0,1,1,1}和{-1,1,1,1}均有三個連續的1或-1，映射單元120不將上述組合作為定界符。具體而言，於其中一些實施例中，映射單元120使用連續的{1,1,0,0},{1,1,0,0}作為起始定界符，而使用連續的{-1,-1,0,0},{-1,-1,0,0}作為結束定界符，另外使用連續的{1,-1,0,0},{1,-1,0,0}作為錯誤結束定界符。如此一來，可避免接收端遠端通訊裝置發生基準線漂移的問題，成功解讀所傳送之線路碼。

在又一實施例中，傳輸單元130自映射單元120接收已編碼完成的三進制位元流T[3：0](代表T1,T2,T3,T4所組成之三進制位元流)，並以PAM-3編碼方式透過纜線將三進制位元流T[3：0]傳送至遠端通訊裝置。於一實施例中，纜線為一對雙絞線，而傳輸單元130將三進制位元流T[3：0]依照{T1,T2,T3,T4}或{T4,T3,T2,T1}的順序排列，透過該雙絞線傳送至遠端通訊裝置。於另一實施例中，纜線為4對雙絞線，傳輸單元130透過每一雙絞線分別傳送三進制位元流T[3：0]中之一者。

透過先將四位元封包流轉為六位元封包流，再將六位元封包流轉為三進制位元流之作法，通訊系統100於映射六位元封包流至三進制位元流時有較高的彈性，因此可避免所傳送線路碼中有連續相同之位元值，大大改善了基準線飄移的現象，更提升了遠端通訊裝置解讀線路碼之成功率，另外，通訊系統100中的映射單元120更透過編碼規則，使接收端之遠端通訊裝置快速有效率地取得所傳送線路碼中的時脈資訊，進一步達到更佳的通訊品質。實驗數據亦顯示就傳輸資料的功率頻譜密度(power spectral density)而言，採用本揭示內容之技術方案較傳統將三位元二進制轉為二位元三進制的表現更佳。

第2圖依照本揭示內容實施例繪示之一種通訊方法的流程圖。雖然流程圖中對於通訊方法200係以特定順序的步驟來做描述，然此並不限制本發明所提及步驟的前後順序。為了方便及清楚說明，以第1A圖所示的通訊系統100執行通訊方法200為例來進行闡述，但並不以此為限。

首先，通訊系統100由媒體獨立介面接收一四位元封包流，並將四位元封包流轉換為六位元封包流(S210步驟)。

通訊系統100將所得六位元封包流映射至多個三進制位元流，並根據六位元封包流中至少一閒符號中的至少一特定位元，映射閒符號至三進制位元流(S220步驟)。於一實施例中，通訊系統100進行映射時所使用之特定位元包含最低有效位元，通訊系統100根據閒符號中最低有效位元決定三進制位元流中一第一位元流之三進位值。具體而言，當最低有效位元為零時，通訊系統100決定第一位元流之三進位值為零，當最低有效位元為非零時，通訊系統100決定第一位元流之三進位值為非零。

於其他實施例中，通訊系統100進行映射時所使用之特定位元包含第一中間位元和最大有效位元，通訊系統100根據閒符號中第一中間位元和最高有效位元決定三進制位元流中一第二位元流之三進位值。於另一些實施例中，通訊系統100進行映射時所使用之特定位元包含第一中間位元和第二中間位元，通訊系統100根據閒符號中第一中間位元和第二中間位元決定三進制位元流中一第三位元流之三進位值。

透過使用通訊方法200，通訊系統100將六位元封包流中的資料符號和閒符號均映射至三進制位元流，且於一實施例中，三進制位元流之數量為四個，四位元三進制數值組合數量(3的4次方)高於六位元二進制數值組合數量(2的6次方)，增加映射至四位元三進制數值之選擇，提供映射六位元封包流至三進制位元流之彈性。

通訊系統100在三進制位元流中加入定界符(S230步驟)，選用剩餘之三進制位元數值組合不包含三個相同的連續非零三進位值，亦即，通訊系統100所加入之定界符之任三個連續非零三進位值，均不會完全相同。如此一來，可增進基準線漂移之表現，提升資料傳輸正確率。

通訊系統100將六位元封包流映射至三進制位元流後，將三進制位元流透過纜線傳送至遠端通訊裝置(S240步驟)。於一實施例中，通訊系統100使用PAM-3編碼方式傳送三進制位元流。

上述各步驟之實施細節已如前述，此處不再贅述。

本揭示內容所描述通訊系統與通訊方法能改善接收端遠端通訊裝置所經歷之基準線漂移現象，另外，本揭示內容描述之編碼規則包括將六位元封包流轉換為至少四個的三進制位元流以及根據六位元封包流之特定位元決定三進制位元流之三進位值，採用上述編碼規則後，遠端通訊裝置能夠有效率地鎖定線路碼中之時脈資訊，並正確解讀線路碼，使有線網路通訊之錯誤率下降，並提高傳輸效率。

Claims

一種通訊系統，包含：一封包流轉換單元，用以接收一四位元封包流並轉換該四位元封包流為一六位元封包流；一映射單元，用以將該六位元封包流映射至複數個三進制位元流，並根據該六位元封包流中至少一閒符號(IDLE symbols)中的至少一特定位元，映射該至少一閒符號至該些三進制位元流，其中由該至少一閒符號轉換的該些三進制位元流的連續四個三進位值不完全相同，其中該映射單元於該些三進制位元流中加入至少一定界符，且該至少一定界符中連續三個非零三進位值不完全相同；以及一傳輸單元，用以將該些三進制位元流透過一纜線傳送至一遠端通訊裝置。
如第1項所述之通訊系統，其中該至少一特定位元包含一最低有效位元，該映射單元用以根據該最低有效位元之二進位值，決定該些三進制位元流中一第一位元流之三進位值。
如第1項所述之通訊系統，其中該至少一特定位元包含一第一中間位元與一最大有效位元，該映射單元用以根據該第一中間位元與該最大有效位元之二進位值，決定該些三進制位元流中之一第二位元流之三進位值。
如第1項所述之通訊系統，其中該至少一特定位元包含一第一中間位元與一第二中間位元，該映射單元用以根據該第一中間位元與該第二中間位元之二進位值，決定該些三進制位元流中之一第三位元流之三進位值。
一種通訊方法，包含：轉換一四位元封包流為一六位元封包流；將該六位元封包流映射至複數個三進制位元流，並根據該六位元封包流中至少一閒符號(IDLE symbols)中的至少一特定位元，映射該至少一閒符號至該些三進制位元流，其中由該至少一閒符號轉換的該些三進制位元流的連續四個三進位值不完全相同；於該些三進制位元流中加入至少一定界符，且該至少一定界符中連續三個非零三進位值不完全相同；以及將該些三進制位元流透過一纜線傳送至一遠端通訊裝置。
如第5項所述之通訊方法，其中根據該至少一特定位元映射該至少一閒符號至該些三進制位元流之步驟包含：根據一最低有效位元之二進位值，決定該些三進制位元流中一第一位元流之三進位值，其中該至少一特定位元包含該最低有效位元。
如第5項所述之通訊方法，其中根據該至少一特定位元映射該至少一閒符號至該些三進制位元流之步驟包含：根據一第一中間位元與一最大有效位元之二進位值，決定該些三進制位元流中之一第二位元流之三進位值，其中該至少一特定位元包含該第一中間位元與該最大有效位元。
如第5項所述之通訊方法，其中根據該至少一特定位元映射該至少一閒符號至該些三進制位元流之步驟包含：根據一第一中間位元與一第二中間位元之二進位值，決定該些三進制位元流中之一第三位元流之三進位值，其中該至少一特定位元包含該第一中間位元與該第二中間位元。