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(gè)可選功能的相關(guān)內(nèi)容，本篇將介紹MultiGABSE-AU物理層PMA子層及PMD子層的相關(guān)機(jī)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(gè)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(huì)按照下圖中的方案，將比特映射為對應(yīng)的符號(hào)。

        當(dāng)G=1時(shí)，Transmit Block會(huì)被映射為195840個(gè)獨(dú)立小組，對應(yīng)符號(hào){-1}和{+1}。

        當(dāng)G=2時(shí)，Transmit Block會(huì)被映射為97920個(gè)2bit小組，對應(yīng)符號(hào){-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(fù)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。

        PMA Receive的時(shí)鐘恢復(fù)包含粗定時(shí)恢復(fù)，時(shí)鐘頻率偏差估計(jì)以及精細(xì)時(shí)鐘恢復(fù)三個(gè)過程：粗定時(shí)恢復(fù)用于與接收Transmit Block的起始進(jìn)行同步，精細(xì)時(shí)鐘恢復(fù)用于輸出穩(wěn)定的恢復(fù)時(shí)鐘，可通過這個(gè)時(shí)鐘從PMD傳輸?shù)男盘?hào)中采樣并接收符號(hào)數(shù)據(jù)。符號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)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(gè)模塊：PHY Tx Control、PHY Rx Control、PHD monitor、Link monitor以及PHY quality monitor，五個(gè)模塊共同定義了從初始化到穩(wěn)定傳輸信號(hào)之間，PHY需要進(jìn)行的工作。以下是五個(gè)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(shí)鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)接收

        ? PHD monitor：PHD恢復(fù)、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(huì)將五個(gè)模塊整合起來，通過上電后的流程進(jìn)行簡要介紹，要注意的是，相同序號(hào)的步驟并不一定在同一時(shí)刻發(fā)生。

        ① 系統(tǒng)上電，PMA子層Reset，所有模塊進(jìn)入初始化階段。

       ② 初始化完成后，PHY Tx control模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)，由于此時(shí)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(hào)：Local Fault，在正式收到link up信號(hào)前，PHY Tx control模塊會(huì)持續(xù)發(fā)送攜帶PHD的Local Fault信號(hào)。

        ③ 在發(fā)送Local Fault信號(hào)的同時(shí)，鏈路伙伴也完成了上述步驟，開始發(fā)送該信號(hào)，因此，PHY Rx control模塊會(huì)接收攜帶了PHD的Local Fault信號(hào)，并進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)。

        ④ 針對收集的數(shù)據(jù)，解析后得到PHD和Payload兩部分，Payload會(huì)在PHY quality monitor模塊中持續(xù)檢測基于符號(hào)噪聲方差估計(jì)的Link Margin，這是一個(gè)持續(xù)檢測的過程。PHD則是在進(jìn)行CRC16校驗(yàn)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(huì)進(jìn)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。

        ⑤ 與此同時(shí)，CRC校驗(yàn)后，PHD monitor模塊還會(huì)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(gè)結(jié)果也會(huì)通過PHD告知鏈路伙伴。

        ⑥ 接下來，PHY Rx control模塊會(huì)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(jì)，至少一次Link Margin大于0可認(rèn)為本地接收狀態(tài)通過。

        ⑦ 檢測到本地接收狀態(tài)通過后，PHY quality monitor模塊會(huì)將這個(gè)結(jié)果通知Link monitor模塊。

        ⑧ Link monitor模塊根據(jù)步驟4和步驟7輸出的遠(yuǎn)程和本地接收狀態(tài)，二者均為OK則進(jìn)入Link UP狀態(tài)，要注意的是，只有二者均為OK才可以進(jìn)入Link UP狀態(tài)，其中一個(gè)出現(xiàn)問題會(huì)退出Link UP。

        ⑨ Link up后，PHY Tx control模塊會(huì)確認(rèn)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(jìn)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(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，802.3cz中定義了PMD子層的三個(gè)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(hào)后，會(huì)根據(jù)TP2節(jié)點(diǎn)的平均光功率進(jìn)行符號(hào)到發(fā)射功率的計(jì)算。PMD Receive收到光信號(hào)后同樣會(huì)根據(jù)接收到的光功率反向計(jì)算出符號(hào)發(fā)送至PMA Receive。

        輸出光功率的計(jì)算公式如下：

        PMD 發(fā)射機(jī)的信號(hào)速率及調(diào)制方式如下圖所示：

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

        Signal detect為FAIL表示沒有收到光信號(hào)，無法發(fā)起鏈路建立，因此在啟用EEE功能時(shí)，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(dāng)滿足所有光學(xué)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(lǐng)域?qū)τ诟邘挕⒌脱舆t、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(shù)，帶來更多的創(chuàng)新和進(jìn)步的同時(shí)，也帶來了更大的挑戰(zhàn)。

        經(jīng)緯恒潤作為OPEN聯(lián)盟會(huì)員和AUTOSAR聯(lián)盟的高級(jí)合作伙伴，長期為國內(nèi)外各大OEM和供應(yīng)商提供涵蓋TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和測試咨詢服務(wù)，積極研發(fā)和探索車載網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)的工程應(yīng)用。通過多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已建立了高質(zhì)量、本土化的設(shè)計(jì)與測試一體化解決方案，為整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供可靠支持。

參考文獻(xiàn)

[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.

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