贾梅杰     Agere Systems现场应用工程师

　　自从世界上第一个局域网络--ALTO ALOHA网络首次在 1973年5月22日开始运转到现在，我们可以看到在这32年的网络历史长河里，随着网络技术的不断进步，网络设备的体积日益减小，功能却日渐增强，以前的交换机只有5口，8口，现在单板交换机的最大端口数也已经增加到了48个网络接口。网络设备的体积之所以能够减小，这要归功于网络芯片技术的不断进步。现在的网络芯片不但体积越来越小，而且集成度越来越高，芯片的接口也越来越全。如下图：随着生产工艺的不断更新，芯片体积在逐渐变小。
 

　　随着企业和城市家庭用户对高带宽业务需求的增加，现有的10/100兆网络已经无法广泛提供充足且高性价比的带宽资源，因此形成了所谓"带宽瓶颈"。这一瓶颈所产生的结果是，千兆以太网产品来到了市场，它能利用现有的铜线资源，实现更高速度的传输。我们能够从百兆取代十兆的市场看出来，是低成本的百兆物理层传输芯片的出现，带动了百兆网卡，交换机，路由器等迅速占领了这个巨大的快速以太网市场。那么就有这样一个问题摆到了我们的面前，什么时候才是千兆网络市场腾飞的时刻呢？——那就是最便宜的，最低功耗的千兆物理层传输芯片诞生的时候，这将会掀起整个网络市场的一个更新换代的高潮，这必然会是一种崭新的技术革命，它会建立一个千兆以太网的新的成本与功耗的标准。现在世界上有许多著名的以太网厂商都在致力于这方面的研究，所有芯片厂商面临的难题都是一样的，就是如何减少功耗？如何减少噪音干扰？如何降低成本？

　　为了适应这一历史性的更新换代，杰尔系统(Agere Systems)的工程师们潜心研发，一场新的技术革命终于产生了它的结晶——TruePHY超采样体系结构。这种智能体系结构拥有一系列的独特的优势：能够帮助用户降低功耗、优化性能（信噪比）、减少系统总成本。与传统的体系结构相比，其性能更加优良，而且具有可扩展性，最可贵的是将来可以把这种技术迁移到体积更小的半导体器件上。

　　定义，千兆以太网是以125MHz的速度在网线上传输数据，按照传统的做法千兆数据的收发是在125MHz频率下采样，取得并处理最大到62.5MHz所对应的信号资源，这个信号对于恢复和探测数据的发送是足够的，但是忽略了更高频率下（>62.5MHz）所对应的有价值的信息。而且，仅仅在125MHz的频率下采样，传统的体系结构如果要使用从62.5MHz 到125MHz这个区域内的数据，就必须工作在模拟区域内。由于从62.5MHz 到125MHz的这个频段的频率较高，尤其是回声和串扰的增加，信号的干扰和衰减就会增大。如果想得到这个模拟区域内的干净的信号，对模拟过滤的需求会大大地增加，同时这个处理过程将会增加收发器的成本。

　　与传统的方式不同，杰尔系统的TruePHY超采样体系结构是在250MHz速度下取得信号，这是传统的速率（125MHz）的两倍。通过在250MHz速度下取信号，这使得收发器可以处理最高到125MHz 的信号，同时能从通信信道里收集到更多的信号能量，使更多的信号能量，复杂模拟传输到数字区域，见图例1。
  

　　对于额外获得的这部分信号资源，TruePHY并不是采用昂贵的模拟处理技术，而是采用了一种独特的数字平衡技术，这种技术可以抵消回声和串扰，可支持多种电缆环境下的高速信号传输。下面以在通信系统中最常见的问题：相位问题为例说明这种技术的原理和实现方法。　

　　为了保证信号的准确性，数字通信接收器中的模拟数字转换器就必须准确地在峰值取得数据，过早或过晚都会造成数据的错误，可是如何保证这个峰值的准确性呢？尤其是千兆网络通讯的速度快，而且是同一根网线中的四对双绞线同时传输工作。网线长度的轻微变化也会对时延造成很大的影响，即使是同一根网线中的四对双绞线的长度稍有不同，都会造成相位偏移，但是这些网线的问题往往是由于生产过程中本身就存在的一种现象，所以我们只有在四个不同的峰值采样。传统的做法是在一个指定的频率处采样，为了确保四个通道都是在峰值的准确位置，通常必须分别用一个时钟电路去同步每一对线的时钟，典型的应用是每一对线都需要一个相位锁存器，或者是一个包含四路输出的锁存器。

　　杰尔系统TruePHY采用自己独特的微小空间均衡器，它可以自动调节信号的峰值，所以就不是必须在信号的确切的峰值位置采样，也同样可以保证信号的准确性，这就大大简化了模拟前端的设计。通过使用微小空间均衡器，每个取样点都是通过均衡器数字计算的，因此传输信号都能够被准确地恢复，所以杰尔系统的这个技术能够提供更高的信噪比和更低的误码率。因为超采样体系结构是以125 MHz的速度工作，所以微小空间均衡器在62.5MHz 时可以采集两倍的数据（与传统方法相比），它会自动平衡优化这些采样信号，从而计算信号的峰值，见图例2。

　　这里我们就来说说TruePHY超采样技术是如何降低生产成本的？我们先来看一些数字，如果一颗芯片的生产工艺是0.18um，它的数字部分和模拟部分的电源消耗几乎是相等的；当工艺更新到0.15um时，数字部分的功耗降低了将近一半，但是模拟部分只降低了大约10%；当工艺发展到0.13um时，数字部分的功耗又降低了一半，可模拟部分只降低了10%—15%。从这些数字我们不难看出目前芯片的电源消耗的降低主要是集中在数字电路方面的，未来我们芯片的主要电源规格是集中在模拟部分的，所以要把功耗降到更低，就必须在模拟部分做文章。怎样减少模拟电路消耗呢？

　　在杰尔系统的TruePHY超采样体系结构里，复杂的模拟前端主要是集中在模拟数字转换部分，实际上通过模拟前端实现的大部分的功能都是数字实现的，而按传统的体系结构仍需要很复杂的模拟电路，超采样体系结构模拟电路比传统的结构少了，功耗也就降下来啦，这就是为什么杰尔系统的以太网产品功耗较低的主要原因。比如杰尔的单口千兆收发器ET1011最大功耗小于750mW,下一个版本将降到500mW。

　　TruePHY还有一个重要的特性就是可扩展性。超采样体系结构显著增加了数字信号处理量，减少了模拟信号和模拟电路的数量，近而减小了晶圆尺寸和功耗，将来能够迁移到体积更小的半导体集成电路上，适合于一些集成度更高的和工艺更新的芯片。例如杰尔系统的ET1081——集成八个千兆口的单芯片的物理层收发器芯片，ET4K——集成48个千兆口的单芯片的交换机解决方案。

　　TruePHY集成了最先进的电缆诊断功能。增强的数字处理和一些特有的高级算法使得这个先进的物理层诊断工具，能够识别远程和本地PHY的故障，以及对损坏或者劣质的电缆，接插线部位和连接器的问题的定位，而且TruePHY专用的诊断图形界面工具能够帮助用户提高测试和售后支持的能力，简化了生产和测试安装的过程，降低了网络设备维护的费用。

　　总之，杰尔系统的千兆以太网解决方案是基于TruePHY的超采样体系结构。其独有的智能体系结构能够帮助用户降低功耗，增强信号的完整性，优化性能（信噪比），抵消回声和串扰，全数字基准漂移纠正，先进的电缆诊断功能，同时还降低了系统总成本。与传统的体系结构相比，其性能更加强大，具有可扩展性，能够提供更强的解决方案。