实现长距离以太网的新型物理层芯片及其应用方案

长距离以太网(LRE,Long Range Ethernet)技术兼有传统以太网接入的高带宽和ADSL接入的长距离特性。Analogix公司的以太网物理层芯片系列ANX58xx可实现创新的LRE,本文详细描述了该芯片的技术特点,并结合具体的组网实例,重点说明了LRE技术典型的应用方式。

随着现代通信技术、微电子技术、计算机技术、网络技术和多媒体技术的迅速发展,人们对通信业务的需求由原来单一的电话、电视、窄带数据而发展为包括话音、图像、文本、视频和数据的多媒体业务,它主要的特征是需要提供服务质量(QoS)保证、大带宽且实时性要求高。满足这些需求的关键在于“最后一公里”问题。目前已经有很多种“最后一公里”的接入方式,其中主要是LAN和ADSL两种方式。

图1:ANX58xx芯片功能结构。

LAN的接入方式,可以为用户提供10Mbps或100Mbps的数据接入速率,从带宽的角度提供了服务质量保证,因而可为用户提供多媒体业务(如VOD等)所需的带宽。然而,传统的以太网接入技术因为传输距离短(100Mbps速率的数据在5类线上的传输距离不超过100米)造成布线条件苛刻,对于低密度用户群的接入成本过高,造成投资回收困难。

与之相比,ADSL以其较长的接入距离、可利用现有的电话线路、安装简单、性价比好等特点,得到了大范围的应用,大有取代以太网接入成为中国最主流宽带接入方式。但是,随着新业务的不断增长,如IPTV、可视电话、高质量语音、网络游戏等,新业务对带宽的需求不断增大,ADSL的带宽局限性势必成为限制其发展的瓶颈。

硅谷数模半导体公司成功运用DSP均衡、多电平编码调制等各项技术,在全面兼容802.3协议的基础上,克服了传统以太网芯片传输距离短、对传输介质性能要求高的局限,大大拓展了以太网的传输距离。其ANX58xx系列以太网物理层芯片可使传输距离达到10Base-T传输距离达到1,000米,100Base-T传输距离达到300米。同时,经过测试,ANX58xx驱动的以太网信号可在传统的HYA音频电缆上进行收发,10Base-T模式下距离可达900米。这项技术属于一种LRE技术。

LRE技术兼有传统以太网接入的高带宽和ADSL接入的长距离特性,并且对传输信道要求低,为运营商挖掘现有网络的潜力、开展新的增值业务提供了很大的空间。

芯片技术特点

长距离以太网物理层芯片ANX58xx的芯片功能结构如图1所示。

ANX58xx完全兼容IEEE802.3协议的物理层部分。通过符合IEEE802.3协议的自协商机制,ANX58xx可以自动选择10Base-T、100Base-T或100Base-FX的工作速率,可以自动选择全双工或是半双工模式。

在全面兼容IEEE802.3协议自协商机制的基础上,ANX58xx为支持多种长距离传输模式,对现有的自协商机制进行了合理的扩展。ANX58xx利用IEEE802.3协议第28章规定的相关寄存器组中的预留部分,设置相关的控制信息,使得ANX58xx可以自动识别对端设备是否具有长距离传输特性。如果对端设备也支持长距离模式的以太网收发,则双方设备进行自动协商,并根据线缆的长度和质量,自动选择适合的传输模式和通信速率。如果对端设备是普通的以太网收发器,则ANX58xx自动选择与之兼容的工作模式。同时,ANX58xx可在普通以太网收发模式的基础上,将传输距离提高30%。

ANX58xx之所以能够支持如此长距离的数据传输,主要得益于硅谷数模公司将D-PHY 10G系列产品的自适应DSP处理技术和高性能AD/DA成功的引入到以太网物理层传输领域,从而使传输距离得以大幅度延伸。

图2:ANX58xx的两种应用方式。

自适应DSP处理技术:在现有的LAN组网中,10M以上速率的基带信号在3类线、5类线上的数据传输达到200米以上的距离之后,由于线缆对不同频率信号的幅频响应不一致,对高频部分信号衰减大于对低频部分信号的衰减,造成了信号的变形、失真；同时,由于线缆对不同频率信号的相频响应不一致,使得信号码间串扰变得严重。在传输距离超过200米以上时,普通的以太网物理层芯片已经不能正常地接收和恢复信号。ANX58xx在发送端采用了DSP预加重技术,选择合适的数字滤波器,加重了在传输线缆上衰减较大的高频部分信号频谱,相应地,在数据接收端采用了DSP均衡技术,使得ANX58xx能够在更为恶劣的信道环境中正确检测并正确恢复信号。同时,ANX58xx使用的DSP技术具有自适应的功能,可以针对不同信道上的信号特点自动进行训练,自动调整数字滤波器的相关系数,直到达到最佳性能。DSP自适应过程无需用户介入,极大地方便了用户使用。

高性能AD/DA:在1米和1,000米两个不同的距离上,以太网信号在线缆上的衰减程度相差可达20dB以上。要在1到1,000米距离范围内正确收发信号,要求芯片具有优秀的AD/DA性能。硅谷数模拥有的AD技术具有低抖动、高分辨率、大动态范围、高线性度等优势,这一技术在LRE芯片中的使用,大大提升了以太网信号的传输距离。

另外,ANX58xx提供的自动线缆纠错功能使得该产品能够自动识别线缆反接错误,包括发送/接收反接(Auto Crossover)和线缆正负反接(Auto Polarity Correction),并能自动纠正错误,无需用户介入；同时,ANX58xx具备独有的线缆长度计算功能,为用户提供线缆故障检测和定位功能。当线缆出现故障,导致设备不能工作的时候,这一功能可以迅速向用户报告线缆故障的位置,以及可能导致故障的原因,极大地方便了用户地故障定位和排除。在MAC层接口方面,ANX58xx支持RMII、SMII、SS-SMII、DDR-SMII四种缩减管脚的MII接口,用户可以通过相应的管脚配置方便地选择需要的接口形式,以便与各种MAC无缝对接。

应用方式

ANX58xx主要有两种应用方式:长距离以太网设备连接(Direct Connection)和普通以太网设备转换成长距离连接(Converter Connection)。图2表示了这两种典型的应用方式:ANX5808既可提供8端口LRE PHY功能,也可提供2端口LRE PHY功能,或者4对LRE到普通以太网转换功能。

长距离以太网设备连接应用:这种方式是直接在通信设备中集成ANX58xx芯片,以实现通信设备间长距离以太网连接。典型的通信设备包括局端以太网交换机和客户以太网接入交换机/网卡。ANX5808提供8端口LRE PHY,适合在局端以太网交换机中集成使用,ANX5802/ANX5801提供2/1端口LRE PHY,适合在客户以太网接入交换机/网卡中集成使用。

图3:LRE居民小区宽带接入方案。

普通以太网设备转换成长距离连接应用:这种方式适用于普通以太网设备之间的长距离连接,以保护已有通信设备的投资。ANX5802可以工作在两种工作模式:一种是与MAC连接提供LRE PHY功能,一种是提供4路中继器功能。当ANX5802工作在中继器模式时,可以让数据在普通以太网端口和LRE端口间双向转换传递。通过增加LRE中继器,可以实现普通以太网设备的长距离连接。当然,通过中继器,也可以直接将普通以太网设备与具备LRE功能的以太网设备连接起来。

ANX58xx主要可以应用于以下方面:以太网交换机、家庭多媒体网关、10/100M网卡、以太网监控设备、工业以太网设备。

应用实例

ANX58xx系列芯片可以在多种组网方式中得到广泛应用。图3显示了LRE居民小区宽带接入方案。

此方案具有以下特点:

1. 简化了布线结构,节约了布线成本,长距离的传输特性解决了楼宇交换机或集线器到小区头端交换机的级联问题。

2. 节省了设备投入,采用LRE PHY的交换机或集线器代替了高成本的VDSL Modem或光电转换器。

3. 网络结构、协议和管理简化。避免了xDSL传输协议到以太网协议的转换,全程全网以太网协议,认证、计费、管理可采用简单可靠和低成本的解决方案,用户使用更简单方便。

4. 网络扩容灵活。对于小区网络建成初期,用户不多、分散的特点,可以通过LRE 中继器方式,LRE直接到用户,节省初期的楼宇交换设备投入,有利于资金的快速回笼。

作者:吴小军

Email:xwu@(暂不可见)

张剑年

应用工程师

Email:jnzhang@(暂不可见)

硅谷数模半导体(中国)有限公司

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