物理层

物理介质相关子层
• 1 数据流的扰码器/解扰器 通常，数字传输系统的鲁棒性 （Robustness）依赖于数字信号源的统计特 性。例如，接收时钟是从接收数据提取得来 的，长串“0”和“1”可能引起同步的丢失。为了 使定时恢复电路处于同步状态，数据信号必须 包含足够多的跃变沿。 IEEE 802.3u协议允许出现一些重复的数 据图形，这些重复的图形在线路信号的功率频 谱密度分布中出现能量峰值，其不连续的频谱 分量是有害的，必须将其抑制掉。
以太网物理层
器件的结构及原理
主要内容
• • • • 1.物理编码子层； 2.物理介质连接子层； 3.物理介质相关子层； 4.自动协商；
物理层器件的构成
• 物理层包括四个功能层和两个接口层。两个接口 层为物理介质无关接口（MII）和物理介质相关接 口（MDI），在MII的上层是逻辑数据链路层 （DLL），而MDI的下层则直接与传输介质相连。 如下图所示： 物理介质无关接口（MII）
物理编码子层
• PCS发送子层有4B/5B编码，所以在接收端 也必须利用4B/5B译码器进行译码，即将5B 码组映射成4B码字。 • 4B/5B译码器的输入来自解扰器。将5bit码 组变换为4bit的nib，4B/5B译码器应首先 将SSD帧符（/J/K/符号）拆除并用两个4B 数据“5”nib(/5/符号)来代替，对ESD帧 符（/T/R/符号）也需被拆除并用两个4B数 据“0”nib（/I/符号）代替。
物理编码子层
• 1. PCS发送子层 • PCS子层对于100Base-TX信号进行4B/5B编译码、 然后通过PMA、PMD两层的扰码（Scrambled）和 MLT-3编码，将信号变换为62.5MHz的三元数据，再 通过隔离变压器送入双绞线电缆中进行传输。 • PCS发送100Base-TX的数据需要进行4B/5B编码， 即是将4bit数据组成的奈培（nib）变换成由5bit数据 组成的码字。4B/5B编码的目的就是将数据包的起 始符、帧结束、空载与控制功能等符号都编成码组 进行传输。将4B码的nib映射入5B码字的过程是按 IEEE 802.3标准规范进行的。
物理介质相关子层
• 2 .100Base-TX MLT-3编码/译码 • MLT-3线路编码（MLT-3 Line Code）用于 使用电缆介质的快速以太网。MLT-3是一种三 电平双极性编码（+V、0和-V），用两电平之 间的跃变沿来表示“1”，而无跃变沿表示“0”。 这里，MLT-3的最高基频是NRZI的一半。使用 MLT-3编码可使高频频谱能量移向低于30MHz 的边缘区。与NRZI比较，MLT-3编码90%以上的 频谱能量在40MHz以下，而NRZI则在70MHz以 下。这样，在相同数据率下，不要求更宽的带 宽的传输介质。
物理编码子层
• 4B/5B译码表:
符号名称 0 1 2 3 4 5 说明 Data 0 Data 1 Data 2 Data 3 Data 4 Data 5 SYMBOL/5B 11110 01001 10100 10101 01010 01011 HEX/4B 0000 0001 0010 0011 0100 0101
• 2.PMA接收子层 PMA接收子层主要完成下面两个功能： （1）NRZI译码（NRZI Decoding） 即将从PMD子层接收的串行bit流进行NRZI译 码，并将其变换成单极性的二进制数据，然后将其 送入PCS子层。 （2）接收时钟恢复（Receive Clo-ck Recovery） 接收时钟恢复是由PLL完成的，此PLL锁定于从 PMD子层接收的串行数据流上。PLL自动同步于串行 数据流并从中提取时钟，最后将恢复时钟和NRZI译 码后的数据流送到PCS子层。
11011
11100 11101 11111 11000 10001 01101
1101
1110 1百度文库11 0000 0101 0101 0000
R
H …
ESD#2
错误（Halt） 误码（Invalid Codes）
00111
00100 All others
0000
Undefined 0000
物理介质连接子层
物理介质连接子层
• 当PMA接收子层没有检出任何接收信号时，PMA利 用发送时钟作为PLL的参考标准时钟。在100Base-TX 信号情况下，恢复出25MHz的时钟。而在10Base-T 信号时，时钟信号则是2.5MHz。 • PMA接收子层的链路监视功能（Link Moni-toring Function）可以来监视接收时钟PLL。若接收时钟PLL 没有捕获锁定的串行数据流，则产生一个差错信 号。在一般情况下，PMA链路监视功能块连续统计 与其连接的链路状态。若没有检出接收信号或者PLL 误帧，则宣告接收通道差错。
接收状态机则在接收和数据状态判断之间进行转换并 连续这个过程，直到发生下述情况之一时为止： • 数据流结束标帜符（ESD，即/T/R/符号）； • 有差错发生； • 过早结束（空号）。 依据ESD，接收状态机返回到Idle状态时，ESD 并没有被送入MAC/Pepeater接口，因此检测出的差 错将迫使接收状态机宣告接收错，并等待后面符号。 若接收状态机检出过早结束信号，同样也要宣告接 收错，而返回Idle状态。
物理编码子层
• 2. PCS接收子层 PCS接收子层主要完成以下功能： a.串/并变换； b.载波检测； c.4B/5B或Manchester译码； d.码组成帧。 即PCS接收子层状态机连续接收从PMA 来的数据，将其由串行变换为并行，以及 成帧和译码，之后送到MAC/Pepeater接口。
物理编码子层
物理介质连接子层
• 1. PMA发送子层 PMA发送子层（PMA Transmit Sublayer） 从PCS子层接收串行比特流并且将其变换为 NRZI格式，然后将其送入物理介质相关子层 （PMD）。 PMA使用数字锁相环（PLL）合成技术， 从时钟标准接口得到需要发送的时钟脉冲， 并根据标准时钟接口的安排，得到不同的 发送时钟值。
物理介质相关子层
• 这里主要介绍100Base-TX速率下的双绞线对 物理介质相关子层（TP-PMD：Twisted-Pair Physical Media Dependent）的工作原理。按 照ISO/IEC8802-3 、IEEE802.3的标准规范， 100Base-TX TP-PMD具有数据流加密扰码/解 扰和三电平、多跃变沿的MLT-3编译码功能 及对接收信号进行直流恢复和自适应均 衡。
物理编码（PCS）子层
物理介质连接（PMA）子层
物理介质相关（PMD）子层 自动协商（AUTONEG） 物理介质相关接口（MDI）
物理编码子层
• 物理编码子层（PCS）有两个对外接口，一 是与MII对接的接口，二是与PMA对接的接 口。PCS子层遵循ISO/IEC 8802.3和IEEE 802.3标准，功能包括对信号的编译码、收 发处理、管理和控制等。下面以100BaseTX为例来说明PCS子层的工作模式和原理。
6
7 8 9 A B C
Data 6
Data 7 Data 8 Data 9 Data A Data B Data C
01110
01111 10010 10011 10110 10111 1110
0110
0111 1000 1001 1010 1011 1100
D
E F I J K T
Data D
Data E Data F Idle SSD#1 SSD#2 ESD#1
物理介质连接子层
• 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它 的作用是检测输入信号和输出信号的相位 差，并将检测出的相位差信号转换成电压 信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形 成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出 信号的频率实施控制。 参考晶体振 PD LF VCO 荡器
PLL 原理框图
物理介质连接子层
物理介质相关子层
• 利用扰码（Scrambling）技术扩展这些图形从 而抑制掉这些不连续峰值分量达20～25dB。这是因 为在一定周期时间内信号数据的随机性使得数据信 号有均匀功率输出。这样，峰值能量被消除，从而 改善了发送性能。 在发端TP-PMD子层对4B/5B编码信号进行扰 码。扰码器（Scrambler）将普通的NRZI bit流利用 键控、模2加的方法产生一个被扰码的数据流。其 工作过程是：一个11bit的线性反馈移位寄存器的输 入是第11bit和第9bit的模2加，寄存器中至少包含有 一个非零bit，移位寄存器产生的伪随机序列可以与 需要扰码的信号相加，最后得到已扰码的信号。
物理编码子层
• 每个MAC/Repeater帧的前16nib(16×4=64bit) 表示帧前序（Frame Preamble）。PCS将前 两个nib用数据流起始标帜符/J/K/代替，并 在帧结束时加入数据流结束标帜符/T/R/， 用于表示包的结束(ESD:End-of-Stream Delimiter)。4B/5B编码器同样在包之间充满 间隔空信号（Idle Period）。用间隔空（Idle） 符号实现数据流的连续性。编码后的符号 送入后面的扰码器。
物理编码子层
• 4B/5B编码表:
物理编码子层
• PCS发送的子层4B/5B编码，有32种5bit的编码组合， 其中16种5bit组合用于表示原16种nib(4B)编码组合； 另16种5bit组合，IEEE标准定义了6种用于控制使用的 组合，还有10种认为是非法的组合。IEEE定义的6种 控制码组是： a./H/表示一个发送差错； b./I/表示一个IDLE空载； c. /J/和/K/两个码组表示数据流启始标帧符（SSD）； d. /T/和/R/两个码组表示数据流结束标帜符（ESD）。
物理介质连接子层
• 在PMA发送子层需进行NRZI（Non Return to Zero Invertel）编码，这是一种两电平的单极性编 码。电平之间的跃变表示数据“1”，无跃变表示 “0”。 就是说是从电平的一次跃迁，而不是电压 值本身，来代表一个比特1。 非归零反相编码相 对非归零电平编码的优点在于：因为每次遇到比 特1都发生电平跃迁，这能提供一种同步机制。 一串7个比特1会导致7次电平跃迁。 每次跃迁都 使接收方能根据信号的实际到达来对本身时钟进 行重同步调整。
物理介质连接子层
• 根据统计，连续的比特1出现的几率比连续 的比特0出现的几率大，因此对比特 1的连 续串进行同步就在保持整体消息同步上前 进了一大步。编码方式如下图所示：
10 8 6 4 2 0
系列 3
类别 1
类别 2
类别 3
类别 4
系列 1
物理介质连接子层
• PLL（phase locked loop）锁相环。 锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环 （PLL,Phase-Locked Loop）。锁相环的特点是： 利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的 频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输 入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环 跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的 频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电 压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的 相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通 常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器 （LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分组成，锁相环组 成的原理框图如下页图所示：
物理介质相关子层
• 解扰器（Descrambler）的作用是将被扰码 的数据进行解扰，恢复成原NRZI数据信号。 在数据解扰前，应首先实现解扰器同步， 一旦建立了解扰器同步，在给定的期间 内，只要检出足够扰码空载图形“1”的个 数，即在1ms时间内至少应检出25个连续解 扰空信号“1”，就能保持同步状态。若在 1ms时间内没有检出25个连续解扰空信号 “1”，则解扰将失步，而需要重新建立同步 过程。
• PMA与PCS及PMD子层相连，因此必须有两个接口；一 个是到上边PCS子层的接口，另一个是到下边PMD子层 的接口。PMA子层主要功能是：
（1）链路监测（Link Monitoring）；
（2）载波检测（Carrier Dete-cting）； （3）NRZI编/译码（NRZI En-coding/Decoding）； （4）发送时钟合成（Transmit Clock Synthesis）； （5）接收时钟恢复（Receive Clock Recovery）。