千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器的製作方法

2023-10-27 18:33:27 3

專利名稱：千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通信技術領域的均衡器，特別是一種基於乙太網幀檢測的802.3ab 1000Base-T千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器。
背景技術：
符合IEEE802.3ab 1000Base-T標準，基於非屏蔽五類雙絞線的千兆乙太網已經日趨成為區域網的主流。為了能夠在與快速乙太網相同的介質上以相當於快速乙太網十倍的速率收發數據，在1000Base-T千兆乙太網中使用了數位訊號處理技術以消除各種串擾，回波與碼間幹擾。並使用了網格編碼調製以進一步提高信噪比，此編碼在無符號間幹擾信道中可以提供6dB的編碼增益。但是在符號間幹擾信道中分立均衡-解碼結構，例如經典的判決反饋均衡器+維特比解碼器性能由於判決反饋均衡器中嚴重的差錯傳播而損失嚴重，而高性能的最大似然序列估計算法硬體複雜度無法接受。為了能夠充分利用網格編碼調製所帶來的性能增益同時兼顧硬體複雜度，在各類1000Base-T千兆乙太網收發器應用普遍使用了並行判決反饋解碼器，預濾波並行判決反饋解碼器等各類聯合均衡解碼器結構。其中Karatsch，E.F.提出的預濾波並行判決反饋解碼器(Karatsch，E.F.and Azadet，K.A 1-Gb/s joint equalizer and trellis decoder for 1000BASE-T Gigabit Ethernet.Solid-State Circuits，IEEE Journal of Volume 36，Issue 3，March 2001 Page(s)374-384)在性能損失很小的情況下具有較小的面積與功耗，因此得到了最為廣泛的應用。
但是，千兆乙太網在非數據傳輸的空閒狀態狀態下，包括幀間，啟動/訓練以及載波擴展下在線上傳輸的三電平編碼都屬於網格編碼的0號子組，因此網格編碼調製解碼器的工作就不再有必要，工作於三電平模式下的經典判決反饋均衡器即可完成均衡並得到超過上述任一聯合均衡解碼器的性能。而現有的技術中並沒有考慮到這一問題，因此在現有的聯合均衡解碼技術基礎之上研究一種在乙太網幀間可以關閉網格編碼解碼器，在必要時才啟動網格編碼解碼部分的聯合均衡解碼器對於降低乙太網收發器的功耗有現實意義。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器。本發明通過設計一類可以適用於預濾波並行判決反饋解碼器的乙太網幀頭檢測與快速初始化結構，在乙太網處於空閒狀態時將預濾波並行判決反饋解碼器的網格編碼解碼相關部分關閉以降低功耗，當探測到乙太網幀頭出現時，即時啟動解碼器全部相關模塊完成數據解碼並在完成幀解碼後的再次將解碼器轉換回低功耗模式。通過這一方式即可大大降低乙太網適配器的功耗。本發明適用於各利用於1000Base-T千兆乙太網或者具有類似傳輸空閒信號特性應用的預濾波並行判決反饋解碼器，不會損失性能，且解碼器硬體複雜度增加很少。
本發明是通過以下技術方案實現的本發明在現有的預濾波並行判決反饋解碼器上添加三個模塊符號檢測模塊、符號裝載模塊以及控制模塊。符號檢測模塊第一輸入端連接原有判決反饋預濾波模塊添加的三電平判決器的判決輸出端，第二輸入端連接到物理編碼子層的解擾信息輸出，符號檢測模塊第一輸出端連接到控制模塊輸出端，第二輸出端連接到符號裝載模塊輸入端，連接到物理編碼子層輸入端；符號檢測模塊將來自判決反饋預濾波模塊的三電平判決信號轉發符號裝載模塊，同時對其完成預解碼並將其發送至物理編碼子層，如果探測到此三電平判決信號非空閒信號則發送消息至控制模塊；控制模塊輸入端連接符號檢測模塊輸出端，輸出端連接至除其自身外預濾波並行判決反饋解碼器的全部原有和新增模塊作為控制信號；如果預濾波並行判決反饋解碼器處於空閒狀態則在接收到非空閒信號消息後控制解碼器啟動的過程，並在物理編碼子層轉入待機或載波擴展模式時下將預濾波並行判決反饋解碼器重新轉入空閒模式；符號裝載模塊輸入端連接至符號檢測模塊輸出端，輸出端連接到加-比較-選擇模塊輸入端；在控制模塊的控制下，符號裝載模塊在啟動過程中向預濾波並行判決反饋解碼器的留存存儲單元中裝入正確數據以設置預濾波並行判決反饋解碼器的正確工作狀態。
所述的符號檢測模塊，處理來自向預濾波並行判決反饋解碼器原有的判決反饋預濾波模塊中所添加的三電平判決器的判決信號，並利用來自物理編碼子層的解擾數據完成快速預解碼並判定其是否處於空閒信號的信號集。對於空閒信號則將其轉發至空閒信號載入模塊的同時將其編碼為4比特並發送至物理編碼子層。當乙太網上所傳輸的信號處於乙太網幀間時，此信號可以完全取代原預濾波並行判決反饋解碼器輸出而沒有任何性能損失。當檢測到非空閒信號時，則通知控制模塊以標誌乙太網幀的開始。
所述的控制模塊，接受符號檢測模塊的輸出作為輸入，同時與物理編碼子層狀態機連接以利用其狀態設定自身工作模式。其輸出控制預濾波並行判決反饋解碼器的其餘部分，包括除其自身以外的全部原有及添加模塊。在控制模塊中為完成控制操作，設定了空閒以及正常兩個模式的標誌位。在空閒模式下，控制模塊將預濾波並行判決反饋解碼器切換至低功耗模式，其所包含的網格編碼解碼器被關閉以節省功耗，此時預濾波並行判決反饋解碼器只對空閒信號完成均衡操作；在正常模式下，則將網格編碼解碼器開啟，此時預濾波並行判決反饋解碼器可以完成其原先設計所要求的傳輸信號的均衡與解碼操作。在空閒模式下，控制模塊通過控制原有留存存儲單元的復位/置位控制電路清除留存存儲單元(預濾波並行判決反饋解碼器的原有組成部分)中的不正確數據，通過原有加-比較-選擇單元的復位/置位控制電路將加-比較-選擇單元(預濾波並行判決反饋解碼器的原有組成部分)置於正確的初始狀態。空閒模式下，控制模塊通過門控時鐘技術切斷預濾波並行判決反饋解碼器中包括一維分支度量單元/四維度量單元/加-比較-選擇單元/留存存儲單元在內的不需要工作部分的時鐘，以進一步降低功耗。當預濾波並行判決反饋解碼器需要從空閒模式轉入正常工作模式時，控制模塊通過對符號裝載模塊以及修改後的預濾波模塊執行一個啟動過程以完成預濾波並行判決反饋解碼器的快速初始化。反之，當物理編碼子層狀態機進入待機模式時，則控制模塊也轉入空閒模式。
所述判決反饋預濾波模塊，將原有判決反饋預濾波模塊的預濾波模式所包含的5電平/3電平雙模式判決器替換為獨立的5電平判決器與3電平判決器，後者的判決直接輸出至符號檢測模塊。在正常模式下，判決反饋預濾波模塊的內部反饋與原先相同，基於5電平判決器的輸出。在空閒模式下，其內部反饋則基於3電平判決器輸出。此種模式下判決反饋預判決器工作於3電平模式，並得到超過預濾波並行判決反饋解碼器理論編碼增益的性能提升，使得其輸出可以取代預濾波並行判決反饋解碼器的輸出而不帶來性能損失。
所述判決反饋預濾波模塊，將原有用於匹配輸出延遲的串行輸入-串行輸出延遲線中前N級被修改為具有並行置位功能的串行輸入-串行輸出延遲線，用於在控制模塊控制之下的啟動過程下將後向符號間幹擾消除工作平滑的從判決反饋預濾波模塊轉移至其後的並行判決反饋解碼器，添加此過程以消除留存存儲單元中錯誤符號的影響。其中N取決於判決反饋預濾波模塊保留的後向符號間幹擾抽頭數M以及符號裝載模塊裝入留存存儲單元的符號數I，並滿足N＝M-I。
所述符號裝載模塊，以轉發自符號檢測模塊的空閒符號作為輸入，並在控制模塊的控制下完成啟動模式下對於留存存儲單元的快速初始化。將正確的數據取代在空閒模式下被凍結的0子組4維分支度量單元輸出信號，用以更新留存存儲單元使解碼器處於正確的初始狀態。這一過程可以減少對判決反饋預濾波模塊的修改。提高裝載的符號數I可減少需要修改為具有並行置位功能的串行輸入-串行輸出延遲線的長度，但一般不超過2。
以1抽頭預濾波並行判決反饋解碼器為例說明本發明的工作過程在初始狀態下乙太網上無數據傳輸，此時在網線上傳輸的是空閒符號。接收端的預濾波並行判決反饋解碼器工作於空閒模式，其網格編碼解碼器被關閉並初始化，判決反饋預濾波模塊工作於三電平判決均衡模式，判決結果被傳送到符號檢測模塊用於監視符號類型，傳送到物理編碼子層以恢復其中包含的控制信息。當發送端開始發送數據時，數據被封裝入乙太網幀進行傳輸。此幀將由SSD1符號開始，由於SSD1符號屬於3電平信號，因此可以被空閒模式下的判決反饋預濾波模塊正確均衡並完成判決。符號檢測模塊利用來自物理編碼子層的解擾信號檢測到此判決不屬於空閒符號。此時符號檢測模塊通知控制模塊完成啟動過程，將預濾波並行判決反饋解碼器轉入正常工作狀態。在這個過程中，並行判決反饋解碼的輸入/輸出以及內部寄存器時鐘被打開；符號裝載模塊在留存模塊的狀態0第一級中裝入來自符號檢測模塊轉發的首個非空閒符號；判決反饋預濾波模塊將內部反饋切換至5電平判決模式，並完成深度為1的延遲線的裝載。此時啟動過程即告完成，解碼器的狀態被正確的設定為0狀態並由此開始進行當前乙太網幀的解碼。待乙太網幀結束後，傳輸符號由乙太網幀尾後重新回到空閒符號。物理編碼子層狀態機檢測到此幀尾回到待機模式，控制模塊檢測到物理編碼子層狀態機的這一狀態變化後也回到空閒模式，關閉並初始化網格編碼解碼器，將判決反饋預濾波模塊切換回三電平判決均衡模式。至此一個乙太網幀的接收結束，回到初始狀態，待下一個乙太網幀開始時重複這一過程。
本發明通過將各類用於千兆乙太網收發器的預濾波並行判決反饋解碼器在空閒時轉入低功耗狀態，並實現了檢測到幀頭出現時預濾波並行判決反饋解碼器的快速啟動，在不損失性能並且不顯著增加硬體複雜度的前提下大幅降低乙太網預濾波並行判決反饋解碼器電路的功耗，對於降低能源消耗並延長行動裝置的電池壽命有著直接的意義。在一個殘留符號間幹擾尾部長度為1的預濾波並行判決反饋解碼器上使用本結構，將其在空閒模式下的功耗降低為使用本結構前的18％，而對於其他參數配置下的預濾波並行判決反饋解碼器，由於本結構直接通過門控時鐘技術關閉解碼器的大部分，其有效性同樣毋庸置疑。本發明可以適用但不限於預濾波並行判決反饋解碼器形式的聯合均衡解碼器。


圖1為現有的預濾波並行判決反饋解碼器結構圖2為本發明系統示意框3為現有的判決反饋預濾波模塊示意框4為應用於本發明，修改後的判決反饋預濾波模塊示意框圖具體實施方式
由於標誌乙太網幀頭的SSD1與SSD2標誌也為3電平編碼但並不屬於空閒編碼信號子集。因此可以利用經典三電平判決反饋均衡器完成對幀間空閒信號的均衡與逐符號判決，並對其完成檢測，若發現非空閒符號時則認為是乙太網幀的開始，此方法的判斷正確率遠高於傳統預濾波並行判決反饋解碼器解碼並通過物理編碼子層檢測的方式，並可有效的防止丟失幀頭的情況下大量誤碼影響自適應信道估計與數字定時恢復。檢測乙太網幀結束則可以物理編碼子層狀態機轉入等待或者載波擴展狀態為標誌。在預濾波並行判決反饋解碼器中，由於判決反饋預濾波模塊的實現中已包含了經典判決反饋均衡器，只需要添加一個3電平判決器用於空閒模式下的逐符號判決即可。預濾波並行判決反饋解碼器的其餘部分可以關閉即可有效的降低功耗，空閒模式下各部分狀態列於表1中。


表1另一方面，由於預濾波並行判決反饋解碼器的留存存儲單元在空閒模式下的更新被全部凍結，因此在重新啟動時會由於處於錯誤的初始狀態而導致錯誤動作。為此需要對判決反饋預濾波模塊做修改，添加3電平模式判決器並為通常的串行輸入串行輸出延遲線添加並行載入功能。
圖1為現有的經典預濾波並行判決反饋解碼器結構。針對不同的工藝在實現中還會採取各種不同的超前計算技術以提高電路的工作頻率，由於對於本發明沒有直接影響因此沒有在圖中標示。
圖2為添加了本發明結構後的預濾波並行判決反饋解碼器，原有的部分以實線表示，虛線部分為本發明所添加的符號檢測模塊、符號裝載模塊以及控制模塊，為了清晰起見所有的門控時鐘邏輯以及復位控制邏輯沒有在圖中標出。為了不至於影響電路的速度，所有的添加邏輯都不處於解碼器的關鍵路徑中，可以防止對預濾波並行判決反饋解碼器操作速度的影響。符號檢測模塊第一輸入端連接原有判決反饋預濾波模塊添加的三電平判決器的判決輸出端，第二輸入端連接到物理編碼子層的解擾信息輸出，符號檢測模塊第一輸出端連接到控制模塊輸出端，第二輸出端連接到符號裝載模塊輸入端，連接到物理編碼子層輸入端；符號檢測模塊將來自判決反饋預濾波模塊的三電平判決信號轉發符號裝載模塊，同時對其完成預解碼並將其發送至物理編碼子層，如果探測到此三電平判決信號非空閒信號則發送消息至控制模塊；控制模塊輸入端連接符號檢測模塊輸出端，輸出端連接至除其自身外預濾波並行判決反饋解碼器的全部原有和新增模塊作為控制信號；符號裝載模塊輸入端連接至符號檢測模塊輸入端，輸出端連接到加-比較-選擇模塊輸入端；由於留存存儲單元在啟動時為空白，因此在啟動開始時所有的符號間幹擾尾部削減工作都需要由判決反饋預濾波模塊完成並隨著留存存儲單元的填充逐漸轉移至並行判決反饋解碼器，為此需要對判決反饋預濾波模塊進行修改。如果在並行判決反饋解碼器開始工作前提前對並行判決反饋解碼器的留存存儲單元裝載入一個正確的符號序列，則對判決反饋預濾波模塊所需要的修改可以進一步的削減。由於SSD1/SSD2必定屬於0號子組B類，因此預裝載模塊只需要針對0狀態的0號子組添加一組2:1選擇器，在啟動過程中即可利用加-比較-選擇單元的0狀態0子組輸入導入來自判決反饋預濾波模塊的空閒信號，其個數等於4維符號的位寬12。理論上可以預知乙太網幀從SSD1開始的8個符號，因此預裝載操作最多可以達到8個符號。但是除了SSD1/SSD2外其餘符號所屬的子組不確定，需要使用判決反饋預濾波模塊的5電平模式解碼器對其完成解碼並通過一個額外的4維分支度量單元完成子組內解碼，需要較大的開銷，並對錯誤幀判定帶來影響。因此我們不建議預裝載超過2個以上符號，但是這麼做依然是允許的。符號預裝載模塊在預裝載超過2個符號時則需要針對所有8個狀態添加裝載邏輯，總計需要96個2:1選擇器。
圖3為現有的判決反饋預濾波模塊結構示意框圖，其中的預測器可以採用直接型/變換型或者混合型有限衝擊響應濾波器結構，圖中為混合型有限衝擊響應濾波器。5/3電平雙模式判決器在訓練時工作於3電平模式，在其餘情況均工作於5電平模式。串行輸入串行輸出移位寄存器延遲線被用於匹配混合型有限衝擊響應濾波器的響應延遲。
圖4為修改後的判決反饋預濾波模塊示意框圖。圖中實線部分表示了通常結構的判決反饋預濾波模塊，在本發明中添加與修改的部分被虛線標示。為了完成後接網格編碼解碼器的正確啟動，添加了一個適用於空閒狀態的3電平判決器，與原有的5電平判決器輸出切換由控制模塊控制，3電平判決器的輸出被直接送至符號檢測模塊與符號裝載模塊。虛線框中原有的串行輸入串行輸出移位寄存器延遲線增加並行加載功能，其裝載操作與時鐘的關閉受到控制邏輯的控制。在空閒模式下其時鐘將被切斷以降低功耗，而啟動過程中控制模塊將控制並行裝載入判決反饋預濾波模塊切換回5電平模式下最後的一組預測信號。通過這種方式將符號間幹擾尾部消除的工作由判決反饋預濾波模塊無縫轉移至後部的並行判決反饋解碼器，即可在不損失性能的前提下完成啟動過程。整個過程中解碼器的工作都不會受到判決反饋預濾波模塊切換回5電平模式後上升的誤碼率以及並行判決反饋解碼器的留存存儲單元中不正確符號的影響。通過預裝載模塊的操作，則並行裝入的長度可以進一步的減少。減少的個數等於留存存儲單元預裝載的符號個數。例如在1抽頭並行判決反饋解碼器中如果預裝載了SSD1符號，2抽頭並行判決反饋解碼器中預裝載了SSD1/SSD2符號則那麼判決反饋預濾波模塊的延遲線就不需要修改。
權利要求
1.一種千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器，其特徵在於在現有的預濾波並行判決反饋解碼器上添加三個模塊符號檢測模塊、符號裝載模塊以及控制模塊，符號檢測模塊第一輸入端連接原有判決反饋預濾波模塊添加的三電平判決器的判決輸出端，第二輸入端連接到物理編碼子層的解擾信息輸出，符號檢測模塊第一輸出端連接到控制模塊輸出端，第二輸出端連接到符號裝載模塊輸入端，連接到物理編碼子層輸入端，符號檢測模塊將來自判決反饋預濾波模塊的三電平判決信號轉發符號裝載模塊，同時對其完成預解碼並將其發送至物理編碼子層，如果探測到此三電平判決信號非空閒信號則發送消息至控制模塊；控制模塊輸入端連接符號檢測模塊輸出端，輸出端連接至除其自身外預濾波並行判決反饋解碼器的全部原有和新增模塊作為控制信號，如果預濾波並行判決反饋解碼器處於空閒狀態則在接收到非空閒信號消息後控制解碼器啟動的過程，並在物理編碼子層轉入待機或載波擴展模式時下將預濾波並行判決反饋解碼器重新轉入空閒模式；符號裝載模塊輸入端連接至符號檢測模塊輸出端，輸出端連接到加-比較-選擇模塊輸入端，在控制模塊的控制下，符號裝載模塊在啟動過程中向預濾波並行判決反饋解碼器的留存存儲單元中裝入正確數據以設置預濾波並行判決反饋解碼器的正確工作狀態。
2.如權利要求1所述的千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器，其特徵是所述的符號檢測模塊，處理來自向預濾波並行判決反饋解碼器原有的判決反饋預濾波模塊中所添加的三電平判決器的判決信號，並利用來自物理編碼子層的解擾數據完成快速預解碼並判定其是否處於空閒信號的信號集，對於空閒信號則將其轉發至空閒信號載入模塊的同時將其編碼為4比特並發送至物理編碼子層，當乙太網上所傳輸的信號處於乙太網幀間時，此信號能完全取代原預濾波並行判決反饋解碼器輸出而沒有任何性能損失，當檢測到非空閒信號時，則通知控制模塊以標誌乙太網幀的開始。
3.如權利要求1所述的千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器，其特徵是所述的控制模塊，接受符號檢測模塊的輸出作為輸入，同時與物理編碼子層狀態機連接以利用其狀態設定自身工作模式，其輸出控制預濾波並行判決反饋解碼器除控制模塊自身以外的全部原有及添加模塊，在控制模塊中為完成控制操作，設定了空閒以及正常兩個模式的標誌位。
4.如權利要求3所述的千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器，其特徵是所述的控制模塊，在空閒模式下，控制模塊將預濾波並行判決反饋解碼器切換至低功耗模式，其所包含的網格編碼解碼器被關閉，此時預濾波並行判決反饋解碼器只對空閒信號完成均衡操作；在正常模式下，則將網格編碼解碼器開啟，此時預濾波並行判決反饋解碼器完成其原先設計所要求的傳輸信號的均衡與解碼操作；在空閒模式下，控制模塊通過控制原有留存存儲單元的復位/置位控制電路清除留存存儲單元中的不正確數據，通過原有加-比較-選擇單元的復位/置位控制電路將加-比較-選擇單元置於正確的初始狀態；空閒模式下，控制模塊通過門控時鐘技術切斷預濾波並行判決反饋解碼器中包括一維分支度量單元/四維度量單元/加-比較-選擇單元/留存存儲單元在內的不需要工作部分的時鐘；當預濾波並行判決反饋解碼器需要從空閒模式轉入正常工作模式時，控制模塊通過對符號裝載模塊以及修改後的預濾波模塊執行一個啟動過程以完成預濾波並行判決反饋解碼器的快速初始化，反之，當物理編碼子層狀態機進入待機模式時，則控制模塊也轉入空閒模式。
5.如權利要求1所述的千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器，其特徵是所述的符號裝載模塊，以轉發自符號檢測模塊的空閒符號作為輸入，並在控制模塊的控制下完成啟動模式下對於留存存儲單元的快速初始化，將正確的數據取代在空閒模式下被凍結的0子組4維分支度量單元輸出信號，用以更新留存存儲單元使解碼器處於正確的初始狀態。
6.如權利要求1所述的千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器，其特徵是所述的判決反饋預濾波模塊，將原有判決反饋預濾波模塊的預濾波模式所包含的5電平/3電平雙模式判決器替換為獨立的5電平判決器與3電平判決器，後者的判決直接輸出至符號檢測模塊，在正常模式下，判決反饋預濾波模塊的內部反饋與原先相同，基於5電平判決器的輸出；在空閒模式下，其內部反饋則基於3電平判決器輸出，此種模式下判決反饋預判決器工作於3電平模式，並得到超過預濾波並行判決反饋解碼器理論編碼增益的性能提升，使得其輸出能取代預濾波並行判決反饋解碼器的輸出而不帶來性能損失。
7.如權利要求1或者6所述的千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器，其特徵是所述的判決反饋預濾波模塊，將原有用於匹配輸出延遲的串行輸入-串行輸出延遲線被修改為具有並行置位功能的串行輸入-串行輸出延遲線，用於在控制模塊控制之下的啟動過程下將後向符號間幹擾消除工作平滑的從判決反饋預濾波模塊轉移至其後的並行判決反饋解碼器，添加此過程以消除留存存儲單元中錯誤符號的影響。
全文摘要
一種通信技術領域的千兆乙太網低功耗聯合均衡解碼器。本發明在現有的預濾波並行判決反饋解碼器上添加三個模塊符號檢測模塊、符號裝載模塊以及控制模塊。在乙太網處於空閒狀態時將預濾波並行判決反饋解碼器的網格編碼解碼相關部分關閉以降低功耗，當探測到乙太網幀頭出現時，即時啟動解碼器全部相關模塊完成數據解碼並在完成幀解碼後的再次將解碼器轉換回低功耗模式。通過這一方式即可大大降低乙太網適配器的功耗。本發明適用於各利用於1000Base－T千兆乙太網或者具有類似傳輸空閒信號特性應用的預濾波並行判決反饋解碼器，不會損失性能，且解碼器硬體複雜度增加很少。
文檔編號H04L25/49GK1913505SQ20061002987
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月10日 優先權日2006年8月10日
發明者諸悅, 戎蒙恬, 劉文江 申請人:上海交通大學