专利名称：千兆以太网低功耗联合均衡解码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通信技术领域的均衡器，特别是一种基于以太网帧检测的802.3ab 1000Base-T千兆以太网低功耗联合均衡解码器。
背景技术：
符合IEEE802.3ab 1000Base-T标准，基于非屏蔽五类双绞线的千兆以太网已经日趋成为局域网的主流。为了能够在与快速以太网相同的介质上以相当于快速以太网十倍的速率收发数据，在1000Base-T千兆以太网中使用了数字信号处理技术以消除各种串扰，回波与码间干扰。并使用了网格编码调制以进一步提高信噪比，此编码在无符号间干扰信道中可以提供6dB的编码增益。但是在符号间干扰信道中分立均衡-解码结构，例如经典的判决反馈均衡器+维特比解码器性能由于判决反馈均衡器中严重的差错传播而损失严重，而高性能的最大似然序列估计算法硬件复杂度无法接受。为了能够充分利用网格编码调制所带来的性能增益同时兼顾硬件复杂度，在各类1000Base-T千兆以太网收发器应用普遍使用了并行判决反馈解码器，预滤波并行判决反馈解码器等各类联合均衡解码器结构。其中Karatsch，E.F.提出的预滤波并行判决反馈解码器(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)在性能损失很小的情况下具有较小的面积与功耗，因此得到了最为广泛的应用。
但是，千兆以太网在非数据传输的空闲状态状态下，包括帧间，启动/训练以及载波扩展下在线上传输的三电平编码都属于网格编码的0号子组，因此网格编码调制解码器的工作就不再有必要，工作于三电平模式下的经典判决反馈均衡器即可完成均衡并得到超过上述任一联合均衡解码器的性能。而现有的技术中并没有考虑到这一问题，因此在现有的联合均衡解码技术基础之上研究一种在以太网帧间可以关闭网格编码解码器，在必要时才启动网格编码解码部分的联合均衡解码器对于降低以太网收发器的功耗有现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种千兆以太网低功耗联合均衡解码器。本发明通过设计一类可以适用于预滤波并行判决反馈解码器的以太网帧头检测与快速初始化结构，在以太网处于空闲状态时将预滤波并行判决反馈解码器的网格编码解码相关部分关闭以降低功耗，当探测到以太网帧头出现时，即时启动解码器全部相关模块完成数据解码并在完成帧解码后的再次将解码器转换回低功耗模式。通过这一方式即可大大降低以太网适配器的功耗。本发明适用于各利用于1000Base-T千兆以太网或者具有类似传输空闲信号特性应用的预滤波并行判决反馈解码器，不会损失性能，且解码器硬件复杂度增加很少。
本发明是通过以下技术方案实现的本发明在现有的预滤波并行判决反馈解码器上添加三个模块符号检测模块、符号装载模块以及控制模块。符号检测模块第一输入端连接原有判决反馈预滤波模块添加的三电平判决器的判决输出端，第二输入端连接到物理编码子层的解扰信息输出，符号检测模块第一输出端连接到控制模块输出端，第二输出端连接到符号装载模块输入端，连接到物理编码子层输入端；符号检测模块将来自判决反馈预滤波模块的三电平判决信号转发符号装载模块，同时对其完成预解码并将其发送至物理编码子层，如果探测到此三电平判决信号非空闲信号则发送消息至控制模块；控制模块输入端连接符号检测模块输出端，输出端连接至除其自身外预滤波并行判决反馈解码器的全部原有和新增模块作为控制信号；如果预滤波并行判决反馈解码器处于空闲状态则在接收到非空闲信号消息后控制解码器启动的过程，并在物理编码子层转入待机或载波扩展模式时下将预滤波并行判决反馈解码器重新转入空闲模式；符号装载模块输入端连接至符号检测模块输出端，输出端连接到加-比较-选择模块输入端；在控制模块的控制下，符号装载模块在启动过程中向预滤波并行判决反馈解码器的留存存储单元中装入正确数据以设置预滤波并行判决反馈解码器的正确工作状态。
所述的符号检测模块，处理来自向预滤波并行判决反馈解码器原有的判决反馈预滤波模块中所添加的三电平判决器的判决信号，并利用来自物理编码子层的解扰数据完成快速预解码并判定其是否处于空闲信号的信号集。对于空闲信号则将其转发至空闲信号载入模块的同时将其编码为4比特并发送至物理编码子层。当以太网上所传输的信号处于以太网帧间时，此信号可以完全取代原预滤波并行判决反馈解码器输出而没有任何性能损失。当检测到非空闲信号时，则通知控制模块以标志以太网帧的开始。
所述的控制模块，接受符号检测模块的输出作为输入，同时与物理编码子层状态机连接以利用其状态设定自身工作模式。其输出控制预滤波并行判决反馈解码器的其余部分，包括除其自身以外的全部原有及添加模块。在控制模块中为完成控制操作，设定了空闲以及正常两个模式的标志位。在空闲模式下，控制模块将预滤波并行判决反馈解码器切换至低功耗模式，其所包含的网格编码解码器被关闭以节省功耗，此时预滤波并行判决反馈解码器只对空闲信号完成均衡操作；在正常模式下，则将网格编码解码器开启，此时预滤波并行判决反馈解码器可以完成其原先设计所要求的传输信号的均衡与解码操作。在空闲模式下，控制模块通过控制原有留存存储单元的复位/置位控制电路清除留存存储单元(预滤波并行判决反馈解码器的原有组成部分)中的不正确数据，通过原有加-比较-选择单元的复位/置位控制电路将加-比较-选择单元(预滤波并行判决反馈解码器的原有组成部分)置于正确的初始状态。空闲模式下，控制模块通过门控时钟技术切断预滤波并行判决反馈解码器中包括一维分支度量单元/四维度量单元/加-比较-选择单元/留存存储单元在内的不需要工作部分的时钟，以进一步降低功耗。当预滤波并行判决反馈解码器需要从空闲模式转入正常工作模式时，控制模块通过对符号装载模块以及修改后的预滤波模块执行一个启动过程以完成预滤波并行判决反馈解码器的快速初始化。反之，当物理编码子层状态机进入待机模式时，则控制模块也转入空闲模式。
所述判决反馈预滤波模块，将原有判决反馈预滤波模块的预滤波模式所包含的5电平/3电平双模式判决器替换为独立的5电平判决器与3电平判决器，后者的判决直接输出至符号检测模块。在正常模式下，判决反馈预滤波模块的内部反馈与原先相同，基于5电平判决器的输出。在空闲模式下，其内部反馈则基于3电平判决器输出。此种模式下判决反馈预判决器工作于3电平模式，并得到超过预滤波并行判决反馈解码器理论编码增益的性能提升，使得其输出可以取代预滤波并行判决反馈解码器的输出而不带来性能损失。
所述判决反馈预滤波模块，将原有用于匹配输出延迟的串行输入-串行输出延迟线中前N级被修改为具有并行置位功能的串行输入-串行输出延迟线，用于在控制模块控制之下的启动过程下将后向符号间干扰消除工作平滑的从判决反馈预滤波模块转移至其后的并行判决反馈解码器，添加此过程以消除留存存储单元中错误符号的影响。其中N取决于判决反馈预滤波模块保留的后向符号间干扰抽头数M以及符号装载模块装入留存存储单元的符号数I，并满足N＝M-I。
所述符号装载模块，以转发自符号检测模块的空闲符号作为输入，并在控制模块的控制下完成启动模式下对于留存存储单元的快速初始化。将正确的数据取代在空闲模式下被冻结的0子组4维分支度量单元输出信号，用以更新留存存储单元使解码器处于正确的初始状态。这一过程可以减少对判决反馈预滤波模块的修改。提高装载的符号数I可减少需要修改为具有并行置位功能的串行输入-串行输出延迟线的长度，但一般不超过2。
以1抽头预滤波并行判决反馈解码器为例说明本发明的工作过程在初始状态下以太网上无数据传输，此时在网线上传输的是空闲符号。接收端的预滤波并行判决反馈解码器工作于空闲模式，其网格编码解码器被关闭并初始化，判决反馈预滤波模块工作于三电平判决均衡模式，判决结果被传送到符号检测模块用于监视符号类型，传送到物理编码子层以恢复其中包含的控制信息。当发送端开始发送数据时，数据被封装入以太网帧进行传输。此帧将由SSD1符号开始，由于SSD1符号属于3电平信号，因此可以被空闲模式下的判决反馈预滤波模块正确均衡并完成判决。符号检测模块利用来自物理编码子层的解扰信号检测到此判决不属于空闲符号。此时符号检测模块通知控制模块完成启动过程，将预滤波并行判决反馈解码器转入正常工作状态。在这个过程中，并行判决反馈解码的输入/输出以及内部寄存器时钟被打开；符号装载模块在留存模块的状态0第一级中装入来自符号检测模块转发的首个非空闲符号；判决反馈预滤波模块将内部反馈切换至5电平判决模式，并完成深度为1的延迟线的装载。此时启动过程即告完成，解码器的状态被正确的设定为0状态并由此开始进行当前以太网帧的解码。待以太网帧结束后，传输符号由以太网帧尾后重新回到空闲符号。物理编码子层状态机检测到此帧尾回到待机模式，控制模块检测到物理编码子层状态机的这一状态变化后也回到空闲模式，关闭并初始化网格编码解码器，将判决反馈预滤波模块切换回三电平判决均衡模式。至此一个以太网帧的接收结束，回到初始状态，待下一个以太网帧开始时重复这一过程。
本发明通过将各类用于千兆以太网收发器的预滤波并行判决反馈解码器在空闲时转入低功耗状态，并实现了检测到帧头出现时预滤波并行判决反馈解码器的快速启动，在不损失性能并且不显著增加硬件复杂度的前提下大幅降低以太网预滤波并行判决反馈解码器电路的功耗，对于降低能源消耗并延长移动设备的电池寿命有着直接的意义。在一个残留符号间干扰尾部长度为1的预滤波并行判决反馈解码器上使用本结构，将其在空闲模式下的功耗降低为使用本结构前的18％，而对于其他参数配置下的预滤波并行判决反馈解码器，由于本结构直接通过门控时钟技术关闭解码器的大部分，其有效性同样毋庸置疑。本发明可以适用但不限于预滤波并行判决反馈解码器形式的联合均衡解码器。
图1为现有的预滤波并行判决反馈解码器结构图2为本发明系统示意框3为现有的判决反馈预滤波模块示意框4为应用于本发明，修改后的判决反馈预滤波模块示意框图具体实施方式
由于标志以太网帧头的SSD1与SSD2标志也为3电平编码但并不属于空闲编码信号子集。因此可以利用经典三电平判决反馈均衡器完成对帧间空闲信号的均衡与逐符号判决，并对其完成检测，若发现非空闲符号时则认为是以太网帧的开始，此方法的判断正确率远高于传统预滤波并行判决反馈解码器解码并通过物理编码子层检测的方式，并可有效的防止丢失帧头的情况下大量误码影响自适应信道估计与数字定时恢复。检测以太网帧结束则可以物理编码子层状态机转入等待或者载波扩展状态为标志。在预滤波并行判决反馈解码器中，由于判决反馈预滤波模块的实现中已包含了经典判决反馈均衡器，只需要添加一个3电平判决器用于空闲模式下的逐符号判决即可。预滤波并行判决反馈解码器的其余部分可以关闭即可有效的降低功耗，空闲模式下各部分状态列于表1中。
表1另一方面，由于预滤波并行判决反馈解码器的留存存储单元在空闲模式下的更新被全部冻结，因此在重新启动时会由于处于错误的初始状态而导致错误动作。为此需要对判决反馈预滤波模块做修改，添加3电平模式判决器并为通常的串行输入串行输出延迟线添加并行载入功能。
图1为现有的经典预滤波并行判决反馈解码器结构。针对不同的工艺在实现中还会采取各种不同的超前计算技术以提高电路的工作频率，由于对于本发明没有直接影响因此没有在图中标示。
图2为添加了本发明结构后的预滤波并行判决反馈解码器，原有的部分以实线表示，虚线部分为本发明所添加的符号检测模块、符号装载模块以及控制模块，为了清晰起见所有的门控时钟逻辑以及复位控制逻辑没有在图中标出。为了不至于影响电路的速度，所有的添加逻辑都不处于解码器的关键路径中，可以防止对预滤波并行判决反馈解码器操作速度的影响。符号检测模块第一输入端连接原有判决反馈预滤波模块添加的三电平判决器的判决输出端，第二输入端连接到物理编码子层的解扰信息输出，符号检测模块第一输出端连接到控制模块输出端，第二输出端连接到符号装载模块输入端，连接到物理编码子层输入端；符号检测模块将来自判决反馈预滤波模块的三电平判决信号转发符号装载模块，同时对其完成预解码并将其发送至物理编码子层，如果探测到此三电平判决信号非空闲信号则发送消息至控制模块；控制模块输入端连接符号检测模块输出端，输出端连接至除其自身外预滤波并行判决反馈解码器的全部原有和新增模块作为控制信号；符号装载模块输入端连接至符号检测模块输入端，输出端连接到加-比较-选择模块输入端；由于留存存储单元在启动时为空白，因此在启动开始时所有的符号间干扰尾部削减工作都需要由判决反馈预滤波模块完成并随着留存存储单元的填充逐渐转移至并行判决反馈解码器，为此需要对判决反馈预滤波模块进行修改。如果在并行判决反馈解码器开始工作前提前对并行判决反馈解码器的留存存储单元装载入一个正确的符号序列，则对判决反馈预滤波模块所需要的修改可以进一步的削减。由于SSD1/SSD2必定属于0号子组B类，因此预装载模块只需要针对0状态的0号子组添加一组2:1选择器，在启动过程中即可利用加-比较-选择单元的0状态0子组输入导入来自判决反馈预滤波模块的空闲信号，其个数等于4维符号的位宽12。理论上可以预知以太网帧从SSD1开始的8个符号，因此预装载操作最多可以达到8个符号。但是除了SSD1/SSD2外其余符号所属的子组不确定，需要使用判决反馈预滤波模块的5电平模式解码器对其完成解码并通过一个额外的4维分支度量单元完成子组内解码，需要较大的开销，并对错误帧判定带来影响。因此我们不建议预装载超过2个以上符号，但是这么做依然是允许的。符号预装载模块在预装载超过2个符号时则需要针对所有8个状态添加装载逻辑，总计需要96个2:1选择器。
图3为现有的判决反馈预滤波模块结构示意框图，其中的预测器可以采用直接型/变换型或者混合型有限冲击响应滤波器结构，图中为混合型有限冲击响应滤波器。5/3电平双模式判决器在训练时工作于3电平模式，在其余情况均工作于5电平模式。串行输入串行输出移位寄存器延迟线被用于匹配混合型有限冲击响应滤波器的响应延迟。
图4为修改后的判决反馈预滤波模块示意框图。图中实线部分表示了通常结构的判决反馈预滤波模块，在本发明中添加与修改的部分被虚线标示。为了完成后接网格编码解码器的正确启动，添加了一个适用于空闲状态的3电平判决器，与原有的5电平判决器输出切换由控制模块控制，3电平判决器的输出被直接送至符号检测模块与符号装载模块。虚线框中原有的串行输入串行输出移位寄存器延迟线增加并行加载功能，其装载操作与时钟的关闭受到控制逻辑的控制。在空闲模式下其时钟将被切断以降低功耗，而启动过程中控制模块将控制并行装载入判决反馈预滤波模块切换回5电平模式下最后的一组预测信号。通过这种方式将符号间干扰尾部消除的工作由判决反馈预滤波模块无缝转移至后部的并行判决反馈解码器，即可在不损失性能的前提下完成启动过程。整个过程中解码器的工作都不会受到判决反馈预滤波模块切换回5电平模式后上升的误码率以及并行判决反馈解码器的留存存储单元中不正确符号的影响。通过预装载模块的操作，则并行装入的长度可以进一步的减少。减少的个数等于留存存储单元预装载的符号个数。例如在1抽头并行判决反馈解码器中如果预装载了SSD1符号，2抽头并行判决反馈解码器中预装载了SSD1/SSD2符号则那么判决反馈预滤波模块的延迟线就不需要修改。
权利要求
1.一种千兆以太网低功耗联合均衡解码器，其特征在于在现有的预滤波并行判决反馈解码器上添加三个模块符号检测模块、符号装载模块以及控制模块，符号检测模块第一输入端连接原有判决反馈预滤波模块添加的三电平判决器的判决输出端，第二输入端连接到物理编码子层的解扰信息输出，符号检测模块第一输出端连接到控制模块输出端，第二输出端连接到符号装载模块输入端，连接到物理编码子层输入端，符号检测模块将来自判决反馈预滤波模块的三电平判决信号转发符号装载模块，同时对其完成预解码并将其发送至物理编码子层，如果探测到此三电平判决信号非空闲信号则发送消息至控制模块；控制模块输入端连接符号检测模块输出端，输出端连接至除其自身外预滤波并行判决反馈解码器的全部原有和新增模块作为控制信号，如果预滤波并行判决反馈解码器处于空闲状态则在接收到非空闲信号消息后控制解码器启动的过程，并在物理编码子层转入待机或载波扩展模式时下将预滤波并行判决反馈解码器重新转入空闲模式；符号装载模块输入端连接至符号检测模块输出端，输出端连接到加-比较-选择模块输入端，在控制模块的控制下，符号装载模块在启动过程中向预滤波并行判决反馈解码器的留存存储单元中装入正确数据以设置预滤波并行判决反馈解码器的正确工作状态。
2.如权利要求1所述的千兆以太网低功耗联合均衡解码器，其特征是所述的符号检测模块，处理来自向预滤波并行判决反馈解码器原有的判决反馈预滤波模块中所添加的三电平判决器的判决信号，并利用来自物理编码子层的解扰数据完成快速预解码并判定其是否处于空闲信号的信号集，对于空闲信号则将其转发至空闲信号载入模块的同时将其编码为4比特并发送至物理编码子层，当以太网上所传输的信号处于以太网帧间时，此信号能完全取代原预滤波并行判决反馈解码器输出而没有任何性能损失，当检测到非空闲信号时，则通知控制模块以标志以太网帧的开始。
3.如权利要求1所述的千兆以太网低功耗联合均衡解码器，其特征是所述的控制模块，接受符号检测模块的输出作为输入，同时与物理编码子层状态机连接以利用其状态设定自身工作模式，其输出控制预滤波并行判决反馈解码器除控制模块自身以外的全部原有及添加模块，在控制模块中为完成控制操作，设定了空闲以及正常两个模式的标志位。
4.如权利要求3所述的千兆以太网低功耗联合均衡解码器，其特征是所述的控制模块，在空闲模式下，控制模块将预滤波并行判决反馈解码器切换至低功耗模式，其所包含的网格编码解码器被关闭，此时预滤波并行判决反馈解码器只对空闲信号完成均衡操作；在正常模式下，则将网格编码解码器开启，此时预滤波并行判决反馈解码器完成其原先设计所要求的传输信号的均衡与解码操作；在空闲模式下，控制模块通过控制原有留存存储单元的复位/置位控制电路清除留存存储单元中的不正确数据，通过原有加-比较-选择单元的复位/置位控制电路将加-比较-选择单元置于正确的初始状态；空闲模式下，控制模块通过门控时钟技术切断预滤波并行判决反馈解码器中包括一维分支度量单元/四维度量单元/加-比较-选择单元/留存存储单元在内的不需要工作部分的时钟；当预滤波并行判决反馈解码器需要从空闲模式转入正常工作模式时，控制模块通过对符号装载模块以及修改后的预滤波模块执行一个启动过程以完成预滤波并行判决反馈解码器的快速初始化，反之，当物理编码子层状态机进入待机模式时，则控制模块也转入空闲模式。
5.如权利要求1所述的千兆以太网低功耗联合均衡解码器，其特征是所述的符号装载模块，以转发自符号检测模块的空闲符号作为输入，并在控制模块的控制下完成启动模式下对于留存存储单元的快速初始化，将正确的数据取代在空闲模式下被冻结的0子组4维分支度量单元输出信号，用以更新留存存储单元使解码器处于正确的初始状态。
6.如权利要求1所述的千兆以太网低功耗联合均衡解码器，其特征是所述的判决反馈预滤波模块，将原有判决反馈预滤波模块的预滤波模式所包含的5电平/3电平双模式判决器替换为独立的5电平判决器与3电平判决器，后者的判决直接输出至符号检测模块，在正常模式下，判决反馈预滤波模块的内部反馈与原先相同，基于5电平判决器的输出；在空闲模式下，其内部反馈则基于3电平判决器输出，此种模式下判决反馈预判决器工作于3电平模式，并得到超过预滤波并行判决反馈解码器理论编码增益的性能提升，使得其输出能取代预滤波并行判决反馈解码器的输出而不带来性能损失。
7.如权利要求1或者6所述的千兆以太网低功耗联合均衡解码器，其特征是所述的判决反馈预滤波模块，将原有用于匹配输出延迟的串行输入-串行输出延迟线被修改为具有并行置位功能的串行输入-串行输出延迟线，用于在控制模块控制之下的启动过程下将后向符号间干扰消除工作平滑的从判决反馈预滤波模块转移至其后的并行判决反馈解码器，添加此过程以消除留存存储单元中错误符号的影响。
全文摘要
一种通信技术领域的千兆以太网低功耗联合均衡解码器。本发明在现有的预滤波并行判决反馈解码器上添加三个模块符号检测模块、符号装载模块以及控制模块。在以太网处于空闲状态时将预滤波并行判决反馈解码器的网格编码解码相关部分关闭以降低功耗，当探测到以太网帧头出现时，即时启动解码器全部相关模块完成数据解码并在完成帧解码后的再次将解码器转换回低功耗模式。通过这一方式即可大大降低以太网适配器的功耗。本发明适用于各利用于1000Base－T千兆以太网或者具有类似传输空闲信号特性应用的预滤波并行判决反馈解码器，不会损失性能，且解码器硬件复杂度增加很少。
文档编号H04L25/49GK1913505SQ20061002987
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月10日 优先权日2006年8月10日
发明者诸悦, 戎蒙恬, 刘文江 申请人:上海交通大学