Whitepaper zur Ethernet-PHY-Chip-Technologie

PRODUKTMERKMALE

Verbinden Sie MAC und physische Medien (Kupferkabel/Glasfaser), um eine stabile Netzwerkübertragung zu gewährleisten
1. Signalkonditionierung
Wandeln Sie die von der MAC-Schicht gesendeten parallelen Daten in einen seriellen Bitstrom um und probieren und dekodieren Sie das empfangene analoge Signal, um es in ein digitales Signal wiederherzustellen.

2. Datenkodierung/-dekodierung
Kompensieren Sie die Dämpfung von Hochfrequenzsignalen in Fernkabeln, beseitigen Sie Intersymbolinterferenzen (ISI) und stellen Sie die Signalwellenform wieder her.

3. Physische Medienschnittstelle
Twisted Pair + Glasfaser + Backplane; integrierter ESD-Schutz und Gleichtaktunterdrückung;

4. Energieverwaltung und Diagnose
Schließen Sie ungenutzte Transceiver-Kanäle im Leerlauf, und der Stromverbrauch kann im Energiesparmodus um 70 % reduziert werden; Es hat die Funktion, Kabelunterbrechungen/Kurzschlüsse/Impedanzanomalien zu erkennen und den Verbindungsstatus zu lesen.

5. Linkverhandlung An den Tarif anpassen
Verhandeln Sie mit dem Peer-Gerät über FLP (Fast Link Pulse) die optimale Rate (10/100/1000 Mbit/s) und stellen Sie schnell eine erneute Verbindung her;

Signalaufbereitung/Datenkodierung und -dekodierung

1. Notwendigkeit der Signalkonditionierung
·Anpassung der Signalamplitude: Signalverstärkung für eine einfache Erfassung;·Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses: Beseitigung von Rauschinterferenzen elektrischer Signale;·Signalumwandlung: Realisierung der Signalumwandlung durch funktionale Beziehung, was für die Beobachtung erforderlicher Parameter praktisch ist;·Erfüllung der Geräteanforderungen: Signalanpassung;·Erzielung einer Fernübertragung: Anti-Interferenz bei der Fernübertragung;·Schutz der Ausrüstung: Schutz der Back-End-Ausrüstung bei der Messung von Hochspannungssignalen;

2. Signalkonditionierungsprozess (anwendbar für die meisten Fernkommunikationen)
Signalverstärkung -> Filterung -> Signalumwandlung -> Linearisierung -> Isolationsschutz -> Modulation und Demodulation -> Pegelanpassung;


STRUKTURDIAGRAMM

PHY-Chip
Der PHY-Chip (Physical Layer) ist die Kernkomponente der physikalischen Schicht und für das Senden und Empfangen von Ethernet-Signalen verantwortlich. Zu den Hauptfunktionen gehören:
• Signalumwandlung: Wandelt digitale Signale in analoge Signale um, die für die Netzwerkkabelübertragung geeignet sind (Übertragung), und wandelt analoge Signale in digitale Signale um (Empfang).
• Elektrischer Schutz: Bietet zusätzliche elektrische Isolierung durch den Netzwerktransformator, um den PHY-Chip vor Schäden durch äußere Faktoren wie Blitzeinschläge und elektromagnetische Störungen zu schützen.

Netzwerktransformator
• Signalkopplung und -übertragung: Verbessern und übertragen Sie das vom PHY-Chip ausgegebene Differenzsignal durch Differenzialmoduskopplung an das andere Ende des Netzwerkkabels.
• Elektrische Isolierung: Isolieren Sie den DC-Pegelunterschied zwischen dem PHY-Chip und dem Netzwerkkabel, um zu verhindern, dass der Spannungsunterschied zwischen verschiedenen Geräten das Gerät beschädigt.
• Impedanzanpassung: Stellen Sie die Impedanzanpassung zwischen Signalquelle, Last und Übertragungsleitung sicher, um Signalreflexion und Bitfehler zu reduzieren.
• Unterdrückung elektromagnetischer Störungen: Unterdrückung von Gleichtaktstörungen und Reduzierung elektromagnetischer Störungen durch Gleichtaktdrossel (CMC).


Die oben genannten drei Teile sind nicht unbedingt alle unabhängige Chips. Es gibt hauptsächlich die folgenden Situationen: MAC und PHY sind in die CPU integriert, was schwieriger ist; MAC ist in die CPU integriert und PHY verwendet unabhängige Chips (Mainstream-Lösung); MAC und PHY sind nicht in die CPU integriert und MAC und PHY verwenden unabhängige Chips oder integrierte Chips (High-End-Nutzung);




PARAMETER

1. Bewerten Sie die Unterstützung
• Unterstützter Ratenbereich: Der PHY-Chip muss die von der Zielanwendung benötigte Ethernet-Rate unterstützen, z. B. 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s, 10 Gbit/s usw.;
• Adaptive Ratenaushandlung: Unterstützt die Funktion Auto-Negotiation, die automatisch die beste Rate (z. B. 10/100/1000 Mbit/s) und den besten Duplexmodus (Vollduplex/Halbduplex) entsprechend den Fähigkeiten des Peer-Geräts auswählen kann.

2. Schnittstellenstandard
Der PHY-Chip muss mit der oberen MAC-Schicht kompatibel sein. Zu den gängigen Schnittstellen gehören:
• MII: Gilt für 10/100 Mbit/s Ethernet.
• RMII: Vereinfachte Version von MII mit weniger Pins, geeignet für 10/100 Mbit/s.
• GMII: Unterstützt eine Rate von 1 Gbit/s.
• RGMII: Vereinfachte Version von GMII mit weniger Pins, geeignet für 1 Gbit/s.
• SGMII: Serielle Schnittstelle, geeignet für 1 Gbit/s mit weniger Pins.
• Schnittstelle für physikalische Medien (MDI): Unterstützte physikalische Medientypen, wie z. B. Twisted Pair (BASE-T), Glasfaser (BASE-X), Single Twisted Pair (BASE-T1) usw.

3. Übertragungsentfernung
• Übertragungsentfernung: Wählen Sie einen PHY-Chip aus, der die erforderliche Übertragungsentfernung entsprechend den Anwendungsanforderungen unterstützt. Beispielsweise unterstützt 1000BASE-T (Gigabit-Ethernet) die Twisted-Pair-Übertragung bis zu 100 Meter, während Glasfaser-PHY (wie 1000BASE-LX) längere Entfernungen unterstützen kann.

4. Stromverbrauch
• Stromverbrauchsniveau: Ein stromsparendes Design ist entscheidend für Energieeinsparung und Wärmemanagement, insbesondere bei Geräten mit hoher Dichte (z. B. Schaltern) und mobilen Geräten. Beispielsweise kann ein PHY-Chip, der den EEE-Standard (Energy Efficient Ethernet) unterstützt, den Stromverbrauch im Leerlauf senken.
• Thermisches Design: Berücksichtigen Sie die Wärmeableitungsanforderungen des PHY-Chips, insbesondere in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder Anwendungen mit hoher Dichte.

5. Zuverlässigkeit und Stabilität
• Elektrische Isolierung: Die elektrische Isolierung wird durch einen Netzwerktransformator erreicht, um den PHY-Chip vor Schäden durch äußere Faktoren wie Blitzeinschläge und elektromagnetische Störungen zu schützen.
• Anti-Interferenz-Fähigkeit: PHY-Chips sollten eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) aufweisen und elektromagnetischen Störungen in industriellen Umgebungen standhalten können. Sie sollten beispielsweise Standards wie CISPR 32 und IEC 61000-4-2 entsprechen.
• Betriebstemperaturbereich: PHY-Chips in Industriequalität unterstützen normalerweise einen breiten Temperaturbereich (z. B. -40 °C–85 °C), um sich an raue Umgebungen anzupassen.

6. Sonderfunktionen
• PoE-Unterstützung: Wenn die Anwendung über ein Ethernet-Kabel mit Strom versorgt werden muss (z. B. IP-Kameras, drahtlose Zugangspunkte), müssen Sie einen Chip auswählen, der PoE (IEEE 80) unterstützt
• Diagnosefunktion: Unterstützt Funktionen wie die Erkennung des Verbindungsstatus und die Überwachung der Signalqualität, um die Netzwerkwartung und Fehlerbehebung zu erleichtern. • Sicherheitsfunktionen: In einigen Anwendungen müssen PHY-Chips möglicherweise Sicherheitsfunktionen wie verschlüsselte Kommunikation oder Authentifizierungsfunktionen unterstützen.

ANWENDUNGSSZENARIO


(1) 10/100 Mbit/s PHY
Anwendungsszenarien: Industrielle Steuerung: SPS, Sensornetzwerk (z. B. Modbus TCP) Smart Home: Smart Socket, Low-Power-IoT-Gerät (z. B. Zigbee-Gateway) On-Board-Diagnose: OBD-II-Schnittstelle (100BASE-T1)

(2) 1 Gbit/s PHY
Anwendungsszenarien: Unterhaltungselektronik: 4K-TV, NAS-Speicher Industriekamera: Bildverarbeitung (Echtzeit-Bildübertragung) Unternehmensnetzwerk: Gigabit-Switch, Router

(3) 2,5G/5G PHY (Multi-Gigabit)
Anwendungsszenarien: Industrielle Steuerung: SPS, Sensornetzwerk (z. B. Modbus TCP) Smart Home: Smart Socket, Low-Power-IoT-Gerät (z. B. Zigbee-Gateway) On-Board-Diagnose: OBD-II-Schnittstelle (100BASE-T1)

(4) 10G/25G PHY
Anwendungsszenarien: Rechenzentrum: Serververbindung (SFP+/QSFP28) 5G-Basisstation: Fronthaul-Netzwerk (eCPRI über 25G) Ultrahochauflösende Videoproduktion: 8K-Video-Echtzeitübertragung

(5) 40G/100G und höher PHY
Anwendungsszenarien: KI/Supercomputing-Cluster: GPU/TPU-Verbindung (InfiniBand-Ersatz) Kern-Backbone-Netzwerk: Metropolregionsnetzwerk/Inter-/Rechenzentrumsverbindung Optische Kommunikation: CPRI/OBSAI-Glasfaser-Fronthaul

DESIGN-WAHLEN

(1) MII (Medienunabhängige Schnittstelle)
Rate: 10/100 Mbit/s Anzahl der Pins: 16+ Anwendungsszenarien: Frühe eingebettete Systeme (z. B. ARM9-Industriesteuerplatinen) Design mit geringer Komplexität (externer MAC-Controller erforderlich) Nachteile: Komplexe Verkabelung, nach und nach durch RMII ersetzt

(2) RMII (reduzierter MII)
Rate: 10/100 Mbit/s Anzahl der Pins: 6 (Daten + Takt) Anwendungsszenarien: Kostenempfindliche Geräte (z. B. Heimrouter) Platzsparendes Design (IoT-Module) Vorteile: Vereinfachte Verkabelung, Unterstützung für 50-MHz-Takt

(3) RGMII (Reduziertes Gigabit MII)
Rate: 1 Gbit/s Anzahl der Pins: 12 (Dual-Edge-Sampling) Anwendungsszenarien: Gigabit-Switches, Industrie-Gateways müssen mit dem flexiblen 100M/1G-Design kompatibel sein. Wichtige Punkte: Eine strenge Timing-Steuerung ist erforderlich (±1 ns Abweichungstoleranz).

(4) SGMII (Serial Gigabit MII)

Rate: 1G/2,5 Gbit/sAnzahl der Pins: 2 (Differenzialpaare)Anwendungsszenarien: Board-zu-Board-Verbindung über große Entfernungen (über SerDes)Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen FPGA und PHYAVorteile: starke Entstörung, Unterstützung der Backplane-Übertragung

(5) USXGMII (Ultra Speed MII)

Rate: 10 Gbit/sAnzahl der Pins: 4 (Differenzialpaare)Anwendungsszenarien: Multi-Rate-Switch (10M/100M/1G/10G adaptiv)Leaf-/Spine-Architektur für RechenzentrenEigenschaften: Takt mit geringem Jitter erforderlich (<0,5ps RMS)


VORTEILE
Entsprechende Zuverlässigkeitsstrategien können bei Bedarf angepasst werden
Der Zuverlässigkeitstest des Produkts entspricht strikt den folgenden internationalen Standards:

AEC (Rat für Automobilelektronik)

 JEDEC(Gemeinsamer Rat für Elektronengerätetechnik)

MIL (Militärstandard)

IEC (Internationale Elektrotechnische Kommission)
Um die Produktqualität vollständig sicherzustellen, gewährleisten wir die Produktzuverlässigkeit unter folgenden fünf Gesichtspunkten:
Prozesssicherheit
Zuverlässigkeit des Verpackungsprozesses
Produktzuverlässigkeit
Überwachung der Zuverlässigkeit der Massenproduktion
Fehleranalyse