具体实施方式

本文中描述的实施例提供了改进的以太网物理层(PHY)收发器和相关方法，用于在全双工双向链路(例如，双绞线铜线链路)上进行通信。本文中描述的实施例主要是指非对称链路，其中双向链路的两个方向之间的传输位速率不同。

本文中描述的非对称PHY收发器在例如汽车应用中是有用的，例如从车辆内的传感器收集数据并且还控制和配置传感器的系统。然而，所公开的技术通常适用于涉及非对称链路的各种其他应用，例如在工业和/或智能家居网络以及视频分发系统中。在这些环境中的双向非对称以太网通信的某些方面在以下各项中得到解决：题为“Asymmetric EnergyEfficient Ethernet”的美国专利申请16/419,643；以及题为“Managing BidirectionalCommunication in Constrained Environments”的美国专利申请16/815,299，这些申请已经转让给本专利申请的受让人并且其公开内容通过引用并入本文。

考虑在单个双绞线链路上以全双工方式彼此通信的一对以太网PHY收发器。一个PHY收发器以被称为“低速”(LS)的位速率进行发射并且以被称为“高速”(HS)的位速率进行接收。另一PHY收发器以LS位速率进行发射并且以HS位速率进行接收。在一个典型的示例中，HS位速率为10G位/秒(10Gbps)，并且LS位速率为100Mbps或10Mbps。

在全双工场景中，由两个PHY收发器发射的信号同时存在于双绞线链路上。因此，每个信号的传输可能会干扰另一信号的接收。这种影响被称为“回波”。在本上下文中，回波表示从PHY收发器的发射器发射并且干扰同一PHY收发器的接收器的信号。在给定PHY收发器中，由于各种泄漏或反射机制，回波可能会在各种路径上从发射器传播到接收器。

原则上可以使用回波消除技术来减少这种干扰，但是回波消除通常很复杂并且增加了PHY收发器的成本、尺寸和功耗。另一可能性是为链路的每个方向分配一个单独的频带，频带之间具有适当的频谱分离，并且具有适当的滤波。这种解决方案既复杂又昂贵，并且还降低了可实现的数据吞吐量。

本文中描述的实施例消除了对干扰消除或密集滤波的需要，而是使用发射器侧预编码和接收器侧解码来减少干扰。术语“预编码”表示在调制之前在位级别对输入数据流进行的算术操纵。通常，预编码操作包括将输入数据流的两个或更多个相互延迟的副本逐位相加。例如，在被表示为“1+D”的预编码方案中，发射器将输入数据延迟一位以产生延迟副本，并且将输入数据和延迟副本相加。在被表示为“1-D”的另一预编码方案中，发射器将输入数据延迟一位以产生延迟副本，并且从输入数据中减去延迟副本(或从延迟副本中减去输入数据)。如将在下面示出的，被适当选择的预编码方案具有类似于低通滤波或高通滤波的频谱整形效果，并且因此在干扰抑制中可以是有效的。

在一些实施例中，所公开的PHY收发器中的预编码方案基于LS和HS信号的功率谱来选择。因此，发射LS信号的PHY收发器可以使用与发射HS信号的PHY收发器不同的预编码方案。在示例实施例中，发射LS信号(并且接收HS信号)的PHY收发器应用(1+D)预编码。(1+D)预编码方案对所发射的LS信号的频谱具有低通滤波效应，并且因此减少了可能干扰在PHY收发器中对HS信号的接收的干扰(例如，本地回波)。在另一示例实施例中，发射HS信号(并且接收LS信号)的PHY收发器应用(1-D)预编码。(1-D)预编码操作对所发射的HS信号的频谱具有高通滤波效应，并且因此减少了可能干扰在PHY收发器中对LS信号的接收的干扰。信号谱的模拟示例可以在以上所引用的美国临时专利申请62/893,070中看到，该申请通过引用整体并入本文。

总之，所公开的技术以低成本、小尺寸和低功耗并且以最小性能退化来减少在全双工双向以太网链路中的干扰。描述了示例PHY设备实现。还描述了一种混合配置，其中仅在LS发射器中使用发射器侧预编码，而在LS接收器中应用回波消除。在这种配置中，回波消除操作以LS速率来执行，并且因此仅带来适度开销。

图1是示意性地示出了根据本文中描述的实施例的车用通信系统10的框图。系统10被安装在车辆11中，并且包括多个传感器12、以太网交换机13、多个微控制器(μC)14、中央控制器(CC)15、多个第一类型的以太网物理层(PHY)收发器20(表示为PHY1)、以及多个第二类型的以太网PHY收发器24(表示为PHY1)。

在各种实施例中，传感器28可以包括任何合适类型的传感器。传感器的几个非限制性示例包括摄像机、速度传感器、加速度计、音频传感器、红外传感器、雷达传感器、激光雷达传感器、超声波传感器、测距仪或其他接近传感器等。

在本示例中，每个传感器12连接到相应微控制器14，微控制器14转而连接到相应PHY收发器24。每个传感器12的PHY收发器24通过链路28连接到对等PHY收发器20，该对等PHY收发器20被耦合到交换机13的端口。在给定链路的传感器侧，微控制器14用作媒体访问控制(MAC)控制器。在给定链路的交换机侧，MAC功能由交换机13执行。

车用通信系统10是适用于非对称以太网通信的示例用例。通常，传感器12生成大量数据，这些数据被发送给中央计算机(CC)15以用于分析。在相对的方向上，数据通常包括从CC 15到传感器12的配置数据和低速率控制。在这种情况下，非对称通信提供了对以太网链路28的更好利用。

在图1的实施例中，PHY收发器20(表示为PHYl)以被称为“低速”(LS)的位速率进行发射并且以被称为“高速”(HS)的位速率进行接收。PHY收发器24(表示为PHY2)以“高速”(HS)位速率进行发射并且以“低速”(LS)位速率进行接收。PHY收发器20和24对在双绞铜链路28上相互通信，该双绞铜线28用作全双工线路信道。如图中所见，在一个实施例中，PHY收发器20和24对被布置为使得从传感器12到CC 15的传输以HS位速率来执行，并且从CC 15到传感器12的发射以LS位速率来执行。

在一个实施例中，根据IEEE 802.3ch，HS位速率是10G位/秒(10Gbps)，并且根据IEEE 802.3bw，LS位速率是100Mbps。在另一实施例中，根据IEEE 802.3ch，HS位速率是10Gbps，并且根据IEEE802.3cg(10Base-T1s)，LS位速率是10Mbps。在替代实施例中，LS位速率和HS位速率可以被选择为任何其他合适的位速率。PHY收发器20和24之间的链路可以包括适用于全双工通信的任何其他双向介质。

图2是示意性地示出了根据本文中描述的实施例的系统10中在全双工双向链路28上进行通信的一对非对称以太网物理层(PHY)收发器20和24的框图。本上下文中的术语“非对称”表示在双向链路的两个方向之间的传输位速率不同。如上所述，被表示为PHY1的PHY收发器20以“低速”(LS)位速率进行发射并且以“高速”(HS)位速率进行接收。被表示为PHY2的PHY收发器24以“高速”(HS)位速率进行发射并且以“低速”(LS)位速率进行接收。

在所公开的实施例中，LS通信(PHY1到PHY2，图2中从左到右)和HS通信(PHY2到PHY1，图2中从右到左)在同一双绞线链路28上同时进行。在频域中，LS信号的功率谱密度(PSD)集中在基带与50GHz之间(针对100Mbps信号)或在基带与5GHz之间(针对10Mbps信号)。10GbpsHS信号的PSD集中在基带与5GHz之间。因此，HS和LS信号的频谱在频谱的底部重叠，并且可能相互干扰。如下所示，至少在链路的一个方向上，通过在发射器中使用预编码和在对等接收器中使用解码来减轻这种相互干扰。

在图2的实施例中，PHY收发器20包括LS发射器(LS TX)32，该LS发射器(LS TX)被配置为生成并且在链路28上发射LS信号，并且PHY收发器24包括LS接收器(LS RX)36，该LS接收器(LS RX)36被配置为接收LS信号。PHY收发器24包括HS发射器(HS TX)40，该HS发射器(HS TX)40被配置为生成并且在链路28上发射HS信号，并且PHY收发器20包括HS接收器(HSRX)44，该HS接收器(HS RX)44被配置为接收HS信号。

在一个实施例中，LS TX 32通常从被耦合到PHY收发器20的以太网媒体访问控制(MAC)设备(为了清楚起见而在图中未示出)接收输入LS数据(“LS DATA IN”)。LS TX 32包括对输入LS数据(“LS DATA IN”)进行预编码的LS预编码器48、以及在链路28上发射经预编码的LS数据的TX驱动器52。在本示例中，LS预编码器48应用(1+D)预编码方案，即，使用延迟元件(D)来将输入数据延迟一位以产生延迟副本，并且使用加法器来将输入数据和延迟副本相加。在不失一般性的情况下，假定输入数据值为±1。

LS RX 36包括输入滤波器56，在本示例中，输入滤波器56包括低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF)的组合，该组合对从链路28接收的信号进行滤波。在替代实施例中，可以使用其他合适类型的滤波器。LS RX 36还包括对滤波后的信号进行数字化(采样)的模数转换器(ADC)60、对数字化信号进行均衡的均衡器64、以及在均衡器输出处对信号进行切片(即，制定位决策)的切片器68。在没有错误的情况下，切片器68的输出处的位流与由LS预编码器48产生的预编码数据相同。在一个实施例中，切片器68的输出被反馈给数字定时环路(DTL)72，DTL 72调节ADC 60的采样时钟。

在图2的实施例中，LS RX 36还包括从切片器68的输出(即，从预编码数据)中恢复原始输入数据(“LS DATA IN”)的LS解码器76。LS解码器76应用将由LS预编码器48使用的预编码方案逆转的解码方案。在本示例中，LS解码器76通过以下方式来应用(1/(1+D))解码方案：(i)使用延迟元件(D)来将预编码数据延迟一位以便产生延迟副本，(ii)将延迟副本从延迟元件的输出反馈给输入，以及(iii)从预编码数据中减去预编码数据的延迟副本(或者替代地，从预编码数据的延迟副本中减去预编码数据)。

在没有错误的情况下，LS解码器76的输出处的位流(“LS DATA OUT”)与原始输入数据(“LS DATA IN”)相同。“LS DATA OUT”位流整体被提供作为LS RX 36的输出和PHY收发器24的输出。“LS DATA OUT”位流通常被递送给以太网MAC设备(为清楚起见而在图中未示出)，以太网MAC设备被耦合到PHY收发器24。

LS TX 32中的(1+D)预编码操作具有低通滤波效应，该低通滤波效应降低了LS信号在高频时的PSD。一个模拟示例PSD在上面引用的美国临时专利申请62/893,070中可以看到。因此，预编码操作减少了可能干扰HS RX 44对HS信号的接收的干扰(例如，回波)。同时，LS TX 32的预编码操作能够通过LS RX 36的逆转解码操作完全恢复。

在一个实施例中，HS TX 40被提供有输入HS数据(“HS DATA IN”)，该输入HS数据通常来自被耦合到PHY收发器24的以太网MAC设备(图中未示出)。HS TX 40包括对输入HS数据(“HS DATA IN”)进行预编码的HS预编码器48、以及在链路28上发射经预编码的HS数据的TX驱动器84。在本示例中，HS预编码器80应用(1-D)预编码方案，即，使用延迟元件(D)来将输入数据延迟一位以产生延迟副本，并且使用加法器来从输入数据中减去延迟副本(或从延迟副本中减去输入数据)。在不失一般性的情况下，再次假定输入数据值为±1。

HS RX 44包括输入滤波器88，在本示例中，输入滤波器88包括LPF和HPF的组合，该组合对从链路28接收的信号进行滤波。HS RX44还包括对滤波后的信号进行数字化(采样)的ADC 92、对数字化信号进行均衡的均衡器96、以及在均衡器输出处对信号进行切片(即，制定位决策)的切片器100。在没有错误的情况下，切片器100输出处的位流与由HS预编码器80产生的预编码数据相同。在一个实施例中，切片器100的输出被反馈给DTL 104，DTL 104调节ADC 92的采样时钟。

在图2的实施例中，HS RX 44还包括HS解码器108，该HS解码器108从切片器100的输出(即，从预编码数据)中恢复原始输入数据(“HS DATA IN”)。HS解码器108应用将由HS预编码器80使用的预编码方案逆转(即，逆向)的解码方案。在本示例中，HS解码器108通过以下方式来应用(1/(1-D))解码方案：(i)使用延迟元件(D)来将预编码数据延迟一位以便产生延迟副本，(ii)将延迟副本从延迟元件的输出反馈到输入，以及(iii)将预编码数据与反馈的预编码数据的延迟副本相加。

在没有错误的情况下，HS解码器108的输出处的位流(“HS DATA OUT”)与原始输入数据(“HS DATA IN”)相同。“HS DATA OUT”位流整体被提供作为HS RX 44的输出和PHY收发器20的输出。“HS DATA OUT”位流通常被递送给被耦合到PHY收发器20的以太网MAC设备(图中未示出)。

HS TX 40中的(1-D)预编码操作具有高通滤波效应，该高通滤波效应降低了HS信号在低频率、接近基带时的PSD。模拟示例PSD在上面引用的美国临时专利申请62/893,070中可以看到。因此，预编码操作减少了可能干扰LS RX 36对LS信号的接收的干扰(例如，本地回波)。同时，HS TX 40的预编码操作能够通过HS RX 44的逆转解码操作来完全恢复。

在图2的示例中，在LS传输和HS传输中都应用预编码。因此，无需在两个PHY收发器中进行回波消除。在替代实施例中，可以仅在一个方向上应用预编码，其中PHY收发器中的一个PHY收发器仍然执行回波消除。这种类型的实施例在下面的图4中示出。

图3是示意性地示出了根据本文中描述的实施例的用于图2的非对称以太网PHY收发器20和24之间的通信的方法的流程图。该方法在一个方向的上下文中进行描述，例如，从LS TX 32到LS RX 36的LS传输、或从HS TX 40到HS RX 44的HS传输。

该方法开始于：在预编码操作110处，TX的预编码器(预编码器48或80，视情况而定)对输入数据进行预编码。在图2的示例中，预编码方案针对LS发射为(1+D)，而针对HS发射为(1-D)。在发射操作114处，TX驱动器(TX驱动器52或84，视情况而定)调制预编码数据并且在链路28上发射所得到的信号。

在接收操作118处，接收器(LS RX 36或HS RX 44，视情况而定)从链路28接收信号。在接收器侧处理操作122处，接收器对接收信号进行滤波、数字化、均衡和切片，如上所述。在解码操作126处，接收器的解码器(解码器76或108，视情况而定)对由切片器提供的预编码数据进行解码。在图2的示例中，解码方案针对LS发射为(1/(1+D))，而针对HS发射为(1/(1-D))。解码数据被提供作为输出。

图4是示意性地示出了根据本文中描述的替代实施例的非对称以太网PHY收发器128的框图。在该示例中，预编码仅应用于(对等PHY收发器的)LS TX，而没有应用于(PHY收发器128的)HS TX，并且因此，解码仅应用于(PHY收发器128的)LS RX，而没有应用于(对等PHY收发器的)HS RX。通常，尽管不一定，预编码方案是(1+D)并且解码方案是(1/(1+D))。

此外，包括LS RX的PHY设备执行回波消除，用于抑制所发射的HS信号的回波，该回波可能干扰对LS信号的接收。通常，在LS RX中对HS信号的回波(来自HS TX 130发射的信号对由LS RX 134接收的LS信号的干扰，所有这些都在PHY收发器128本地)的消除仅带来适度的计算复杂性，因为消除以LS位速率来执行。相对方向上的回波消除(即，在HS RX中对LS信号的回波消除)实现起来要复杂得多。因此，非常需要在LS发射中使用预编码。

在图4的示例中，PHY收发器128包括HS TX 130和LS RX 134。如在图2的配置中，HS位速率可以是10G位/秒(10Gbps)，并且LS位速率可以是100Mbps或10Mbps。

可见，PHY收发器128的HS TX 130包括TX驱动器84，但不包括预编码器。因此，TX驱动器84直接在链路28上发射“HS DATA IN”位流，而无需预编码。对等PHY收发器(图中未示出)中的HS RX不执行对接收到的HS DATA IN位流的解码。

PHY收发器128的LS RX 134类似于LS RX 36(图2)，其中增加了回波消除电路系统，该回波消除电路系统被配置为消除HS信号的回波，该回波干扰对LS信号的接收。类似于图2的LS RX 36，LS RX 134接收经预编码的LS信号，并且使用LS解码器76应用解码。

在一个实施例中，LS RX 134中的回波消除电路系统包括LPF/抽取滤波器138、回波消除滤波器142和加法器146。LPF/抽取滤波器138从HS TX 130接收“HS DATA IN”位流的副本并且执行两个功能：(i)对位流进行低通滤波，以及(ii)将位流的速率从HS位速率降低到LS位速率。回波消除滤波器142调节被抽取的HS信号的增益和相位，以便匹配在ADC 60的输出处的HS信号的回波的增益和相位。加法器146从ADC 60的输出中减去滤波器142的输出，从而消除回波。因此，被提供给均衡器64的信号具有来自HS信号的降低的回波水平。

在一些实施例中，以相对较少数目的抽头(系数)实现回波消除滤波器142(例如，在十六个抽头的量级)来消除HS信号的回波是足够的。较少数目的抽头也简化了系数计算过程。例如，针对适用于典型车用网络的100Mbps的LS速率、两级脉冲幅度调制(PAM2)和15米长的双绞线链路，16抽头滤波器被示出为是足够的。

PHY收发器20、24和128以及它们的组件的配置(例如，各种LS TX、LS RX、HS TX和HS RX的内部结构，如图1、2和3所示)是仅为清楚起见而描绘的示例配置。在替代实施例中，可以使用任何其他合适的配置。例如，以上描述的(1+D)和(1-D)预编码方案纯粹是作为示例而选择的。替代地，可以使用任何其他合适的预编码方案。通常，预编码操作可以通过将输入数据流的两个或更多个相互延迟的副本相加来实现。术语“相互延迟”未必表示所有副本都被延迟；在(1+D)和(1-D)方案的每个方案中，例如，一个副本被延迟，而另一副本没有被延迟。

PHY收发器20、24和128的不同元件以及它们的组件可以使用专用硬件或固件来实现，例如使用硬连线或可编程逻辑，例如，以专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。另外地或替代地，PHY收发器20、24和128的一些功能(例如，LS预编码器48、LS解码器76、HS预编码器80和/或HS解码器108的功能)可以用软件和/或使用硬件和软件元素的组合来实现。为了清楚起见，图中省略了对于理解所公开的技术不是强制性的元素。例如，每个PHY收发器通常包括媒体相关接口(MDI)以用于将发射器和接收器耦合到链路28。

在一些实施例中，PHY收发器20、24和128的一些功能(例如，LS预编码器48、LS解码器76、HS预编码器80和/或HS解码器108的功能)可以在一个或多个可编程处理器中实现，该可编程处理器被编程在软件中以执行本文中描述的功能。例如，该软件可以在网络上以电子形式被下载到处理器中的任何处理器，或者可以替代地或另外地被提供和/或存储在非暂态有形介质(例如，磁、光或电子存储器)上。

应当注意，上述实施例是通过示例的方式引用的，并且本发明不限于已经在上文中具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合、以及本领域技术人员在阅读前述描述之后会想到的并且在现有技术中未公开的变化和修改。以引用方式并入本专利申请中的文件应当被视为本申请的组成部分，除非在这些并入文件中以与本说明书中明确或隐含地进行的定义相冲突的方式定义任何术语，则仅应当考虑本说明书中的定义。