在之前的文章中，我們介紹了IEEE 802.3cz[1]協議，MultiGABSE-AU物理層中XMII、PCS子層以及兩個可選功能的相關內容，本篇將介紹MultiGABSE-AU物理層PMA子層及PMD子層的相關機制。

PMA子層

        PMA子層位于PCS子層和PMD子層之間，規范中定義了PMA子層的三個功能：PMA Transmit、PMA Receive及PHY Control。

       · PMA Transmit功能

        PMA Transmit功能依賴于PHY的分組參數G，接收到PCS傳輸下來的數據后，PMA Transmit會按照下圖中的方案，將比特映射為對應的符號。

        當G=1時，Transmit Block會被映射為195840個獨立小組，對應符號{-1}和{+1}。

        當G=2時，Transmit Block會被映射為97920個2bit小組，對應符號{-1}，{-1/3}，{+1/3}和{+1}。

       · PMA Receive功能

        PMA Receive的功能包括了Transmit Block的同步以及從PMD Receive中恢復時鐘和數據。

        PMA Receive的時鐘恢復包含粗定時恢復，時鐘頻率偏差估計以及精細時鐘恢復三個過程：粗定時恢復用于與接收Transmit Block的起始進行同步，精細時鐘恢復用于輸出穩定的恢復時鐘，可通過這個時鐘從PMD傳輸的信號中采樣并接收符號數據。符號數據會通過上圖的方案，映射為Bit Group發送給PCS Receive。

       · PHY Control功能

        PHY Control包含了五個模塊：PHY Tx Control、PHY Rx Control、PHD monitor、Link monitor以及PHY quality monitor，五個模塊共同定義了從初始化到穩定傳輸信號之間，PHY需要進行的工作。以下是五個模塊主要功能的介紹。

        ? PHY Tx control：數據發送控制

        ? PHY Rx control：時鐘恢復、數據接收

        ? PHD monitor：PHD恢復、解析及完整性檢查

        ? Link monitor：link狀態檢測

        ? PHY quality monitor：通信質量檢測

        為了更好地理解PHY Control的整體功能，接下來會將五個模塊整合起來，通過上電后的流程進行簡要介紹，要注意的是，相同序號的步驟并不一定在同一時刻發生。

        ① 系統上電，PMA子層Reset，所有模塊進入初始化階段。

       ② 初始化完成后，PHY Tx control模塊開始發送數據，由于此時還沒有Link up，發送的數據并不是payload數據，而是一種特殊的65B控制信號：Local Fault，在正式收到link up信號前，PHY Tx control模塊會持續發送攜帶PHD的Local Fault信號。

        ③ 在發送Local Fault信號的同時，鏈路伙伴也完成了上述步驟，開始發送該信號，因此，PHY Rx control模塊會接收攜帶了PHD的Local Fault信號，并進行時鐘恢復。

        ④ 針對收集的數據，解析后得到PHD和Payload兩部分，Payload會在PHY quality monitor模塊中持續檢測基于符號噪聲方差估計的Link Margin，這是一個持續檢測的過程。PHD則是在進行CRC16校驗后，讀取PHD中LINKSTATUS和HDRSTATUS的值，分別輸入給Link monitor模塊和PHD monitor模塊，這一步驟的目的是通過檢測PHD獲取對方接收Payload和PHD的狀態，對方接收到步驟2發出的數據后也會進行步驟四的分析，并將結論寫入PHD發送至本地的PHY Rx control模塊。

        ⑤ 與此同時，CRC校驗后，PHD monitor模塊還會將結果寫入本地的HDRSTATUS參數中，通知發送和接收模塊以正確接收PHD，這個結果也會通過PHD告知鏈路伙伴。

        ⑥ 接下來，PHY Rx control模塊會持續接收多條數據用于PHY quality monitor模塊的鏈路余量估計，至少一次Link Margin大于0可認為本地接收狀態通過。

        ⑦ 檢測到本地接收狀態通過后，PHY quality monitor模塊會將這個結果通知Link monitor模塊。

        ⑧ Link monitor模塊根據步驟4和步驟7輸出的遠程和本地接收狀態，二者均為OK則進入Link UP狀態，要注意的是，只有二者均為OK才可以進入Link UP狀態，其中一個出現問題會退出Link UP。

        ⑨ Link up后，PHY Tx control模塊會確認TX.NEXT.MODE，如果是normal transmission模式則開始發送XMII上下發的Payload數據，PHY Rx control模塊開始接收對方發送的Payload數據，進入正常工作模式。

PMD子層

        PMD子層全稱Physical Medium Dependent，位置在PMA子層和傳輸介質之間，主要功能是光信號與電信號的轉換，802.3cz中定義了PMD子層的三個功能：PMD Transmit、PMD Receive以及PMD signal detect。

        PMD Transmit與PMD Receive的功能比較簡單，PMD Transmit接收到PMA Transmit發送的符號后，會根據TP2節點的平均光功率進行符號到發射功率的計算。PMD Receive收到光信號后同樣會根據接收到的光功率反向計算出符號發送至PMA Receive。

        輸出光功率的計算公式如下：

        PMD 發射機的信號速率及調制方式如下圖所示：

        PMD signal detect功能是在PMD Receive端運行的功能，其作用是通過檢測TP3處的平均光功率確認是否收到光信號，判斷條件如下圖所示：

        Signal detect為FAIL表示沒有收到光信號，無法發起鏈路建立，因此在啟用EEE功能時，PMD signal detect功能可用于將系統由正常狀態轉變為EEE狀態。

        除此之外，803cz在PMD的章節中還提出了對傳輸介質的需求：

       · MultiGBASE-AU在傳輸介質上需要采用50/125 μm 的OM3規格多模光纖

       · 光纖中心波長范圍為970-990nm

       · 光纖傳輸距離如下圖所示，但規范中同樣提到，當滿足所有光學規格的情況下，超過規定長度的PMD是合規的

結語

        以上便是介紹的MultiGBASE-AU物理層的全部內容，主要包括了XMII、PCS子層、PMA子層及PMD子層四大板塊的內容。隨著車載領域對于高帶寬、低延遲、低電磁干擾的需求，光通信和MultiGBASE-AU成為可供選擇的車載通信新技術，帶來更多的創新和進步的同時，也帶來了更大的挑戰。

        經緯恒潤作為OPEN聯盟會員和AUTOSAR聯盟的高級合作伙伴，長期為國內外各大OEM和供應商提供涵蓋TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技術領域的設計和測試咨詢服務，積極研發和探索車載網絡前沿技術的工程應用。通過多個項目的實踐經驗，已建立了高質量、本土化的設計與測試一體化解決方案，為整車網絡架構提供可靠支持。

參考文獻

[1] IEEE, 802.3cz-2023, " IEEE Standard for Ethernet, Amendment 7: Physical Layer Specifications and Management Parameters for  Multi‐Gigabit Glass Optical Fiber Automotive Ethernet ", 2023.

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