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原创物联网系统中网口芯片解决方案_PHY收发器

 2024-9-25 11:29  139 0 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用PHY收发器

在物联网系统中使用PHY（物理层）收发器的原因主要可以归结为以下几个方面：

实现物理层通信

连接数字与模拟世界：PHY收发器作为以太网物理层的关键组件，能够将处理器、FPGA（现场可编程门阵列）和ASIC（专用集成电路）等数字世界与模拟世界连接起来。它负责将数字信号转换为适合在物理介质（如光纤、铜缆等）上传输的模拟信号，以及将接收到的模拟信号转换回数字信号。
提供无差错传输：PHY收发器通过精确控制信号的发送和接收过程，确保数据在物理层上的无差错传输。这对于物联网系统来说至关重要，因为任何数据传输错误都可能导致系统功能的异常或失效。

适应多样化的传输介质

支持多种介质：物联网系统可能涉及多种不同的传输介质，如光纤、双绞线、同轴电缆等。PHY收发器通常具备多种接口和配置选项，以适应不同介质的特性，确保数据传输的稳定性和可靠性。
提高兼容性：通过使用PHY收发器，物联网系统可以更容易地实现与不同设备、不同网络之间的兼容和互操作，从而扩大系统的应用范围和功能。

提升系统性能

优化信号质量：PHY收发器内部集成了多种信号处理技术，如自动增益控制、均衡器、时钟恢复等，这些技术能够优化信号的传输质量，减少信号衰减和噪声干扰，提高数据传输的速率和准确性。
降低功耗和成本：随着物联网技术的不断发展，低功耗和高性价比成为了系统设计的重要考虑因素。现代PHY收发器通常采用先进的低功耗设计技术，如低功耗模式、睡眠模式等，以降低系统功耗。同时，通过集成化设计和优化生产工艺，PHY收发器的成本也得到了有效控制。

增强系统稳定性和安全性

提供故障诊断和保护机制：PHY收发器通常具备故障诊断和保护机制，如过压保护、过流保护、温度保护等，这些机制能够在系统出现故障时及时切断电源或采取其他保护措施，防止故障扩大并保护系统安全。
支持自动协商和配置：现代PHY收发器支持自动协商和配置功能，能够自动检测远端设备的性能和状态，并根据需要进行相应的配置调整。这有助于简化系统配置过程并降低配置错误的风险。

综上所述，PHY收发器在物联网系统中发挥着至关重要的作用。它不仅能够实现物理层通信、适应多样化的传输介质、提升系统性能，还能够增强系统稳定性和安全性。因此，在设计和构建物联网系统时，选择合适的PHY收发器是至关重要的。

具体应用场景

以太网通信：PHY收发器在以太网通信中起着关键作用。以太网PHY是一个芯片，可以发送和接收以太网的数据帧。它通常连接数据链路层的设备（MAC）到一个物理媒介，如光纤或铜缆线。PHY芯片在以太网设备中非常常见，其技术水平主要体现在传输速率、传输稳定性、可靠性、功耗水平、传输距离等方面。
Wi-Fi：PHY收发器在Wi-Fi技术中也有应用。Wi-Fi PHY的部分包括射频、混合信号和类比部分（通常称为收发器）和数字基带部分，这些部分被广泛应用于DSP和通信逻辑运算。
其他无线通信：除了Wi-Fi，PHY收发器还应用于其他无线通信领域，如3G/4G/LTE、WiMAX、UWB等。
USB：PHY收发器也被集成在USB控制器内或嵌入式系统中，提供数字和模块化组件接口的桥梁。
IrDA：IrDA规格包括数据运输的物理层的一个IrPHY规格，因此PHY收发器在IrDA通信中也有应用。

总的来说，PHY收发器在通信、汽车电子、消费电子、工控等众多领域都有广泛的应用。其工作原理是将数据从上层传输到物理介质，并在接收端将其还原为原始数据，包括数据编码、调制解调、信道传输、接收解码和错误检测和纠正等步骤。

本文会再为大家详解网口芯片家族中的一员——PHY收发器。

PHY收发器的定义

PHY收发器，也称为物理接口收发器（PHY，Physical Interface Transceiver）或网口PHY芯片，是网络通信中用于实现物理层功能的核心电子元器件。它负责将物理层的数据转换为物理信号（如电信号或光信号），以便在网络中传输，同时也能将接收到的物理信号转换为物理层的数据。

PHY收发器包括多个子层，如MII/GMII（介质独立接口）子层、PCS（物理编码子层）、PMA（物理介质附加）子层、PMD（物理介质相关）子层和MDI子层等。这些子层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。

网络通信的物理层由MAC—>PHY—>变压器—>RJ45进行说明，主要在于MII，RMII，GMII，RGMII，电流型PHY电路，电压型PHY电路，网络变压器的设计，RJ45线序的总结。

并不一定都是独立的芯片，主要有以下几种情况

CPU内部集成了MAC和PHY，难度较高
CPU内部集成MAC,PHY采用独立芯片(主流方案)
CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用独立芯片或者集成芯片(高端采用)

PHY收发器的工作原理

PHY在发送数据时，收到MAC发过来的数据（对PHY来说没有帧的概念，发过来的都是数据），然后在把并行数据转化为串行数据，在按照物理层的编码规则吧数据进行编码，再经过D/A转化通过模拟信号传输出去。接收时流程相反。

PHY的作用①是外界网络和MAC的通信桥梁。②实现CSMA/CD（多点接入载波监听/冲突检测)的部分功能，可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。它负责处理OSI（开放系统互连）模型中的物理层通信。以下是PHY收发器的工作原理：

发送数据

数据接收：PHY收发器首先接收来自数据链路层（如MAC层）的数据。这些数据对PHY收发器来说没有帧的概念，它们只是待传输的原始数据。

数据编码：PHY收发器将接收到的并行数据转换为串行数据流，并进行数据编码。编码的目的是将数字信号转换为适合在物理介质上传输的形式。常见的数据编码方法包括曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。

调制解调：在传输数据之前，PHY收发器将数据信号转换为适应不同传输介质的信号形式。例如，在有线传输中，PHY收发器可以将数字信号转换为模拟信号，以便在电缆上传输。在无线传输中，PHY收发器将数字信号转换为无线电波进行传输。

信道传输：经过编码和调制的信号通过物理介质（如电缆、光纤或无线信号）传输到接收端。

接收数据

信号接收：PHY收发器从物理介质上接收传输过来的信号。

解调与解码：PHY收发器将接收到的模拟信号或无线电波转换为数字信号，并进行解码。解码的目的是将传输过程中可能产生的误差进行纠正，并还原出原始数据。

数据传递：解码后的数据被传递给数据链路层（如MAC层）进行后续处理。

PHY收发器的分类

电流型PHY

电流型PHY：指PHY芯片把MAC给的数据进行串并转换，编码后经DAC输出，而DAC为电流型输入，即芯片为电流型PHY。电流型PHY工作原理：由于PHY芯片的DAC为电流型输入，即需在外部提供一个偏置电压，再由PHY芯片将编码后的数据以差分电流的形式输出，并在100Ω电阻上产生其对应的电压，最后在通过网变压器把信号传出（电流方向为红色箭头方向）。

有的PHY芯片内部会集成差分电阻，具体以所用芯片手册为则。VDD的作用为为电路提供电流和为差分信号提供直流偏置，VDD由PHY芯片决定。电阻需靠近PHY芯片放置。

电流型PHY需要在网络变压器中间抽头提供一个VDD电压。

电压型PHY

电压型PHY：指PHY芯片把MAC给的数据进行串并转换，编码后经DAC输出，而DAC为电压型输出，即芯片为电压型PHY。电压型PHY工作原理：直接由PHY芯片将编码后的数据以差分电压的方式输出，此时网络变压器中间抽头不需要提供偏置电压，所以网络变压器中间抽头一般接0.1uF的电容，为高频干扰提供一个低阻抗回路。

电压型PHY在网络变压器中间抽头接0.1uF电容。

在不使用变压器的情况下将以太网收发器（PHY）电容耦合在一起是一种常见的做法，以减少BOM成本和PCB面积。

1、两个电流型 PHY 直连，如果两片 PHY 型号完全一致，那么，RX,TX信号线直连就可以了。否则，按下图所示连接：TX1,RX1与TX2,RX2分别是两片 PHY 的差分信号线，注意 RX,TX 交叉连接，VDD 分别是两片 PHY 的 UTP 端口电压。

2、两个电压型 PHY直连，如果两片PHY 型号完全一致，那么，RX,TX信号线直连就可以了。否则，按下图所示连接：TX1,RX1 与 TX2 ,RX2 分别是两片 PHY 的差分信号线，注意 RX,TX 交叉连接。

3、电压型与电流型PHY直连如下图：左侧TX1，RX1是电流型PHY 接法，VCC1是UTP 端口电平，右侧TX2，RX2是电压型PHY 接法，注意RX,TX 交叉连接。

4、接收端带内部直流偏置的以太网PHY与电压型PHY连接。

5、KD3004芯片外部互联时直接加100nF电容即可。

总结：

以太网PHY连接，不使用变压器时需要用电容耦合连接，两端都需要上拉到对应的偏置电压，上拉电阻决定了实际数据线上的直流电平，设计时按20mA设计。通常使用50ohm上拉到3.3V。
网口连接一般使用交叉连接方式，即TX接RX。
网口连接一般建议采用变压器连接，如不使用变压器，避免走线过长。

PHY收发器的使用注意事项

电源和接地：
确保PHY收发器的电源供应稳定，避免电压波动过大。
使用正确的接地方式，防止静电干扰和电磁干扰。
工作环境：
PHY收发器应在规定的温度、湿度和空气流通条件下工作，避免过高或过低的温度导致性能下降或损坏。
避免在有腐蚀性气体或尘埃较多的环境中使用，以防止内部电路受到腐蚀或污染。
信号匹配：
确保PHY收发器的信号类型、速率和格式与连接的设备相匹配，避免不兼容导致的通信问题。
对于光纤PHY收发器，还需注意光纤类型（如单模或多模）、波长和接口类型等参数的匹配。
传输距离：
注意PHY收发器的传输距离限制，确保连接的设备在允许的传输距离范围内。
对于长距离传输，可能需要使用光纤放大器或中继器等设备来增强信号。
电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）：
将PHY收发器放置在远离高功率电磁源的位置，以减少电磁干扰对通信质量的影响。
如果可能的话，使用屏蔽线或同轴电缆来减少射频干扰。
配置和设置：
在配置PHY收发器之前，仔细阅读其用户手册或技术文档，了解各项参数和配置选项的含义和用法。
根据实际应用需求进行正确的配置和设置，确保通信的稳定性和可靠性。
故障排查：
如果遇到通信故障，首先检查PHY收发器的电源、连接线和接口是否正常。
使用诊断工具或软件来检查PHY收发器的状态和错误信息，以便快速定位问题并解决。
升级和维护：
定期关注PHY收发器的固件更新和软件升级信息，以便及时获取最新的功能和性能改进。
在进行升级或维护之前，备份重要的配置文件和数据，以防意外丢失。
安全性：
确保PHY收发器的网络安全设置得到妥善配置，如访问控制、加密等。
避免将PHY收发器暴露在未经授权的网络中，以防止潜在的安全风险。
兼容性：
在购买PHY收发器时，注意其兼容性和标准符合性，以确保与现有设备和系统的无缝集成。
如果需要与其他厂商的设备进行互操作，请确保双方设备都符合相同的标准和规范。

PHY收发器的厂商

国外厂商

Broadcom（博通）：Broadcom是全球领先的半导体解决方案提供商，其在PHY收发器领域有着广泛的产品线，覆盖了从千兆以太网到万兆以太网等多个应用领域。
Marvell（美满电子）：Marvell是一家提供通信、网络和存储解决方案的半导体公司。其PHY收发器产品广泛应用于企业网络、数据中心和云服务等领域。
Texas Instruments（德州仪器）：德州仪器是一家全球性的半导体公司，提供多种PHY收发器解决方案，包括以太网、无线和光纤等。
Microchip Technology（微芯科技）：Microchip Technology是一家专注于嵌入式控制解决方案的半导体公司，其PHY收发器产品广泛应用于工业自动化、汽车电子和医疗设备等领域。
Realtek（瑞昱）：Realtek是一家台湾的半导体公司，以其网络通信解决方案而闻名。其PHY收发器产品在家庭网络、消费电子和数据中心等领域有广泛应用。
NXP Semiconductors（恩智浦半导体）：NXP是一家荷兰的半导体公司，其PHY收发器产品涵盖了以太网、无线和光纤等多个领域。

此外，还有一些其他的PHY收发器厂商，如Intel、Qualcomm、Silicon Labs等，它们也提供了丰富的PHY收发器产品和解决方案。

国内厂商

盛科网络：盛科网络是一家专注于以太网通信芯片设计的高新技术企业，其PHY收发器产品在国内外市场上具有一定的知名度和竞争力。
瑞普康：瑞普康是一家专注于网络通信芯片的研发、生产和销售的公司，其PHY收发器产品广泛应用于以太网通信领域。
裕太微：裕太微是一家专注于高速有线通信芯片的研发、设计和销售的公司，以以太网物理层芯片作为市场切入点，不断推出系列芯片产品。裕太微的产品包括百兆、千兆等传输速率以及不同端口数量的PHY收发器，并且其2.5G PHY产品已通过下游客户测试并实现销售。
景略：景略也是一家在PHY收发器领域有所建树的公司，其产品在市场上具有一定的竞争力。

供应商A:Realtek

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：RTL8201F-VB-CG

产品详情介绍

Realtek RTL8211F-CG/RTL8211D-CG/RTL 8211FI-CG/RTL8211FDI-CG是一款高度集成的符合10Base-T、100Base-TX和1000Base-T IEEE 802.3标准的以太网收发器。它提供了通过CAT传输和接收以太网数据包所需的所有物理层功能。5UTP电缆。RTL8211FI和RTL8211DI是按照工业级标准制造的。

RTL8211F（I）/RTL8211FD（I）使用最先进的DSP技术和模拟前端（AFE）通过UTP电缆实现高速数据传输和接收。交叉检测等功能&自动校正、极性校正、自适应均衡、串扰消除、回声消除，在RTL821（I）/RTL8211FD（I）中实现定时恢复和纠错以提供10Mbps、100Mbps或1000Mbps的强大传输和接收能力。

MAC和PHY之间的数据传输是通过用于1000Base-T、10Base-T和100Base-TX。RTL8211F（I）/RTL8211FD（I）支持各种RGMII信号电压，包括3.3、2.5、1.8和1.5V

特性

1000Base-T IEEE 802.3ab兼容

100Base TX IEEE 802.3u兼容

10Base-T IEEE 802.3兼容

支持RGMII

支持IEEE 802.3az-2010（能源

高效以太网）

内置局域网唤醒（WOL）

支持中断功能

支持并行检测

交叉检测和自动校正