原创 物联网系统中网口芯片解决方案_PHY收发器

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

自动极性校正

支持PHYRSTB核心电源关闭

基线漂移校正

支持120米CAT.5电缆1000Base-T

可选择的3.3/2.5/1.8/1.5V信号用于RGMII

支持25MHz外部晶体或OSC

为MAC提供125MHz时钟源

提供3个网络状态指示灯

支持Link Down节能

绿色以太网（仅限1000/100Mbps模式

内置开关稳压器和LDO

40引脚QFN绿色封装

55纳米工艺，超低功耗

工业级制造工艺

（RTL8211FI/RTL8211FDI）

系统应用

数字电视

MAU（媒体访问单元）

CNR（通信和网络立管）

游戏机

打印机和办公机器

DVD播放器和刻录机

以太网集线器

以太网交换机

此外，RTL8211F（I）/RTL8211FD（I）可用于任何具有以太网MAC的嵌入式系统需要UTP物理连接。

• 硬件参考设计

2、支撑

（1）技术产品

• 技术资料

C187932_以太网收发器_RTL8211F-CG_规格书_REALTEK(瑞昱)以太网芯片规格书.PDF

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