KSZ9031RNX：集成全面的10/100/1000Mbps以太网收发器手册

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KSZ9031RNX中文参考手册是一份详细的文档，介绍了一款专为10/100/1000Mbps以太网应用设计的单芯片嵌入式硬件产品。这款高性能的以太网收发器具备多种特性，旨在满足不同应用场景的需求。首先，该芯片支持RGMII接口，遵循RGMII版本2.0规范，允许用户灵活调整和修正TX和RX时序，增强了信号传输的兼容性和稳定性。它具有宽范围的供电选项，包括3.3V/2.5V/1.8V容差的I/O，使得它能够在各种电压条件下正常工作，同时配备了一个内置的LDO控制器，仅需一个外部FET即可为内核提供1.2V电压，简化了电源管理。自动协商功能是其亮点之一，能自动选择最高链路速率和双工模式，适应不同类型网络环境。此外，该芯片还内置了差分对的片上端接电阻，提高了信号完整性。对于功耗控制，它具有能量检测掉电模式，在电缆断开时降低能耗，同时支持局域网唤醒（WOL）功能。针对汽车应用，KSZ9031RNX通过AEC-Q100认证，确保了在严苛的汽车环境中的可靠性能。它具备强大的自定义数据包检测功能，以及环回模式，用于诊断目的。MDI/MDI-X交叉和错误检测能力，如对交换、偏斜和极性的自动检测和修正，提升了信号的准确传输。 PHY寄存器配置通过MDC/MDIO管理接口实现，提供了中断引脚选项，便于外部控制和故障处理。此外，该芯片支持掉电和省电模式，有助于节能。工作电压范围广泛，内核采用1.2V，I/O电压可选3.3V、2.5V或1.8V，而收发器则支持3.3V或2.5V。目标应用领域十分广泛，包括激光/网络打印机、网络附加存储（NAS）、网络服务器、Gigabit LAN on Motherboard（GLOM）、宽带网关、高端路由器、IPTV、IP机顶盒、游戏主机和多媒体中心等，甚至支持三重播放设备。KSZ9031RNX是一款高效、灵活且可靠的嵌入式以太网收发器，适用于对高速、低功耗和稳定性有高要求的应用场景。

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KSZ9031RNX

3.0 功能描述

KSZ9031RNX 是一种完全集成的三速（10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T）以太网物理层收发器解决方案，用于

通过标准 CAT-5 非屏蔽双绞线（UTP）电缆发送和接收数据。

KSZ9031RNX 为四个差分对使用了片上端接电阻，并通过集成 LDO 控制器来驱动低成本 MOSFET 提供 1.2V 内核电

压，从而降低了电路板成本并简化了电路板布线。

在铜介质接口上， KSZ9031RNX 能够自动检测并修正差分对错位和极性反转，同时修正四个差分对之间的传播延时和

重新同步时序，如 IEEE 802.3 标准中针对 1000BASE-T 操作所做的规定。

KSZ9031RNX 提供了 RGMII 接口，可连接到千兆以太网处理器和交换机中的 RGMII MAC，实现 10/100/1000 Mbps 的

数据传输。

图 3-1 显示了 KSZ9031RNX 的高阶框图。

图 3-1： KSZ9031RNX 框图

3.1 10BASE-T/100BASE-TX 收发器

3.1.1 100BASE-TX 发送

100BASE-TX 发送功能执行并行到串行转换、 4B/5B 编码、加扰、 NRZ 到 NRZI 转换及 MLT-3 编码和发送。

该电路从并行到串行转换开始，该转换将来自 MAC 的 MII 数据转换为 125 MHz 串行比特流。然后将数据和控制流转换

成 4B/5B 编码，后跟加扰器。串行化数据进一步从 NRZ 转换为 NRZI 格式，然后在 MLT-3 电流输出中发送。输出电流

由 1:1 变压比的外部 12.1 kΩ 1% 电阻设置。

输出信号具有 4 ns 的典型上升 / 下降时间，符合关于幅度平衡和过冲的 ANSI TP-PMD 标准。波形 10BASE-T 输出也并

入 100BASE-TX 发射器。

3.1.2 100BASE-TX 接收

100BASE-TX 接收功能执行自适应均衡、直流恢复、 MLT-3 到 NRZI 转换、数据和时钟恢复、 NRZI 到 NRZ 转换、解

扰、 4B/5B 译码及串行到并行转换。

接收侧从均衡滤波器开始，以补偿双绞线电缆上的符号间干扰（inter-symbol interference， ISI）。由于幅度损耗和相位

失真是电缆长度的函数，均衡器必须调整其特性以优化性能。在该设计中，可变均衡器基于输入信号强度与某些已知电

缆特性的比较进行初始估计，然后调谐自身进行优化。这是一个持续的过程，并将针对环境变化（如温度变化）进行自

我调整。

MEDIA

INTERFACE

PMA

TX10/100/1000

PMA

RX1000

PMA

RX100

PMA

RX10

CLOCK

RESET

PCS10

AUTO-

NEGOTIATION

PCS100

PCS1000

INTERFACE

LED

DRIVERS

CONFIGURATIONS

RGMII

KSZ9031RNX

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接下来，均衡后的信号通过直流恢复和数据转换块。直流恢复电路补偿基线漂移的影响，并提升动态范围。差分数据转

换电路将 MLT-3 格式转换回 NRZI。限幅阈值也是自适应的。

时钟恢复电路从 NRZI 信号边沿提取 125 MHz 时钟。然后，该恢复时钟用于将 NRZI 信号转换为 NRZ 格式。信号通过

解扰器发送，后跟 4B/5B 译码器。最后， NRZ 串行数据被转换为 RGMII 格式，并作为输入数据提供给 MAC。

3.1.3 加扰器 / 解扰器（仅限 100BASE-TX）

加扰器的用途是扩展信号功率谱以减少电磁干扰（electromagnetic interference， EMI）和基线漂移。发送的数据使用

11 位宽线性反馈移位寄存器（linear feedback shift register， LFSR）进行加扰。加扰器产生 2047 比特的非重复序列，

然后接收器使用与发射器相同的序列对输入数据流进行解扰。

3.1.4 10BASE-T 发送

10BASE-T 输出驱动器集成在 100BASE-TX 驱动器中，以允许使用相同的磁性传输。驱动器执行内部波形整形和预加

重，并在标准 10BASE-T 模式下输出峰值为 2.5V 的典型幅度信号，在 10BASE-Te 节能模式下输出峰值为 1.75V 的典

型幅度信号。10BASE-T/10BASE-Te 信号具有谐波含量，当由全 1 曼彻斯特编码信号驱动时，其谐波含量比基频至少低

31 dB。

3.1.5 10BASE-T 接收

接收侧使用了输入缓冲器和电平检测静噪电路。差分输入接收器电路和锁相环（phase-locked loop， PLL）执行译码功

能。曼彻斯特编码的数据流被分成时钟信号和 NRZ 数据。静噪电路抑制电平低于 300 mV 或具有短脉冲宽度的信号，以

防止接收输入处的噪声错误地触发译码器。当输入超过静噪限制时，PLL 锁定到输入信号，KSZ9031RNX 译码数据帧。

接收器时钟在接收数据帧之间的空闲时段保持活动状态。

KSZ9031RNX 删除所有 7 个字节的前导码，并从 SFD （帧起始定界符）开始向 MAC 显示接收的帧。

针对接收差分对提供了自动极性修正功能，以自动交换和修复布线中错误的 +/- 极性布线。

3.2 1000BASE-T 收发器

1000BASE-T 收发器基于混合信号 / 数字信号处理（Digital-Signal Processing， DSP）架构，包括模拟前端、数字通道

均衡器、网格编码器 / 译码器、回波消除器、串扰消除器、精密时钟恢复方案和节能的线路驱动器。

图 3-2 显示了用于四个差分对之一的 1000BASE-T 收发器的单个通道的高阶框图。

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KSZ9031RNX

图 3-2： KSZ9031RNX 1000BASE-T 框图 — 单通道

3.2.1 模拟回波消除电路

在 1000BASE-T 模式下，模拟回波消除电路有助于减少近端回波。该模拟混合电路减轻了 ADC 和自适应均衡器的负担。

该电路在 10BASE-T/100BASE-TX 模式下禁止。

3.2.2 自动增益控制（AGC）

在 1000BASE-T 模式下，自动增益控制（Automatic Gain Control， AGC）电路提供初始增益调整，以提升信号电平。

该预调节电路用于改善接收信号的信噪比。

3.2.3 模数转换器（ADC）

在 1000BASE-T 模式下，模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）将输入信号数字化。ADC 性能对收发器的

整体性能至关重要。

该电路在 10BASE-T/100BASE-TX 模式下禁止。

3.2.4 时序恢复电路

在 1000BASE-T 模式下，混合信号时钟恢复电路与数字锁相环一起用于从接收的数据恢复和跟踪输入时序信息。数字锁

相环具有极低的长期抖动，以最大化接收信号的信噪比。

1000BASE-T 从 PHY 必须将从接收到的数据恢复的确切接收时钟频率发送回 1000BASE-T 主 PHY。否则，长时间传输

后，主 PHY 和从 PHY 会不同步。此外，这也有助于促进回波消除和 NEXT （近端串扰）去除。

3.2.5 自适应均衡器

在 1000BASE-T 模式下，自适应均衡器提供以下功能：

• 部分响应信令的检测

• 去除 NEXT 和 ECHO 噪声

• 通道均衡

由于阻抗失配，模拟并合未去除的残余回波会使信号质量降级。 KSZ9031RNX 使用数字回波消除器来进一步减少接收

信号上的回波分量。

在 1000BASE-T 模式下，在所有四对导线（四个通道）上同时进行数据发送和接收。这会导致来自相邻导线的高频串

扰。 KSZ9031RNX 在每个接收通道上使用三个 NEXT 消除器来最小化其他三个通道引起的串扰。

CLOCK

GENERATION

BASELINE

WANDER

COMPENSATION

ECHO

CANCELLER

TRANSMIT

BLOCK

NEXT Canceller

CANCELLER

RX-

ADC

AGC

FFE SLICER

CLOCK AND PHASE

RECOVERY

AUTO -

NEGOTIATION

PMA STATE

MACHINES

MII

REGISTERS

MII

MANAGEMENT

CONTROL

DFE

ANALOG

HYBRID

PCS STATE

MACHINES

PAIR SWAP

AND

ALIGN UNIT

DESCRAMBLER

DECODER

SIDE-STREAM

SCRAMBLER

AND

SYMBOL ENCODER

LED DRIVER

XTAL

OTHER

CHANNELS

SIGNAL

KSZ9031RNX

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在 10BASE-T/100BASE-TX 模式下，自适应均衡器只需消除符号间干扰并从输入数据恢复通道损耗。

3.2.6 网格编码器和译码器

在 1000BASE-T 模式下，发送的 8 位数据被加扰成 9 位符号，并进一步被编码为 4D-PAM5 符号。当在同一个电路板上

使用多个 KSZ9031RNX 时，通过特定 PHY 地址确定初始加扰器种子以减少 EMI。在接收侧，首先检查空闲流。加扰器

种子、对偏斜、对顺序和极性必须通过逻辑加以解决。然后，将输入的 4D-PAM5 数据转换成 9位符号并解扰为 8 位数据。

3.3 自动 MDI/MDI-X

自动 MDI/MDI-X 功能无需确定在 KSZ9031RNX 与其链路伙伴之间使用的是直连电缆还是交叉电缆。该自动检测功能可

检测链路伙伴的 MDI/MDI-X 对映射，并相应地分配 KSZ9031RNX 的 MDI/MDI-X 对映射。

表 3-1 显示了 MDI/MDI-X 引脚映射的 KSZ9031RNX 10/100/1000 引脚配置分配。

自动 MDI/MDI-X 默认使能。可通过向寄存器 1Ch Bit [6] 写入 1 来禁止。如果自动 MDI/MDI-X 被禁止，则 MDI 和 MDI-X

模式由寄存器 1Ch Bit [7] 设置。

推荐使用具有对称发送和接收数据路径的隔离变压器，以支持自动 MDI/MDI-X。

3.4 对交换、对齐和极性检查

在 1000BASE-T 模式下， KSZ9031RNX

• 检测错误的通道顺序并自动恢复 A、 B、 C 和 D 对（四个通道）的对顺序。

• 根据 IEEE 802.3 标准，支持 50 ns ±10 ns 的通道对间传播延时差，并自动修正数据偏斜，以便修正的四对数据符

号同步。

差分信号的错误对极性可自动针对所有速度进行修正。

3.5 波形整形、转换率控制和部分响应

在通信系统中，使用信号传输编码方法来提供噪声整形功能并使传输通道中的失真和误差最小化。

• 对于 1000BASE-T，使用特殊的部分响应信令方法来为传输路径提供频带限制功能。

• 对于 100BASE-TX，使用简单的转换率控制方法来最小化 EMI。

• 对于 10BASE-T，使用预加重来扩展通过电缆的信号质量。

3.6 PLL 时钟合成器

KSZ9031RNX 可为系统时序产生 125 MHz、25 MHz 和 10 MHz 的时钟。内部时钟从外部 25 MHz 晶振或参考时钟生成。

表 3-1： MDI/MDI-X 引脚映射

引脚

（RJ-45 对）

MDI MDI-X

1000BASE-T 100BASE-T 10BASE-T 1000BASE-T 100BASE-T 10BASE-T

TXRXP/M_A

（1， 2）

A+/– TX+/– TX+/– B+/– RX+/– RX+/–

TXRXP/M_B

（3， 6）

B+/– RX+/– RX+/– A+/– TX+/– TX+/–

TXRXP/M_C

（4， 5）

C+/–

未使用未使用

D+/–

未使用未使用

TXRXP/M_D

（7， 8）

D+/–

未使用未使用

C+/–

未使用未使用

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