以太網(wǎng)物理層信號測試與分析

1 物理層信號特點(diǎn)

以太網(wǎng)對應OSI七層模型的數據鏈路層和物理層，對應數據鏈路層的部分又分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層(MAC)。MAC與物理層連接的接口稱(chēng)作介質(zhì)無(wú)關(guān)接口(MII)。物理層與實(shí)際物理介質(zhì)之間的接口稱(chēng)作介質(zhì)相關(guān)接口(MDI)。在物理層中，又可以分為物理編碼子層(PCS)、物理介質(zhì)連接子層(PMA)、物理介質(zhì)相關(guān)子層(PMD)。根據介質(zhì)傳輸數據率的不同，以太網(wǎng)電接口可分為10Base-T，100Base-Tx和1000Base-T三種，分別對應10Mbps，100Mbps和1000Mbps三種速率級別。不僅是速率的差異，同時(shí)由于采用了不同的物理層編碼規則而導致對應的測試和分析方案也全然不同，各有各的章法。下面先就這三種類(lèi)型以太網(wǎng)的物理層編碼規則做一分析。

1、1 10Base-T 編碼方法

10M以太網(wǎng)物理層信號傳輸使用曼徹斯特 編碼方法，即“0”=由“+”跳變到“-”，“1”=由“-”跳變到“+”,因為不論是”0”或是”1”,都有跳變,所以總體來(lái)說(shuō),信號是DC平衡的, 并且接收端很容易就能從信號的跳變周期中恢復時(shí)鐘進(jìn)而恢復出數據邏輯。

圖1 曼徹斯特編碼規則

1、2100Base-Tx 編碼方法

100Base-TX又稱(chēng)為快速以太網(wǎng)，因為通常100Base-TX的PMD是使用CAT5線(xiàn)傳輸，按TIA/EIA-586-A定義只能達到100MHz，而當PCS層將4Bit編譯成5Bit時(shí)，使100Mb/s數據流變成125Mb/s數據流，所以100Base-TX同時(shí)采用了MLT-3(三電平編碼)的信道編碼方法，目的是使MDI的5bit輸出的速率降低了。MLT-3定義只有數據是“1”時(shí)，數據信號狀態(tài)才跳變，“0”則保持狀態(tài)不變，以減低信號跳變的頻率，從而減低信號的頻率。

圖2 MLT-3編碼規則

100Base-Tx的MAC層在數據幀與幀之間，會(huì )插入IDEL幀(IDEL=11111)，告訴網(wǎng)上所連接的終端，鏈路在閑置但正常的工作狀態(tài)中(按CSMA/CD，DTE數據終端機會(huì )檢測鏈路是否空閑，才會(huì )發(fā)送數據)。事實(shí)上鏈路絕大部分時(shí)間，以IDEL“11111”為主，5Bit IDLE“11111”若每個(gè)“1”都跳變的話(huà)，MDI信號的頻率將會(huì )是125MHz，但是經(jīng)過(guò)MLT-3編碼后，原來(lái)的125MHz變成31.25MHz的信號，使頻率變成原來(lái)的1/4。FCC要求以太網(wǎng)不能產(chǎn)生過(guò)大的EMI，因為鏈路絕大部分時(shí)間是傳輸IDEL，MLT-3編碼會(huì )使頻率集中在31.25MHz范圍，因此，在MLT-3編碼前，PCS層會(huì )對數據流進(jìn)行偽隨機的Scrambling擾碼，使“11111”分散，同時(shí)將能量與頻譜擴散。

1、31000Base-T 以太網(wǎng)編碼方法

1000Base-T在物理層使用5電平4D-PAM編碼，每個(gè)電平表示5符號-2,-1,0,1,2中的一個(gè)符號，每個(gè)符號代表2比特信息(其中4電平中每個(gè)電平代表2比特位,分別表示00，01，10，11，還有一個(gè)電平表示前向糾錯碼FEC)，這比二電平編碼提高了帶寬利用率，并能把波特率和所需信號帶寬減為原來(lái)的一半(125Mbps)。但多電平編碼需要用多位A/D，D/A轉換，采用更高的傳輸信噪比和更好的接收均衡性能。

五個(gè)符號與電平的映射關(guān)系為:-2->-1, -1->-0.5, 0->0, 1->0.5, 2->1。

圖3 4D-PAM編碼規則

1000Base-T采用了UTP里所有的4對線(xiàn)，并且同時(shí)收發(fā)，在全雙工的模式下，加上使用4D-PMA5編碼方法實(shí)現1000MB/s的數據傳輸率。每對線(xiàn)的數據率為100Mb/s，經(jīng)8b/10b編碼后變?yōu)?25Mb/s。每個(gè)Baud波特碼元代表兩個(gè)比特的信息，4對線(xiàn)的總帶寬為

• 125Mb/s x2 x4=1000Mb/s

所以，盡管是千兆速率，但實(shí)際上對示波器的帶寬要求只需能高保真采集125MHz信號即可，原因就是每對線(xiàn)上實(shí)際傳輸率是125Mbps。

2 測試參數說(shuō)明

負責制定以太網(wǎng)標準化規范的是IEEE學(xué)會(huì )下屬的802.3委員會(huì )，該規范的一部分內容就是標準測試流程，包括需要分析的參數集、測試工具的使用、結果如何判定等，目的是保證世界上各個(gè)不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的以太網(wǎng)產(chǎn)品能滿(mǎn)足“互操作性”。三種速率以太網(wǎng)物理層由于編碼方法不同，自然而然也就有完全不同的測試規程。下面逐一解釋標準測試集中各參數的具體含義。

2、1 10 Base-T測試項目

1 DOV Mask and Voltage Test(差分輸出電壓的模板以及電壓測試)

• DOV Mask MAU Ext for external MAU testing ( MAC 模塊與PHY模塊分離情況下的差分輸出電壓模板測試)

• DOV Mask MAU Ext Inv for external MAU testing of the negative-going pulses ( MAC 模塊與PHY模塊分離情況下的差分輸出電壓負脈沖模板測試)

• DOV Mask MAU for internal MAU testing ( MAC 模塊與PHY模塊集成情況下的差分輸出電壓負脈沖模板測試)

• DOV Mask MAU Inv for internal MAU testing of the negative-going pulses( MAC 模塊與PHY模塊集成情況下的差分輸出電壓負脈沖模板測試)

2 Link Test Pulse Mask (鏈接脈沖測試)

• Link Test Pulse head Mask (鏈接脈沖幀頭模板測試)

• Link Test Pulse tail Mask (鏈接脈沖幀尾模板測試)