電口以太網(wǎng)物理層一致性測試原理與過(guò)程

1、 以太網(wǎng)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、2 100Base-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、3 1000Base-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

* 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)

* 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)

* TP_IDL Mask Test (空閑信號模板測試)

• TP_IDL Head Mask(空閑信號幀頭模板測試)

• TP_IDL Tail Mask (空閑信號幀尾模板測試)

* Output Timing Jitter (輸出抖動(dòng)測試)

• Output Timing Jitter 8 BT (觸發(fā)點(diǎn)后8 bit的抖動(dòng)測試)

• Output Timing Jitter 8 BT (觸發(fā)點(diǎn)后8.5 bit的抖動(dòng)測試)

2、2 100Base-Tx測試項目

Mask Test (眼圖/模板測試)

Jitter(抖動(dòng)測試)

Duty cycle distortion (占空比失真)

Amplitude, Symmetry, and Overshoot(信號幅度，對稱(chēng)性，以及過(guò)沖測試)

Rise and Fall Time(信號上升，下降時(shí)間測試)

2、 3 1000Base-Tx測試項目

測試模式1：模板測試、峰值電壓測試、衰落測試

模式1信號是由+2，然后接著(zhù)127個(gè)0，-2，然后接著(zhù)127個(gè)0，+1，然后接著(zhù)127個(gè)0，-1，然后接著(zhù)127個(gè)0，接著(zhù)是128個(gè)+2，128個(gè)-2，128個(gè)+2，128個(gè)-2，最后是1024個(gè)0。

驗證的目的是：

接口有否驅動(dòng)足夠的能量將信號傳送100米距離。

上升時(shí)間是否足夠快得以實(shí)現快速的數據交換

接口有否發(fā)射過(guò)多的EMI，超過(guò)FCC Class A的要求

信號是否對稱(chēng)，即A與B，C與D是否對稱(chēng)

圖4 模式1各點(diǎn)示意圖

對測試模式1信號的F點(diǎn)500nS后的G點(diǎn)以及H點(diǎn)500nS后的J點(diǎn)，測量他們的電壓驗證插入磁損耗是否過(guò)大。規范要求，G點(diǎn)的幅度需要大于73.1% F點(diǎn)的幅度，同樣J點(diǎn)的幅度需要大于73.1%H點(diǎn)的幅度。

測試模式2：主模式抖動(dòng)

測試模式3：從模式抖動(dòng)

測試模式4：波形失真測試、共模輸出電壓

3、測試配置

3、1 示波器的選擇

* 10/100M 以太網(wǎng)電口測試

要求示波器帶寬高于400MHz，支持型號有力科WaveRunner 6Zi，WavePro 7Zi-A，WaveMaster 8Zi-A，LabMaster 10Zi系列。

* 1000M 以太網(wǎng)電口測試

每路數據線(xiàn)傳輸速率是125Mbps;

示波器主機帶寬至少為 1GHz;

支持型號包括 WaveRunner 610Zi ～ 640Zi;WavePro 7Zi-A，WaveMaster8 Zi-A，LabMaster 10Zi。

* 1000M 以太網(wǎng)電口測試

每路數據線(xiàn)傳輸速率是125Mbps;

示波器主機帶寬至少為 1GHz;

支持型號包括 WaveRunner 610Zi ～ 640Zi;WavePro 7Zi-A，WaveMaster8 Zi-A，LabMaster 10Zi。

3、2 測試夾具

測試夾具的主要功能是將雙絞線(xiàn)信號轉換成示波器能夠直接識別的探頭或通道信號。

力科為測試工程師提供的新型以太網(wǎng)測試夾具TF-ENET-B,具有優(yōu)勢特性包括：

* 同時(shí)支持10/100/1000Mbps三種 以太網(wǎng)速率級別

* 免探頭設計，只需使用SMA線(xiàn)纜，降低費用，操作便利

* 高信號質(zhì)量轉發(fā)，支持全部以太網(wǎng)測試項目

3、3 測試報文生成

802.3標準委員會(huì )規定，完全測試以太網(wǎng)必須DUT(被測設備)發(fā)出專(zhuān)門(mén)的測試報文，物理層PHY芯片內部都有測試寄存器。底層驅動(dòng)設計工程師通過(guò)編程置位此寄存器，PHY芯片就會(huì )向UTP線(xiàn)路上發(fā)出特定的測試序列報文。有些廠(chǎng)商，比如Intel和Realtek公司提供高層應用軟件，允許測試人員能夠直接操作以Intel(或RealTek)以太網(wǎng)芯片為核心處理單元的網(wǎng)卡，并驅動(dòng)該網(wǎng)卡發(fā)送特定測試序列報文到雙絞線(xiàn)，示波器采集這種測試序列并加以后處理與分析!

4. 力科以太網(wǎng)物理層測試方案

力科的以太網(wǎng)物理層信號測試和分析解決方案包括全系列帶寬的數字示波器、串行數據分析儀、測試夾具和功能強大、易于使用的QualiPHY軟件包，其具有的優(yōu)勢特性包括：

4.1、用戶(hù)可定制測量項目

完整的一致性測試包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)項目，但不是每次測試都要遍歷全部項目。

圖5 100Base-Tx測試項目定制窗口

QualiPHY軟件支持用戶(hù)可定制化測試項目，可以選擇單個(gè)或多個(gè)項目分別測試，從而大大提高了靈活性。圖5描述的是100Base-T測試項目定制窗口。

4.2、 自動(dòng)化測試

根據選擇好的測試項目，QualiPHY 隨即展開(kāi)一系列自動(dòng)化測試過(guò)程：自動(dòng)設置示波器工作參數包括采樣率、存儲深度、采集時(shí)間、縱軸刻度、觸發(fā)電平等;自動(dòng)定義測量參數;自動(dòng)調用第三方軟件如Matlab 對波形運算，自動(dòng)分析波形和測量結果，自動(dòng)輸出分析結果，整個(gè)測試過(guò)程完全是自動(dòng)化的，無(wú)需任何人工干預。在測試過(guò)程中會(huì )同步顯示測試狀態(tài)和過(guò)程提示。

4.3、圖表化提示

QualiPHY 軟件的用戶(hù)界面設計非常人性化和直觀(guān)實(shí)用，它會(huì )以圖表化的方式顯示出一致性測試的每個(gè)環(huán)節中測試夾具、示波器主機和DUT 三者之間的拓撲關(guān)系，使用者無(wú)需記憶，就能正確設置測試環(huán)境。下圖7 清晰 顯示了100Base-T 測試中的夾具、DUT 和示波器連接關(guān)系。

圖7 100Base-T 測試連接示意圖

4.4、自動(dòng)分析測量數據

示波器采集波形并按規程測量參數后，QualiPHY 軟件會(huì )自動(dòng)將其與標準值做對比，并輸出此參數通過(guò)或失敗的結論。下圖8 展示了QualiPHY 軟件包對上升時(shí)間分析的結果，實(shí)際測量值為4.323ns，802.3 標準合格范圍是3ns 到5ns，顯然此參數測試通過(guò)。

圖8 QualiPHY 自動(dòng)分析上升時(shí)間

4.6、自動(dòng)輸出報告

QualiPHY 軟件在完成所有指定項目的測量和分析任務(wù)后，會(huì )自動(dòng)生成美觀(guān)、實(shí)用、符合標準規范的測試報告，如圖9所示，報告格式可以選擇是XML、HTML或PDF格式。節省了編寫(xiě)測試報告的時(shí)間，工程師就可以把更多精力放在產(chǎn)品設計上，而不是測試上。

圖9 QualiPHY軟件自動(dòng)生成100Base-T一致性測試報告