以太網物理層信號測試與分析
2011-03-27
現實生活中，以太網可謂無處不在，而對它進行測試與分析也是通信領域經久不衰的話題。要想透徹掌握以太網測試要領，必須首先了解以太網物理層信號的基本特點。基于此，本文將具體介紹三種速率以太網標準的不同物理層編碼規則、完整測試涉及到的共性問題，以及基于力科的以太網一致性測試方案。
1 物理層信號特點
以太網對應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)和介質訪問控制子層(MAC)。MAC與物理層連接的接口稱作介質無關接口（MII）。物理層與實際物理介質之間的接口稱作介質相關接口（MDI）。在物理層中，又可以分為物理編碼子層（PCS）、物理介質連接子層（PMA）、物理介質相關子層（PMD）。根據介質傳輸數據率的不同，以太網電接口可分為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。下面先就這三種類型以太網的物理層編碼規則做一分析。
1、1 曼徹斯特編碼規則 100Base-Tx 編碼方法
100Base-TX又稱為快速以太網，因為通常100Base-TX的PMD是使用CAT5線傳輸，按TIA/EIA-586-A定義只能達到100MHz，而當PCS層將4Bit編譯成5Bit時，使100Mb/s數據流變成125Mb/s數據流，所以100Base-TX同時采用了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，數據信號狀態才跳變，“0”則保持狀態不變，以減低信號跳變的頻率，從而減低信號的頻率。
1、2 10Base-T 編碼方法
10M以太網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,所以總體來說,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鐘進而恢復出數據邏輯。
MLT-3編碼規則
100Base-Tx的MAC層在數據幀與幀之間，會插入IDEL幀（IDEL=11111），告訴網上所連接的終端，鏈路在閑置但正常的工作狀態中（按CSMA/CD，DTE數據終端機會檢測鏈路是否空閑，才會發送數據）。事實上鏈路絕大部分時間，以IDEL“11111”為主，5Bit IDLE“11111”若每個“1”都跳變的話，MDI信號的頻率將會是125MHz，但是經過MLT-3編碼后，原來的125MHz變成31.25MHz的信號，使頻率變成原來的1/4。FCC要求以太網不能產生過大的EMI，因為鏈路絕大部分時間是傳輸IDEL，MLT-3編碼會使頻率集中在31.25MHz范圍，因此，在MLT-3編碼前，PCS層會對數據流進行偽隨機的Scrambling擾碼，使“11111”分散，同時將能量與頻譜擴散。
1、31000Base-T 以太網編碼方法
1000Base-T在物理層使用5電平4D-PAM編碼，每個電平表示5符號-2,-1,0,1,2中的一個符號，每個符號代表2比特信息(其中4電平中每個電平代表2比特位,分別表示00，01，10，11，還有一個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。
五個符號與電平的映射關系為:-2->-1, -1->-0.5, 0->0, 1->0.5, 2->1。
4D-PAM編碼規則
1000Base-T采用了UTP里所有的4對線，并且同時收發，在全雙工的模式下，加上使用4D-PMA5編碼方法實現1000MB/s的數據傳輸率。每對線的數據率為100Mb/s，經8b/10b編碼后變為125Mb/s。每個Baud波特碼元代表兩個比特的信息，4對線的總帶寬為
• 125Mb/s x2 x4=1000Mb/s
所以，盡管是千兆速率，但實際上對的帶寬要求只需能高保真采集125MHz信號即可，原因就是每對線上實際傳輸率是125Mbps。
2 測試參數說明
負責制定以太網標準化規范的是IEEE學會下屬的802.3委員會，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不同廠家生產的以太網產品能滿足“互操作性”。三種速率以太網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 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）
2 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）
3 Output Timing Jitter (輸出抖動測試)
• Output Timing Jitter 8 BT （觸發點后8 bit的抖動測試）
• Output Timing Jitter 8 BT （觸發點后8.5 bit的抖動測試）
4 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）
2、2 100Base-Tx測試項目
1 Mask Test (眼圖/模板測試）
2 Jitter（抖動測試）
3 Duty cycle distortion （占空比失真）
4 Amplitude, Symmetry, and Overshoot（信號幅度，對稱性，以及過沖測試）
5 Rise and Fall Time（信號上升，下降時間測試）
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127個0，-2，然后接著127個0，+1，然后接著127個0，-1，然后接著127個0，接著是128個+2，128個-2，128個+2，128個-2，最后是1024個0。
驗證的目的是：
接口有否發射過多的EMI， 超過FCC Class A的要求
信號是否對稱， 即A與B， C與D是否對稱
接口有否驅動足夠的能量將信號傳送100米距離。
上升時間是否足夠快得以實現快速的數據交換
模式1各點示意圖
4 對測試模式1信號的F點500nS后的G點以及H點500nS后的J點，測量他們的電壓驗證插入磁損耗是否過大。規范要求，G點的幅度需要大于73.1% F點的幅度，同樣J點的幅度需要大于73.1%H點的幅度。
5 測試模式2：主模式抖動
6 測試模式3：從模式抖動
7 測試模式4：波形失真測試、共模輸出電壓
3、測試配置
3、1 的選擇
·1000M 以太網電口測試
每路數據線傳輸速率是125Mbps；
主機帶寬至少為 1GHz；
支持型號包括 WaveRunner 104Xi-A,204Xi-A；WavePro7Zi，WaveMaster8 Zi。
·10/100M 以太網電口測試
要求帶寬高于400MHz，支持型號有力科WaveRunnerXi-A，WavePro7Zi，WaveMaster8Zi。
3、2 測試夾具
測試夾具的主要功能是將雙絞線信號轉換成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測試夾具TF-ENET-B,具有優勢特性包括：
·同時支持10/100/1000Mbps三種 以太網速率級別
·免探頭設計，只需使用SMA線纜，降低費用，操作便利
·高信號質量轉發，支持全部以太網測試項目
圖5 無需探頭的TF-ENET-B測試夾具
3、3 測試激勵生成
802.3標準委員會規定，完全測試以太網必須DUT(被測設備)發出專門的測試報文，物理層PHY芯片內部都有測試寄存器。底層驅動設計工程師通過編程置位此寄存器，PHY芯片就會向UTP線路上發出特定的測試序列報文。有些廠商，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)以太網芯片為核心處理單元的網卡，并驅動該網卡發送特定測試序列報文到雙絞線，采集這種測試序列并加以后處理與分析！
4. 力科以太網物理層測試方案
力科的以太網物理層信號測試和分析解決方案包括全系列帶寬的數字、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，其具有的優勢特性包括：
4.1、用戶可定制測量項目
完整的一致性測試包含十幾個甚至幾十個項目，但不是每次測試都要遍歷全部項目。
100Base-Tx測試項目定制窗口
QualiPHY軟件支持用戶可定制化測試項目，可以選擇單個或多個項目分別測試，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、圖表化提示
QualiPHY軟件的用戶界面設計非常人性化和直觀實用，它會以圖表化的方式顯示出一致性測試的每個環節中測試夾具、示波器主機和DUT三者之間的拓撲關系，使用者無需記憶，就能正確設置測試環境。下圖7清晰 顯示了100Base-T測試中的夾具、DUT和連接關系。
4.3、 自動化測試
根據選擇好的測試項目，QualiPHY隨即展開一系列自動化測試過程：自動設置工作參數包括采樣率、存儲深度、采集時間、縱軸刻度、觸發電平等；自動定義測量參數；自動調用第三方軟件如Matlab對波形運算，自動分析波形和測量結果，自動輸出分析結果，整個測試過程完全是自動化的，無需任何人工干預。在測試過程中會同步顯示測試狀態和過程提示。
100Base-T測試連接示意圖
4.4、自動分析測量數據
采集波形并按規程測量參數后，QualiPHY軟件會自動將其與標準值做對比，并輸出此參數通過或失敗的結論。下圖8展示了QualiPHY軟件包對上升時間分析的結果，實際測量值為4.323ns，802.3標準合格范圍是3ns到5ns，顯然此參數測試通過。
8 QualiPHY自動分析上升時間
4.6、自動輸出報告
QualiPHY軟件在完成所有指定項目的測量和分析任務后，會自動生成美觀、實用、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。節省了編寫測試報告的時間，工程師就可以把更多精力放在產品設計上，而不是測試上。
QualiPHY軟件自動生成100Base-T一致性測試報告
5、結束語
美國力科公司推出的QualiPHY自動化一致性測試軟件，運行在中高端數字或串行數據分析儀上，針對以太網物理層 一致性測試的流程特點，提供了易用操作和人性化的操作界面，全面而豐富的軟件功能，有效降低了工程師操作儀器的復雜度，提高了測試效率，從而使得一致性測試成為一件非常有趣的工作，而非枯燥無味的任務。
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