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以太網(wǎng)物理層信號(hào)測(cè)試與分析
2011-03-27
現(xiàn)實(shí)生活中，以太網(wǎng)可謂無(wú)處不在，而對(duì)它進(jìn)行測(cè)試與分析也是通信領(lǐng)域經(jīng)久不衰的話題。要想透徹掌握以太網(wǎng)測(cè)試要領(lǐng)，必須首先了解以太網(wǎng)物理層信號(hào)的基本特點(diǎn)。基于此，本文將具體介紹三種速率以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的不同物理層編碼規(guī)則、完整測(cè)試涉及到的共性問(wèn)題，以及基于力科的以太網(wǎng)一致性測(cè)試方案。
1 物理層信號(hào)特點(diǎn)
以太網(wǎng)對(duì)應(yīng)OSI七層模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層的部分又分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)。MAC與物理層連接的接口稱作介質(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(jù)介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)10Mbps，100Mbps和1000Mbps三種速率級(jí)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(guī)則而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的測(cè)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(guī)則做一分析。
1、1 曼徹斯特編碼規(guī)則 100Base-Tx 編碼方法
100Base-TX又稱為快速以太網(wǎng)，因?yàn)橥ǔ?00Base-TX的PMD是使用CAT5線傳輸，按TIA/EIA-586-A定義只能達(dá)到100MHz，而當(dāng)PCS層將4Bit編譯成5Bit時(shí)，使100Mb/s數(shù)據(jù)流變成125Mb/s數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是“1”時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)狀態(tài)才跳變，“0”則保持狀態(tài)不變，以減低信號(hào)跳變的頻率，從而減低信號(hào)的頻率。
1、2 10Base-T 編碼方法
10M以太網(wǎng)物理層信號(hào)傳輸使用曼徹斯特 編碼方法，即“0”=由“+”跳變到“-”，“1”=由“-”跳變到“+”,因?yàn)椴徽撌恰?”或是”1”,都有跳變,所以總體來(lái)說(shuō),信號(hào)是DC平衡的, 并且接收端很容易就能從信號(hào)的跳變周期中恢復(fù)時(shí)鐘進(jìn)而恢復(fù)出數(shù)據(jù)邏輯。
MLT-3編碼規(guī)則
100Base-Tx的MAC層在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)終端機(jī)會(huì)檢測(cè)鏈路是否空閑，才會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)）。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，MDI信號(hào)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(hào)，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?yàn)殒溌方^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(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行偽隨機(jī)的Scrambling擾碼，使“11111”分散，同時(shí)將能量與頻譜擴(kuò)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(hào)-2,-1,0,1,2中的一個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)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(cuò)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(hào)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(zhuǎn)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(hào)與電平的映射關(guān)系為:-2->-1, -1->-0.5, 0->0, 1->0.5, 2->1。
4D-PAM編碼規(guī)則
1000Base-T采用了UTP里所有的4對(duì)線，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(xiàn)1000MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率。每對(duì)線的數(shù)據(jù)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(duì)線的總帶寬為
• 125Mb/s x2 x4=1000Mb/s
所以，盡管是千兆速率，但實(shí)際上對(duì)的帶寬要求只需能高保真采集125MHz信號(hào)即可，原因就是每對(duì)線上實(shí)際傳輸率是125Mbps。
2 測(cè)試參數(shù)說(shuō)明
負(fù)責(zé)制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范的是IEEE學(xué)會(huì)下屬的802.3委員會(huì)，該規(guī)范的一部分內(nèi)容就是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程，包括需要分析的參數(shù)集、測(cè)試工具的使用、結(jié)果如何判定等，目的是保證世界上各個(gè)不同廠家生產(chǎn)的以太網(wǎng)產(chǎn)品能滿足“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(cè)試規(guī)程。下面逐一解釋標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試集中各參數(shù)的具體含義。
2、1 10 Base-T測(cè)試項(xiàng)目
1 Link Test Pulse Mask (鏈接脈沖測(cè)試)
• Link Test Pulse head Mask （鏈接脈沖幀頭模板測(cè)試）
• Link Test Pulse tail Mask （鏈接脈沖幀尾模板測(cè)試）
2 DOV Mask and Voltage Test（差分輸出電壓的模板以及電壓測(cè)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(cè)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(fù)脈沖模板測(cè)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(fù)脈沖模板測(cè)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(fù)脈沖模板測(cè)試）
3 Output Timing Jitter (輸出抖動(dòng)測(cè)試)
• Output Timing Jitter 8 BT （觸發(fā)點(diǎn)后8 bit的抖動(dòng)測(cè)試）
• Output Timing Jitter 8 BT （觸發(fā)點(diǎn)后8.5 bit的抖動(dòng)測(cè)試）
4 TP_IDL Mask Test （空閑信號(hào)模板測(cè)試）
• TP_IDL Head Mask(空閑信號(hào)幀頭模板測(cè)試）
• TP_IDL Tail Mask (空閑信號(hào)幀尾模板測(cè)試）
2、2 100Base-Tx測(cè)試項(xiàng)目
1 Mask Test (眼圖/模板測(cè)試）
2 Jitter（抖動(dòng)測(cè)試）
3 Duty cycle distortion （占空比失真）
4 Amplitude, Symmetry, and Overshoot（信號(hào)幅度，對(duì)稱性，以及過(guò)沖測(cè)試）
5 Rise and Fall Time（信號(hào)上升，下降時(shí)間測(cè)試）
3 1000Base-Tx測(cè)試項(xiàng)目
測(cè)試模式1：模板測(cè)試、峰值電壓測(cè)試、衰落測(cè)試
模式1信號(hào)是由+2，然后接著127個(gè)0，-2，然后接著127個(gè)0，+1，然后接著127個(gè)0，-1，然后接著127個(gè)0，接著是128個(gè)+2，128個(gè)-2，128個(gè)+2，128個(gè)-2，最后是1024個(gè)0。
驗(yàn)證的目的是：
接口有否發(fā)射過(guò)多的EMI， 超過(guò)FCC Class A的要求
信號(hào)是否對(duì)稱， 即A與B， C與D是否對(duì)稱
接口有否驅(qū)動(dòng)足夠的能量將信號(hào)傳送100米距離。
上升時(shí)間是否足夠快得以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換
模式1各點(diǎn)示意圖
4 對(duì)測(cè)試模式1信號(hào)的F點(diǎn)500nS后的G點(diǎn)以及H點(diǎn)500nS后的J點(diǎn)，測(cè)量他們的電壓驗(yàn)證插入磁損耗是否過(guò)大。規(guī)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。
5 測(cè)試模式2：主模式抖動(dòng)
6 測(cè)試模式3：從模式抖動(dòng)
7 測(cè)試模式4：波形失真測(cè)試、共模輸出電壓
3、測(cè)試配置
3、1 的選擇
·1000M 以太網(wǎng)電口測(cè)試
每路數(shù)據(jù)線傳輸速率是125Mbps；
主機(jī)帶寬至少為 1GHz；
支持型號(hào)包括 WaveRunner 104Xi-A,204Xi-A；WavePro7Zi，WaveMaster8 Zi。
·10/100M 以太網(wǎng)電口測(cè)試
要求帶寬高于400MHz，支持型號(hào)有力科WaveRunnerXi-A，WavePro7Zi，WaveMaster8Zi。
3、2 測(cè)試夾具
測(cè)試夾具的主要功能是將雙絞線信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠直接識(shí)別的探頭或通道信號(hào)。
力科為測(cè)試工程師提供的新型以太網(wǎng)測(cè)試夾具TF-ENET-B,具有優(yōu)勢(shì)特性包括：
·同時(shí)支持10/100/1000Mbps三種 以太網(wǎng)速率級(jí)別
·免探頭設(shè)計(jì)，只需使用SMA線纜，降低費(fèi)用，操作便利
·高信號(hào)質(zhì)量轉(zhuǎn)發(fā)，支持全部以太網(wǎng)測(cè)試項(xiàng)目
圖5 無(wú)需探頭的TF-ENET-B測(cè)試夾具
3、3 測(cè)試激勵(lì)生成
802.3標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)規(guī)定，完全測(cè)試以太網(wǎng)必須DUT(被測(cè)設(shè)備)發(fā)出專門(mén)的測(cè)試報(bào)文，物理層PHY芯片內(nèi)部都有測(cè)試寄存器。底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)工程師通過(guò)編程置位此寄存器，PHY芯片就會(huì)向UTP線路上發(fā)出特定的測(cè)試序列報(bào)文。有些廠商，比如Intel和Realtek公司提供高層應(yīng)用軟件，允許測(cè)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(qū)動(dòng)該網(wǎng)卡發(fā)送特定測(cè)試序列報(bào)文到雙絞線，采集這種測(cè)試序列并加以后處理與分析！
4. 力科以太網(wǎng)物理層測(cè)試方案
力科的以太網(wǎng)物理層信號(hào)測(cè)試和分析解決方案包括全系列帶寬的數(shù)字、串行數(shù)據(jù)分析儀、測(cè)試夾具和功能強(qiáng)大、易于使用的QualiPHY軟件包，其具有的優(yōu)勢(shì)特性包括：
4.1、用戶可定制測(cè)量項(xiàng)目
完整的一致性測(cè)試包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)項(xiàng)目，但不是每次測(cè)試都要遍歷全部項(xiàng)目。
100Base-Tx測(cè)試項(xiàng)目定制窗口
QualiPHY軟件支持用戶可定制化測(cè)試項(xiàng)目，可以選擇單個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目分別測(cè)試，從而大大提高了靈活性。圖5描述的是100Base-T測(cè)試項(xiàng)目定制窗口。
4.2、圖表化提示
QualiPHY軟件的用戶界面設(shè)計(jì)非常人性化和直觀實(shí)用，它會(huì)以圖表化的方式顯示出一致性測(cè)試的每個(gè)環(huán)節(jié)中測(cè)試夾具、示波器主機(jī)和DUT三者之間的拓?fù)潢P(guān)系，使用者無(wú)需記憶，就能正確設(shè)置測(cè)試環(huán)境。下圖7清晰 顯示了100Base-T測(cè)試中的夾具、DUT和連接關(guān)系。
4.3、 自動(dòng)化測(cè)試
根據(jù)選擇好的測(cè)試項(xiàng)目，QualiPHY隨即展開(kāi)一系列自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程：自動(dòng)設(shè)置工作參數(shù)包括采樣率、存儲(chǔ)深度、采集時(shí)間、縱軸刻度、觸發(fā)電平等；自動(dòng)定義測(cè)量參數(shù)；自動(dòng)調(diào)用第三方軟件如Matlab對(duì)波形運(yùn)算，自動(dòng)分析波形和測(cè)量結(jié)果，自動(dòng)輸出分析結(jié)果，整個(gè)測(cè)試過(guò)程完全是自動(dòng)化的，無(wú)需任何人工干預(yù)。在測(cè)試過(guò)程中會(huì)同步顯示測(cè)試狀態(tài)和過(guò)程提示。
100Base-T測(cè)試連接示意圖
4.4、自動(dòng)分析測(cè)量數(shù)據(jù)
采集波形并按規(guī)程測(cè)量參數(shù)后，QualiPHY軟件會(huì)自動(dòng)將其與標(biāo)準(zhǔn)值做對(duì)比，并輸出此參數(shù)通過(guò)或失敗的結(jié)論。下圖8展示了QualiPHY軟件包對(duì)上升時(shí)間分析的結(jié)果，實(shí)際測(cè)量值為4.323ns，802.3標(biāo)準(zhǔn)合格范圍是3ns到5ns，顯然此參數(shù)測(cè)試通過(guò)。
8 QualiPHY自動(dòng)分析上升時(shí)間
4.6、自動(dòng)輸出報(bào)告
QualiPHY軟件在完成所有指定項(xiàng)目的測(cè)量和分析任務(wù)后，會(huì)自動(dòng)生成美觀、實(shí)用、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測(cè)試報(bào)告，如圖9所示，報(bào)告格式可以選擇是XML、HTML或PDF格式。節(jié)省了編寫(xiě)測(cè)試報(bào)告的時(shí)間，工程師就可以把更多精力放在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，而不是測(cè)試上。
QualiPHY軟件自動(dòng)生成100Base-T一致性測(cè)試報(bào)告
5、結(jié)束語(yǔ)
美國(guó)力科公司推出的QualiPHY自動(dòng)化一致性測(cè)試軟件，運(yùn)行在中高端數(shù)字或串行數(shù)據(jù)分析儀上，針對(duì)以太網(wǎng)物理層 一致性測(cè)試的流程特點(diǎn)，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(fù)雜度，提高了測(cè)試效率，從而使得一致性測(cè)試成為一件非常有趣的工作，而非枯燥無(wú)味的任務(wù)。
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