快速以太網(wǎng)100Base-TX-PMD電氣特性測試

1、一、快速以太網(wǎng)100Base-TX的PMD測試意義 在通常的應(yīng)用環(huán)境下，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)差錯(cuò)不容易在應(yīng)用中表現(xiàn)出來，而是被底層的差錯(cuò)控制機(jī)制自動(dòng)校正。以太網(wǎng)傳輸質(zhì)量的好與壞，至多是影響網(wǎng)絡(luò)的效率，而在共享帶寬的環(huán)境下，這種效率的變化是不容易被一般用戶感知到的。但是在特定的場合，例如雙絞線長度接近極限距離100m，或者線路負(fù)載接近端口標(biāo)稱的100Mbit/s，此時(shí)物理層的差錯(cuò)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生比較關(guān)鍵的影響了。可以說，100Base-TX接口的物理特性對網(wǎng)絡(luò)性能的影響在越是關(guān)鍵的時(shí)刻越起著重要的作用，應(yīng)該得到廣泛的關(guān)注和重視。 二、快速以太網(wǎng)100Base-TX的分層模型 以太網(wǎng)對應(yīng)OSI七層

2、模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層的部分又分為邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問控制子層。介質(zhì)訪問控制子層與物理層連接的接口稱作介質(zhì)無關(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）。對于10/100BaseTX來說，需要協(xié)調(diào)子層（RS）將MAC層的業(yè)務(wù)定義映射成MII接口的信號。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）。PCS子層的主要功能是4B/5B編解碼、碰撞檢測和并串轉(zhuǎn)換；PMA子層完成鏈路監(jiān)測、載波檢測、NRZI編譯碼和發(fā)送時(shí)鐘合成、接收時(shí)鐘恢復(fù)的功能。100Base-TX的PMD子層采用ANSIX3

3、.263規(guī)定的TP-PMD規(guī)范為基礎(chǔ)修改而成，完成數(shù)據(jù)流的擾碼、解擾，MLT-3編解碼，發(fā)送信號波形發(fā)生和雙絞線驅(qū)動(dòng)，接收信號自適應(yīng)均衡和基線漂移校正。具體分層模型如圖1所示。100Base-TX分層模型三、快速以太網(wǎng)100Base-TXPMD子層的內(nèi)部結(jié)構(gòu) PMD子層與物理介質(zhì)直接相連的是信號發(fā)送器、信號接收器和信號檢測模塊。PMD子層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。信號檢測模塊為PMA子層的功能提供支持。信號發(fā)送和接收器之上是MLT-3的編解碼模塊。MLT-3是“多電平傳輸-3電平”的縮寫，它是一種雙極性的編碼（+V、0、-V），信號可以在相鄰兩電平之間躍變，在數(shù)據(jù)位對應(yīng)時(shí)間有躍變沿表示“1”，無躍

4、變沿表示“0”。使用MLT-3編碼可以使信號相對于NRZI編碼的頻譜由70MHz降低至30MHz，從而不要求更高帶寬的傳輸介質(zhì)。PMD子層的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在MLT-3編解碼模塊之上是數(shù)據(jù)流加解擾模塊。重復(fù)的數(shù)據(jù)流會(huì)導(dǎo)致線路信號的功率譜密度分布不均勻，而利用擾碼技術(shù)可以抑制不連續(xù)的頻譜分量，使輸出信號有均勻的功率分布，從而改善發(fā)送性能。擾碼模塊之上是NRZI和NRZ碼轉(zhuǎn)換模塊。對100M接口來說，不用10M接口的NRZI碼，而用MLT-3碼，因此需要將PMA子層提供的NRZI碼轉(zhuǎn)換為NRZ碼提供給MLT-3編解碼器。四、局域網(wǎng)各層對數(shù)據(jù)差錯(cuò)的控制1.物理介質(zhì) 100Base-TX的物理介質(zhì)是五類UT

5、P電纜，其長度要求在100m以內(nèi)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，大部分的場合并不會(huì)利用到極限的長度。較短的電纜產(chǎn)生較小的信號衰減和干擾，數(shù)據(jù)差錯(cuò)的可能性因此得以降低很多。2.物理層 100Base-TX采用的4B/5B編碼增加了數(shù)據(jù)的冗余度，對預(yù)定義數(shù)據(jù)和控制碼字以外的碼字被認(rèn)為是非法數(shù)據(jù)剔出。PMD接收器的自適應(yīng)均衡使波形劣化的線路信號能夠被正確接收，均衡的效果取決于對電纜長度的判斷，如圖3所示。波形測試電路3.數(shù)據(jù)鏈路層 以太網(wǎng)幀有數(shù)據(jù)校驗(yàn)段，對出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)丟棄。4.IP層 以太網(wǎng)常用來承載IP包，TCP/IP協(xié)議有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)機(jī)制，對出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重新發(fā)送。五、PMD測試的

6、準(zhǔn)備工作 IEEE802.3-2002的第25條規(guī)定了100Base-TX的PMD接口電氣指標(biāo)，本文對其中列出的指標(biāo)詳述測試的方法。依照ANSIX3.263-1995的要求，對100Base-TX接口PMD子層的測試可以分為發(fā)送器和接收器測試兩部分。其中，發(fā)送器測試可以分為輸出波形、阻抗特性和時(shí)鐘頻率三部分，而接收器測試可以分為阻抗特性、自適應(yīng)均衡和基線漂移三部分。 在測試之前，需要準(zhǔn)備示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、電纜、衰減器、電橋等。1.測試用儀表 100Base-TX的碼率是125Mbit/s，但經(jīng)MLT-3編碼后，線路信號的主要能量集中在30MHz以下的頻帶范圍內(nèi)。 測試使用的示波器Lecroy

7、9374L的帶寬為1GHz，有源差分探頭HP1141A的帶寬是200MHz，由公式給出各自的上升時(shí)間為0.35ns和1.75ns。系統(tǒng)的上升時(shí)間根據(jù)公式，計(jì)算得到1.785ns。因此可以近似地認(rèn)為系統(tǒng)帶寬是196MHz。 同樣，示波器顯示的上升時(shí)間也是系統(tǒng)上升時(shí)間和信號上升時(shí)間的均方根，這樣信號實(shí)際的上升時(shí)間可以據(jù)此估算。2.測試用UTP電纜 測試輸出波形時(shí)需要使端口保持在連接狀態(tài)，可以用一條雙絞線連接被測端口和另一100Base-TX端口。同時(shí)為保證在接收端口的阻抗特性不理想時(shí)，信號不反射回發(fā)送端口干擾測試，在發(fā)送線路中插入阻抗100（UTP電纜的特性阻抗）的6dB衰減電路（根據(jù)ANSIX3

8、.263-1995附錄A給出的UTP模型，100m電纜的衰減量近似是7.5dB，70m電纜的衰減量近似是5dB）。衰減電路由四個(gè)電阻組成電橋，兩側(cè)的阻抗都匹配為100，其電路和實(shí)際電纜的照片如圖3所示。3.測試反射衰減的電橋 在給定頻率下，反射衰減與端口的阻抗特性有一一對應(yīng)的關(guān)系。用電橋法測試反射衰減的原理如圖4所示，信號源內(nèi)阻RI近似等于0。根據(jù)ANSIX3.263-1995的要求，RN應(yīng)取100和85、115分別測試。注意作為負(fù)載的端口至電橋的連線應(yīng)盡可能短，否則測試反映的是電纜的特性阻抗而非端口的阻抗。反射衰減測試電橋 最大輸出功率反射衰減 而 可見通過測量U1和U2的值可以計(jì)算端口的反

9、射衰減。4.電感測試電路 測試方法可以利用RLC諧振電路的原理，用選頻電平表找到如圖5所示電路（直流偏置為0，電感即連接Tx+/Tx-的端口開路電感）的諧振頻率，根據(jù)已知電容量用公式計(jì)算得到電感。開路電感測試原理圖六、100Base-TXPMD測試項(xiàng) 以一個(gè)8端口快速以太網(wǎng)集線器為例說明測試的內(nèi)容。1.發(fā)送器規(guī)范 (1)差模輸出電壓 指標(biāo)要求在950mV到1050mV之間，且。測試結(jié)果如圖6和7所示。圖6圖7(2)上升時(shí)間和下降時(shí)間 指標(biāo)要求為3ns到5ns之間，且所有上升下降時(shí)間的差別不超過0.5ns。應(yīng)注意在由0電平向-Vout跳變時(shí)是上升時(shí)間，反之是下降時(shí)間。 示波器系統(tǒng)上升時(shí)間為1.7

10、85ns（因篇幅所限，上升、下降時(shí)間測試結(jié)果圖未提供），根據(jù)修正公式計(jì)算可知，顯示上升時(shí)間為4.4ns時(shí)，其實(shí)際的信號上升時(shí)間為4.02ns，顯示上升時(shí)間為4.3ns時(shí)，其實(shí)際的信號上升時(shí)間為3.91ns，顯示上升時(shí)間為4.0ns時(shí)，其實(shí)際的信號上升時(shí)間為3.29ns。 (3)占空比失真 計(jì)算方法如圖8。圖8 e1=t2-t1-16ns；e2=t3-t2-16ns；e3=t4-t3-16ns；e4=t3-t1-32ns；e5=t4-t2-32ns；e6=t4-t1-48ns 指標(biāo)要求em(m=16)不超過0.5ns。因篇幅所限，只提供e1的測試結(jié)果供參考，如圖9所示。圖9 (4)輸出抖動(dòng) 指標(biāo)

11、要求為不超過1.4ns。此項(xiàng)指標(biāo)需要示波器能夠測試眼圖，限于儀表?xiàng)l件未測試。 (5)波形過沖 如圖10，指標(biāo)要求。受示波器帶寬限制此項(xiàng)未測試（參考高帶寬示波器的測試波形，端口一般沒有過沖）。圖10 (6)發(fā)送端口反射衰減 指標(biāo)要求如圖11所示。因篇幅所限，這里只提供8個(gè)端口中的1個(gè)端口的匹配100電阻的測試結(jié)果供參考，如圖12所示。圖11圖12(7)發(fā)送器開路電感 指標(biāo)要求在08mA直流偏置電流下都至少達(dá)到350H。測試結(jié)果如圖5所示電路的諧振頻率2050kHz，電容33pF，計(jì)算得到電感為182.65H。 2.接收器規(guī)范 (1)差分輸入阻抗 指標(biāo)同發(fā)送端口反射衰減。標(biāo)準(zhǔn)要求在100、115和85三種匹配電阻下測試結(jié)果均應(yīng)滿足要求。因篇幅所限，這里只提供匹配電阻100下的測試結(jié)果，如圖13所示。圖13 (2)自適應(yīng)均衡和基線漂移測試 自適應(yīng)均衡和基線漂移測試的方法是在各種電纜長度下接收特定包長度或圖案的數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率，要求在一定范圍內(nèi)才是符合要求。時(shí)間所限未測試。七、總結(jié) 100Base-TX接口已經(jīng)是使用非常普遍的以太網(wǎng)接口了，然而對100Base-TX接口的PMD電氣特性的測試卻一直沒有廣泛的進(jìn)行，這對于我們也是一個(gè)新的嘗試。本文中還有很多地方有待改進(jìn)和補(bǔ)充，算是對該類測試