以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理及其信號質(zhì)量測試

1、以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理及其信號質(zhì)量測試主要內(nèi)容 以太網(wǎng)簡介以太網(wǎng)簡介 以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試 以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試 附錄：以太網(wǎng)信號質(zhì)量測試指標(biāo)附錄：以太網(wǎng)信號質(zhì)量測試指標(biāo)以太網(wǎng)簡介【以太網(wǎng)】使用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)（即采用CSMA/CD訪問控制技術(shù)）的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 由美國Xerox（施樂）公司和Stanford（斯坦福）大學(xué)聯(lián)合開發(fā)并于75年推出，原為總線型，現(xiàn)已擴(kuò)展到星形、星形總線、樹形等。81年Xerox、DEC、Intel聯(lián)合推出商業(yè)產(chǎn)品。85年IEEE 802委員會在此

2、基礎(chǔ)上頒布了802.3標(biāo)準(zhǔn) 由于以太網(wǎng)與其他LAN類型相比，具有易用、易安裝、易維護(hù)、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前世界上8085%與LAN相連的PC和工作站使用以太網(wǎng)連接。 以太網(wǎng)為基帶系統(tǒng)，采用曼徹斯特等編碼技術(shù)，且只支持LLC層的類型1操作 不確認(rèn)的無連接服務(wù)（數(shù)據(jù)報服務(wù)） 。以太網(wǎng)簡介 按照網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可以分為10BASE-T、100BASE-T、1000BASE-T 。 以太網(wǎng)物理層傳輸介質(zhì)雙絞線可分為非屏蔽雙絞線(UTP)和屏蔽雙絞線(STP)，現(xiàn)在使用的UTP可分為3類、4類、五類和超五類四種 。 在美國線纜標(biāo)準(zhǔn)(AWG)中對3類、4類、五類和超五類雙絞線都定義為4對，在千兆位以太網(wǎng)中更

3、是要求使用全部的4對線進(jìn)行通信。所以，標(biāo)準(zhǔn)五類線纜中應(yīng)該有4對線。 以太網(wǎng)簡介 CSMA/CD協(xié)議的基本思想 每站在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先監(jiān)聽信道是否空閑；若是，則發(fā)送數(shù)據(jù)，并繼續(xù)監(jiān)聽下去，一旦監(jiān)聽到?jīng)_突，立即停止發(fā)送，并在短時間內(nèi)連續(xù)向信道發(fā)出一串阻塞信號（JAM）強(qiáng)化沖突，如果信道忙，則暫不發(fā)送，退避一隨機(jī)時間后再嘗試。 CSMA/CD協(xié)議在CSMA協(xié)議基礎(chǔ)上增加了發(fā)送期間檢測沖突的功能。其最大特點(diǎn)是“先聽后說,邊說邊聽”。該協(xié)議已被IEEE 802委員會采納，并以此為依據(jù)制定了IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。 CSMA/CD協(xié)議同樣可分為非堅(jiān)持、1堅(jiān)持和p堅(jiān)持3種。 以太網(wǎng)通常采用非分隙1堅(jiān)持CSMA

4、/CD。主要內(nèi)容 以太網(wǎng)簡介以太網(wǎng)簡介 以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試 以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試 附錄：以太網(wǎng)信號質(zhì)量測試指標(biāo)附錄：以太網(wǎng)信號質(zhì)量測試指標(biāo)以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 PHY =PHYSICAL LAYER DEVICE 即物理層器件。此次培訓(xùn)中提到的10/100/1000M PHY 是指專用于以太網(wǎng)，支持IEEE 802.3 10 Mbps、100Mbps、1000 Mbps物理層應(yīng)用的收發(fā)器。即通過雙絞線可使用在10 Mbps 和 100 Mbps 、1000 Mbps以太網(wǎng)

5、的物理層器件。有些PHY 可通過光纖收發(fā)器支持100 Mbps (100BASE-FX)以太網(wǎng)，和此相關(guān)部分本次培訓(xùn)不涉及。以下將10/100/1000 Mbps 以太網(wǎng)收發(fā)器簡稱為PHY。 問題 在OSI 基準(zhǔn)模型中，PHY 屬于哪一層？以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解在OSI 的7 層基準(zhǔn)模型中我們使用的PHY屬于第一層-物理層( PHY)。物理層協(xié)議可定義電氣信號、線的狀態(tài)、時鐘要求、數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)傳輸用的連接器。數(shù)據(jù)鏈路層可以通過定義好的接口而與物理層通話。例如MAC可以利用介質(zhì)無關(guān)性接口( MII)與PHY進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PHY 的基本作用：(1) 對端口LINK 狀態(tài)的判斷；(2) 自動協(xié)商

6、，當(dāng)然MAC 可以修改PHY 的寄存器間接控制 (3) 完成MII（RMII）數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)流之間的轉(zhuǎn)化：包括4B/5B 的編碼的轉(zhuǎn)化（不包括10BASET）；串并轉(zhuǎn)換；最后轉(zhuǎn)換成低壓信號，根據(jù)端口不同的工作模式，轉(zhuǎn)換方式也有所不同。例如在100BASE-T 下是MLT-3；在10BASE-T 下是曼徹斯特編碼(4) 在MII 的工作方式下，完成沖突檢測。若是工作于RMII 模式下 則此項(xiàng)任務(wù)由MAC 完成。以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 PHY Block Diagram以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 一 PHY主要組成部分(1) PCS(PHYSICAL CODING SUBLAYER)：在100BA

7、SE-X 模式時，提供RMII 接口、4B/5B 編碼、串并轉(zhuǎn)換以及沖突檢測功能，同時只要TXEN 無效就提供“idle”信號給PMD 層。在10BASE-T 模式下只提供接口和串并轉(zhuǎn)換功能。(2) PMA(PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT)：提供對LINK 狀態(tài)的判斷和載波偵聽的功能，完成串行信號和NRZI 信號之間的轉(zhuǎn)化。PMA 使用標(biāo)準(zhǔn)的方法來判斷端口的LINK 狀態(tài)。當(dāng)PMA 判斷到對方設(shè)備存在的時候，如果自動協(xié)商使能，就會開始同對方進(jìn)行自動協(xié)商確定端口的工作模式；當(dāng)對方不支持自動協(xié)商的時候，端口的工作模式根據(jù)并行探測的結(jié)果。 (3) PMD(PHYSICAL ME

8、DIUM DEPENDENT)：提供對信號的scrambling/ descrambling；對信號進(jìn)行編碼，在100TX 下是MLT-3 , 在10T 下是Manchester； polarity correction；baseline wander correction 等功能。其中的scrambling(擾頻)/ descrambling（解擾）和baseline wander（基線漂移）功能是100BASE TX專有的以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解(4) MII (MEDIA INDEPENDENT INTERFACE):媒體無關(guān)接口,是PHY和控制期間之間的數(shù)據(jù)通路.(5) MDI (ME

9、DIUM DEPENDENT INTERFACE):介質(zhì)相關(guān)接口,不同的PMD對應(yīng)著不同的MDI接口(6) SMI (SERIAL MANAGEMENT INTERFACE):這個接口允許上層器件監(jiān)控PHY。物理接口包括一個數(shù)據(jù)線（MDIO）和一根時鐘線（MDC）。MAC 利用SMI 可以完成讀寫狀態(tài)寄存器的功能以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 二 PHY主要功能部分(1) Auto-negotiation 與Parallel Detection：當(dāng)連接的雙方都有自動協(xié)商能力的時候，PHY 通過發(fā)送 FLP（ Fast Link Pulse 快速鏈路脈沖）來決定端口的工作模式，每一個FLP 脈沖群包括

10、33 個脈沖，每個脈沖間隔62.5us，脈沖群的間隔為168ms。奇數(shù)脈沖代表時鐘長有，偶數(shù)脈沖表示數(shù)據(jù)，有脈沖信號為“1”，沒有脈沖信號為“0”。每個FLP 包含16bits 數(shù)據(jù)即所謂的“page”。所有的支持Auto-negotiation 的器件必須能夠讀懂“base page”。有些phy 支持“next page”功能。通過交換“base page 互相相連的兩方可告知對方它的實(shí)際能力（速度、雙工等）。PHY 選擇雙方都有的最高能力作為端口的工作模式。當(dāng)連接的雙方只有一方支持自動協(xié)商的時候，沒有自協(xié)商能力的一方發(fā)送NLP (normal link pulses in 10Mbps)

11、或者Idle Symbols（100Mbps）；有自動協(xié)商能力的PHY 探測線路上的速度信息，配置端口為10M 半雙工或者是100M 半雙工。NLP 是每間隔168ms 發(fā)送一個脈沖，IDLE 就是全“1”信號以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解所以當(dāng)強(qiáng)制端口工作于全雙工的時候，就必須保證連接的對方也是強(qiáng)制于此種工作狀態(tài)，否則對方（具有自協(xié)商能力的一方）會選擇端口的工作狀態(tài)為半雙工，雙方能夠連接上且按照各自的模式工作。當(dāng)連接的雙方都沒有自協(xié)商能力的時候，雙方都發(fā)送NLP (normal link pulses in 10Mbps)或者Idle Symbols（100Mbps），如果探測到的速度信息與自己發(fā)

12、送的一致，雙方就按照自己的工作模式LINK 上且開始工作。如果一方強(qiáng)制為100M 全雙工，另一方為強(qiáng)制為100M 半雙工的時候，能夠連接上且按照各自的模式工作。 案例分析以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解(2) Auto MDI/MDIX Crossover：Crossover 是PHY 的一個可選的功能，具有此功能的PHY 能夠根據(jù)對方的發(fā)送和接收信號，使用MDI 或者是MDIX。連接的雙方，只要有一方具有Crossover，就可實(shí)現(xiàn)功能。此時雙方無論使用正線還是反線都能連接上(3) Polarity Detection and Correction極性檢測和糾正是防止差分輸出TP+和TP-出現(xiàn)反接導(dǎo)

13、致傳輸錯誤.問題:為什么只是10M采用極性檢測和糾正? 案例分析以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 三 PHY簡單工作過程以100Mbps 為例，在接收方向上，PHY 必須把125M 的串行的MLT-3 信號轉(zhuǎn)化為MII（RMII、SMII）信號。PHY 從雙絞線上接收MLT-3 信號。首先，AGC 模塊對MLT-3 信號進(jìn)行處理，去除信號中的直流分量，實(shí)現(xiàn)baseline wander correction；數(shù)字鎖相環(huán)會從接收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)出125M 的時鐘，ADC 模塊利用此時鐘對MLT-3 信號進(jìn)行采樣；把MLT-3 信號轉(zhuǎn)化為NRZI 信號；然后按照與發(fā)送相反的流程完成NRZI到NRZ 信號的轉(zhuǎn)化

14、，DESCRAMBLE，串并轉(zhuǎn)化，4B/5B 的譯碼；最后把處理完的信號送入FIFO，準(zhǔn)備發(fā)送給MAC。使用FIFO 的主要原因是糾正恢復(fù)時鐘與系統(tǒng)時鐘之間存在的差別。問題:為什么需要baseline wander correction?問題:為什么需要DESCRAMBLE ?主要內(nèi)容 以太網(wǎng)簡介以太網(wǎng)簡介 以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試 以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試 附錄：以太網(wǎng)信號質(zhì)量測試指標(biāo)附錄：以太網(wǎng)信號質(zhì)量測試指標(biāo)以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試10BASE-T采用Manchester 編碼方

15、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(fù)時鐘.100BASE-T時采用了MLT-3（三電平編碼）的信道編碼方法.(MLT-3定義只有數(shù)據(jù)是“1”時數(shù)據(jù)信號狀態(tài)才跳變,數(shù)據(jù)為“0”則保持不變)1000BASE-T使用5電平4D-PAM編碼,每個電平表示5符號-2,-1,0,1,2中的一個符合,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)以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試 10 Mbps和1

16、00 Mbps以太網(wǎng)的物理層信號質(zhì)量測試采用誘導(dǎo)發(fā)包的測試方法以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試 誘導(dǎo)發(fā)包方法(10M/100M) 上述圖示的Ethernet processor以及Auxiliary Board為輔助發(fā)包設(shè)備,設(shè)置Ethernet processor為10M/100M模式,使得DUT工作在相應(yīng)的工作模式。將其發(fā)送管腳(3,6)引出至測試Module進(jìn)行信號質(zhì)量的測試. 1000M信號質(zhì)量的測試采用修改PHY寄存器的方法使得PHY強(qiáng)制工作在測試模式來進(jìn)行測試.四種測試模式的設(shè)定通過改寫MII寄存器915:13來進(jìn)行設(shè)定.這個標(biāo)準(zhǔn)測試寄存器在IEEE802.3 條款 40.6中被定義.以太

17、網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試100Base-TX100Base-TX接口的指標(biāo)測試特點(diǎn)及波形捕抓接口的指標(biāo)測試特點(diǎn)及波形捕抓 在IEEE Std 802.3-2000標(biāo)準(zhǔn)中要求使用的測試波形是14位（112ns）的非跳變（transition）波形，然而在實(shí)際測試中很難獲得這種112ns寬度的脈沖信號。通常在Idle狀態(tài)下，96ns寬度的脈沖信號非常容易獲得，因此采用96ns替代112ns脈沖信號作為測試信號。在使用100電阻作為測試負(fù)載時，使被測試端口LinkUP，通過示波器的寬度觸發(fā)功能捕抓到寬度為96ns信號。 測試負(fù)載負(fù)載要求測試負(fù)載負(fù)載要求在IEEE Std 802.3-2000標(biāo)準(zhǔn)中要求測

18、試負(fù)載為滿足1000.2%的電阻器且在頻率100MHz時，串聯(lián)感抗20nH、并聯(lián)容抗2pF。如果不是使用電阻器作為測試負(fù)載（例如使用一個實(shí)際的100Base-TX接口），那么它的“阻抗-頻率”特性曲線不會是平坦的，這樣就會引入較大的不確定誤差。以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試 100BASE-TX信號質(zhì)量測試指標(biāo)(ANSI X3.263-1995) MASK TEST (網(wǎng)口眼圖測試) Rise and Fall Time (上升/下降時間測試) Duty Cycle Distortion (占空比失真測試) Amplitude/Symmetry/Overshoot (差模輸出電壓/波形過沖/對稱性測

19、試) Jitter (傳輸抖動測試)以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試 1000MBASE-T信號質(zhì)量測試(IEEE 802.3ab clause 40) 測試模式1：模板測試、峰值電壓測試、衰落測試 測試模式2：主模式抖動 測試模式3：從模式抖動 測試模式4：波形失真測試、共模輸出電壓主要內(nèi)容 以太網(wǎng)簡介以太網(wǎng)簡介 以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量測試 以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試 附錄：以太網(wǎng)信號質(zhì)量測試指標(biāo)附錄：以太網(wǎng)信號質(zhì)量測試指標(biāo)以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試 現(xiàn)象現(xiàn)象: :所有的端口都不能收發(fā)數(shù)據(jù)所

20、有的端口都不能收發(fā)數(shù)據(jù)原因1：PHY 沒有正常工作。判定方法：保證端口具有自動協(xié)商能力，在端口沒有LINK 的時候，測試PHY 是否有發(fā)送FLP 信號，以此來判斷PHY 是否已經(jīng)工作。當(dāng)然在MII 下可以測試MII 上的發(fā)送和接收時鐘信號是否產(chǎn)生。原因2：隔離變壓器的問題。判定方法：測試對比隔離變壓器輸入和輸出信號是否相同。附加說明：對于使用crossover 功能的PHY，必須選用支持此功能的隔離變壓器。原因3：MAC 的問題。判定方法: 利用PC 向交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，測試MII（RMII）的RXD 上是否有相應(yīng)的信號產(chǎn)生，如果有問題可能在MAC以太網(wǎng)收發(fā)器常見問題分析和調(diào)試 現(xiàn)象：單個端口不能收發(fā)現(xiàn)象：單個端口不能收發(fā)原因1：焊接問題判定方法：檢測電路上管腳的焊接及阻容的使用。原因2：器件問題判定方法：按照信號的流向來一步步地