(完整版)以太網(wǎng)物理層信號測試與分析

1、以太網(wǎng)物理層信號測試與分析1 物理層信號特點(diǎn)以太網(wǎng)對應(yīng)OSI 七層模型的數(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 (LLC) 和介質(zhì)訪問控制子層(MAC) 。 MAC 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 ）。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，分別對應(yīng) 10Mbps ，100Mbps 和 1000M

2、bps 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(guī)則而導(dǎo)致對應(yīng)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(wǎng)的物理層編碼規(guī)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?yàn)椴徽撌?”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(fù)時(shí)鐘進(jìn)而恢復(fù)出數(shù)據(jù)邏輯。圖1曼徹斯特編碼規(guī)則1 、2100Base-Tx編碼方法100Base-TX又稱為快速以太網(wǎng)，因?yàn)橥ǔ?

3、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(guī)則100Base-Tx的 MAC 層在數(shù)據(jù)幀與幀之間，會插入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)

4、中（按CSMA/CD，DTE 數(shù)據(jù)終端機(jī)會檢測鏈路是否空閑，才會發(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 信號的頻率將會是125MHz ，但是經(jīng)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(wǎng)不能產(chǎn)生過大的EMI ，因?yàn)殒溌方^大部分時(shí)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(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

5、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 -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(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(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)符號與電平的映射關(guān)系為:-2->-1, -1->-0.5, 0->0,

6、 1->0.5, 2->1。圖 3 4D-PAM 編碼規(guī)則1000Base-T采用了 UTP 里所有的4 對線，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，原因就是每對線上實(shí)際傳輸率是125Mbps。2 測試參數(shù)說明負(fù)責(zé)制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范的是IEEE 學(xué)會下屬的8

7、02.3委員會，該規(guī)范的一部分內(nèi)容就是標(biāo)準(zhǔn)測試流程，包括需要分析的參數(shù)集、測試工具的使用、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試規(guī)程。下面逐一解釋標(biāo)準(zhǔn)測試集中各參數(shù)的具體含義。2 、1 10 Base-T測試項(xiàng)目1 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 I

8、nv for external MAU testing of the negative( MAC模塊與 PHY 模塊分離情況下的差分輸出電壓負(fù)脈沖模板測試）? DOV Mask MAU for internal MAU testing ( MAC模塊與 PHY-going pulses 模塊集成情況下的差分輸出電壓負(fù)脈沖模板測試）? DOV Mask MAU Inv for internal MAU testing of the ne模塊與 PHY 模塊集成情況下的差分輸出電壓負(fù)脈沖模板測試）gative-going pulses( MAC2 Link Test Pulse Mask (鏈接脈

9、沖測試)? Link Test Pulse head Mask ? Link Test Pulse tail Mask（鏈接脈沖幀頭模板測試）（鏈接脈沖幀尾模板測試）3 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）4 Output Timing Jitter (輸出抖動(dòng)測試)? Output Timing Jitter 8 BT ? Output Timing Jitter 8 BT（觸發(fā)點(diǎn)后8 bit（觸發(fā)點(diǎn)后8.5 bit的抖動(dòng)測試）的抖動(dòng)測試）2 、2 100

10、Base-Tx測試項(xiàng)目1 Mask Test (眼圖 / 模板測試）2 Jitter（抖動(dòng)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(shí)間測試）3 1000Base-Tx測試項(xiàng)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(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

11、，128個(gè)+2，128 個(gè)-2 ，最后是 1024 個(gè) 0。驗(yàn)證的目的是：接口有否驅(qū)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(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換接口有否發(fā)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是否對稱圖 4模式 1 各點(diǎn)示意圖4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(yàn)證插入磁損耗是否過大。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 測試模式 2 ：主模式抖動(dòng)6 測試模式 3 ：從模式抖動(dòng)7 測試模式 4 ：波形

12、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 WaveRunnerXi-A ， WavePro7Zi ， WaveMaster8Zi 。·1000M以太網(wǎng)電口測試每路數(shù)據(jù)線傳輸速率是125Mbps；示波器主機(jī)帶寬至少為1GHz ；支持型號包括WaveRunner 104Xi-A,204Xi-A； WavePro7Zi，WaveMaster8 Zi。3 、2 測試夾具測試夾具的主要功能是將雙絞線信號轉(zhuǎn)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

13、-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(shè)計(jì)，只需使用 SMA 線纜，降低費(fèi)用，操作便利·高信號質(zhì)量轉(zhuǎn)發(fā)，支持全部以太網(wǎng)測試項(xiàng)目圖 5 無需探頭的TF-ENET-B測試夾具3 、3測試激勵(lì)生成802.3標(biāo)準(zhǔn)委員會規(guī)定，完全測試以太網(wǎng)必須DUT( 被測設(shè)備 ) 發(fā)出專門的測試報(bào)文，物理層 PHY 芯片內(nèi)部都有測試寄存器。底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)工程師通過編程置位此寄存器，PHY芯片就會向UTP 線路上發(fā)出特定的測試序列報(bào)文。有些廠商，比如Intel和 Realtek公司提供高層應(yīng)用軟件，允許測試人員能夠直接操作以

14、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)送特定測試序列報(bào)文到雙絞線，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(shù)字示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、測試夾具和功能強(qiáng)大、易于使用的QualiPHY軟件包，其具有的優(yōu)勢特性包括：4.1 、用戶可定制測量項(xiàng)目完整的一致性測試包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)項(xiàng)目，但不是每次測試都要遍歷全部項(xiàng)目。圖 6 100Base-Tx測試項(xiàng)目定制窗口QualiPHY軟件支持用戶可定制化測試項(xiàng)目，可以選擇單個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目分別測試，從而大大提高了靈活性。圖5 描述的是1

15、00Base-T測試項(xiàng)目定制窗口。4.2 、 自動(dòng)化測試根據(jù)選擇好的測試項(xiàng)目， QualiPHY 隨即展開一系列自動(dòng)化測試過程：自動(dòng)設(shè)置示波器工作參數(shù)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(shù)；自動(dòng)調(diào)用第三方軟件如 Matlab 對波形運(yùn)算， 自動(dòng)分析波形和測量結(jié)果， 自動(dòng)輸出分析結(jié)果，整個(gè)測試過程完全是自動(dòng)化的， 無需任何人工干預(yù)。 在測試過程中會同步顯示測試狀態(tài)和過程提示。4.3 、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，它會以圖表化的方式顯示出一致性測試的每個(gè)環(huán)節(jié)中測試夾具、示波器主機(jī)和DUT 三者之間的拓?fù)潢P(guān)系，使用者無需記憶，就能

16、正確設(shè)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(shù)據(jù)示波器采集波形并按規(guī)程測量參數(shù)后，QualiPHY軟件會自動(dòng)將其與標(biāo)準(zhǔn)值做對比，并輸出此參數(shù)通過或失敗的結(jié)論。下圖 8 展示了 QualiPHY 軟件包對上升時(shí)間分析的結(jié)果，實(shí)際測量值為 4.323ns ， 802.3 標(biāo)準(zhǔn)合格范圍是 3ns 到 5ns ，顯然此參數(shù)測試通過。圖 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)目的測量和分析任務(wù)后，會自動(dòng)生成美觀、實(shí)用、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測試報(bào)告，如圖9 所示，報(bào)告格式可以選